LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----- ^ ‘ ] -----

PHAN TRUNG QUÂN

XÁC ĐỊNH NƯỚC DÂNG DO BÃO VÙNG
BIỂN NGHI SƠN THANH HÓA
CHUYÊN NGÀNH: CẢNG VÀ CÔNG TRÌNH THỀM LỤC ĐỊA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2005

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS Trương Ngọc Tường

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Nhà giáo nhân dân, PGS, TS Trầøn Đắc Sửu

Cán bộ chấm nhận xét 2:

PGS, TS Traàn Minh Quang

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày ……tháng 12 năm 2005

HOÏC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 2



LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
XX
XX
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 12 năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHAN TRUNG QUÂN
Ngày tháng năm sinh: 01/05/1972
Chuyên ngành: Cảng và Công trình thềm lục địa
I.

Phái:
Nam
Nơi sinh: SÀI GÒN
MSHV: CANG13.007

TÊN ĐỀ TÀI:


PHÂN TÍCH MỰC NƯỚC DÂNG DO BÃO TẠI VÙNG BIỂN
NGHI SƠN – THANH HÓA

II.
III.
IV.
V.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Thiết lập mô hình 1 chiều để tính nước dâng do bão
Phân tích chiều cao nước dâng do bão tại vùng biển Nghi Sơn – Thanh Hóa
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
20/1/2005
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày …….tháng………năm 2005
TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN

MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 3


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

LỜI CẢM ƠN
Chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Cảng – Công trình biển, đã tận tình
hướng dẫn, truyền thụ kiến thức cho tôi trong suốt khóa học.
Chân thành cảm ơn Tiến só Trương Ngọc Tường đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động
viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án.
Chân thành cảm ơn Ban Lãnh Đạo, các đồng nghiệp trong Công ty Cổ phần Tư vấn
Thiết kế Cảng - Kỹ thuật biển, đã giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn
này.
Xin gửi đến Thầy Trần Minh Quang lời cám ơn trân trọng về sự quan tâm, đóng góp ý
kiến để tôi hoàn thành luận văn này. Kính chúc Thầy nhiều sức khỏe, sống lâu trăm
tuổi để tiếp tục truyền thụ những kiến thức q báu cho chúng em.
Xin chân thành cám ơn Tiến só Trần Đắc Sửu –Cục trưởng Cục Đường Sông Việt Nam
(Nguyên hiệu trưởng trường Đại học Hàng hải Việt Nam) đã dành thời gian đọc và
đóng góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thành luận văn.
Chân thành cảm ơn cha mẹ và vợ đã động viên, lo lắng giúp đỡ tôi trong thời gian thực
hiện luận án.
Xin gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè thân hữu đã giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận
án này.


HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 4


LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Vấn đề tính tốn xác định mực nước dâng trong bão hiện nay đang là một đề tài rất được
quan tâm nhất là khi lựa chọn mực nước để tính tốn thiết kế các cơng trình biển như bến
cảng, đê chắn sóng, cơng trình bảo vệ bờ biển… Đã có nhiều nghiên cứu để thiết lập các
phương trình cơ bản của hiện tượng nước dâng của nhiều tác giả ở Châu Á, Châu u,
Mỹ, Úc, Nhật bản là các nước thường xuyên có bão và nước dâng xảy ra. Các nghiên
cứu thường tập trung ở khu vực Vịnh Bengal thuộc Bangladesh là khu vực thường
xuyên xảy ra hiện tượng nước dâng do bão, tại đây đã đo được chiều cao nước dâng
đến 10m.
Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam “Công trình biển cố định” TCVN 6170-1998 quy định
phương pháp xác định mực nước tónh cực đại dùng để thiết kế (MNCTK) phải bao
gồm ảnh hưởng của triều thiên văn cũng như nước dâng do gió và áp suất. Vì vậy,
vấn đề xác định mực nước dâng do bão hiện nay là rất cần thiết, nhằm phục vụ tốt
cho việc thiết kế xây dựng các công trình biển ở Việt Nam.

Trong phạm vi của luận án này, đã sử dụng mô hình toán 1 chiều (viết bằng ngôn ngữ
fortran) để tính toán nước dâng tại khu vực Nghi sơn Thanh Hóa dựa vào các số liệu
bão thu thập được trong 50 năm (áp thấp, vận tốc di chuyển tâm bão, vó độ tâm
bão…). Phương trình cơ bản của hiện tượng nước dâng bao gồm Phương trình liên tục
và phương trình động lượng bao gồm các thành phần như triều, lực coriolis, ứng suất
ma sát trên mặt biển do gió mạnh trong bão, áp suất tâm bão, …
Kết quả tính toán đã thể hiện được sự biến thiên hợp lý theo không gian và thời gian
của các đại lượng như áp thấp, vận tốc gió, nước dâng…

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SOÁ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 5


LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ................................................................................................................. 14
1.1 Giới thiệu chung .................................................................................................................. 14
1.2 Mục tiêu của luận án .......................................................................................................... 14
1.3 Phạm vi của luận án ........................................................................................................... 14
CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ..................................................... 15

2.1 Các nghiên cứu ở Bangladesh và Ấn Độ......................................................................... 15
2.2 Các nghiên cứu của Nhật Bản và Đông Nam Á ............................................................. 17
2.3 Các nghiên cứu thực hiện ở Úc......................................................................................... 17
2.4 Các nghiên cứu ở Mỹ ......................................................................................................... 17
2.5 Các nghiên cứu ở Châu Âu ............................................................................................... 18
CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT CƠ BẢN .................................................................................................. 19
3.1 Tổng quan............................................................................................................................. 19
3.2 Cấu tạo của bão nhiệt đới.................................................................................................. 20
3.3 Phương trình cơ bản của nước dâng do bão (2 chiều) ................................................... 21
3.4 Tính toán các thành phần ứng suất ................................................................................. 25
3.4.1 Tính ứng suất do gió.................................................................................................................... 25
3.4.2 Tính ứng suất do ma sát đáy ....................................................................................................... 25

3.5 Phương trình cơ bản (1 chiều) ........................................................................................... 26
CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP GIẢI .................................................................................................. 28
4.1 Điều kiện biên ..................................................................................................................... 28
HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 6


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

4.2 Số liệu đầu vào .................................................................................................................... 28

4.3 Các thông số của mô hình ................................................................................................. 28
4.4 Các công thức tính.............................................................................................................. 29
4.5 Giải thuật ............................................................................................................................. 33
CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN CHO MỘT SỐ CƠN BÃO MẠNH TẠI NGHI SƠN - THANH HÓA
................................................................................................................................................................ 36
5.1 Tính toán nước dâng do cơn bão KIM- Tháng 7/1971................................................... 42
5.2 Tính toán nước dâng do cơn bão LORNA – tháng 10/1972 .......................................... 55
5.3 Tính toán nước dâng cho bão ANITA.............................................................................. 68
5.4 Tính toán nước dâng do bão NANCY .............................................................................. 81
5.5 Tổng hợp kết quả nước dâng ven bờ Smax ..................................................................... 94
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN ..................................................................................................................... 95

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 7


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 5-1: Số liệu các cơn bão tính toán cho vùng biển Nghi Sơn............................... 39
Bảng 5-2 số liệu bão KIM tháng 7/1971 ..................................................................... 42
Bảng 5-3: Số liệu mặt cắt ngang bão KIM ................................................................. 44

Bảng 5-4: Kết quả tính toán nước dâng do cơn bão KIM - 7/1971 .............................. 46
Bảng 5-4: Kết quả tính toán nước dâng do cơn bão KIM - 7/1971 (tiếp theo) .......... 47
Bảng 5-4: Kết quả tính toán nước dâng do cơn bão KIM –7/1971 (tiếp theo) ............ 48
Bảng 5-5 Số liệu bão LORNA tháng 10/1972.............................................................. 55
Bảng5-6: số liệu mặt cắt ngang bão LORNA .............................................................. 57
Bảng 5-7: Kết quả tính toán nước dâng tổng hợp do bão LORNA gây ra tại Nghi Sơn
............................................................................................................................... 58
Bảng 5-7:Kết quả tính toán nước dâng tổng hợp do bão LORNA gây ra tại Nghi Sơn
(tiếp theo) .............................................................................................................. 59
Bảng5-7: Kết quả nước dâng do bão LORNA gây ra tại Nghi Sơn (tiếp theo) .......... 60
Bảng5-8: Số liệu bão ANITA tháng 7/1973................................................................. 68
Bảng 5-9: số liệu mặt cắt ngang bão ANITA............................................................... 70
Bảng 5-9: Kết quả tính toán nước dâng do cơn bão ANITA - Tháng 7/1973 .............. 71
Bảng 5-9: Kết quả tính toán nước dâng do cơn bão ANITA - 7/1973 (tiếp theo)....... 72
Bảng 5-9: Kết quả tính toán nước dâng do cơn bão ANITA - 7/1973 (tiếp theo)....... 73
Bảng 5-10: Số liệu bão NANCY 10/1982 .................................................................... 81
Bảng5-11: Số liệu mặt cắt ngang bão NANCY .......................................................... 83
Bảng5-12: Kết quả tính toán nước dâng tổng hợp do bão NANCY gây ra tại Nghi Sơn
............................................................................................................................... 84
HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 8


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

Bảng5-12: Kết quả tính toán nước dâng tổng hợp do bão NANCY tại Nghi Sơn (tiếp
theo)....................................................................................................................... 85
Bảng5-12: Kết quả tính toán nước dâng tổng hợp do bão NANCY tại Nghi Sơn (tiếp
theo)....................................................................................................................... 86
Bảng 5-13: Tổng hợp kết quả tính toán nước dâng do bốn cơn bão tính toán ............. 94

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 9


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 3.1 Sơ đồ một cơn bão nhiệt đới .......................................................................... 20
Hình 3.2 Sơ đồ minh họa phương trình cơ bản nước dâng cho bão .............................. 24
Hình 5.1: Phân bố độ sâu Vịnh Bắc Bộ ........................................................................ 36
Hình 5.2: Sơ đồ 424 cơn bão đổ bộ vào Việt Nam từ 1945-2002 ................................ 37
Hình 5.2a Sơ đồ đường đi của bão khu vực Vịnh Bắc Bộ (Từ 1970-1980).................. 38
Hình 5.3 Sơ đồ bão KIM- 7/1971 ................................................................................. 43
Hình 5.4 Mặt cắt đáy biển dọc theo bão KIM-7/1971 ................................................. 45

Hình 5.5: Kết quả tính toán nước dâng do bão KIM – tháng 7/1971........................... 49
Hình 5.5a: Phân bố vận tốc gió trong cơn bão KIM – tháng 7/1971............................ 49
Hình 5.5b: Nước dâng do gió trong cơn bão KIM – tháng 7/1971 ............................... 50
Hình 5.5c: Nước dâng do áp suất trong cơn bão KIM – tháng 7/1971......................... 50
Hình 5.5e: Chiều cao nước dâng max trong cơn bão KIM – tháng 7/1971Chiều cao
nước dâng tại các vị trí bão được trình bày theo thứ tự từ xa vào bờ .................... 50
Chiều cao nước dâng tại các vị trí bão được trình bày theo thứ tự từ xa vào bờ ......... 51
Hình 5.6 Nước dâng tại vị trí cách bờ 489,6km............................................................ 51
Hình 5.7 Nước dâng tại vị trí cách bờ 203km............................................................... 51
Hình 5.8 Nước dâng tại vị trí cách bờ 35km................................................................. 51
Hình 5.9 Nước dâng tại vị trí cách bờ 7,5km................................................................ 52
Hình 5.10 Nước dâng tại vị trí cách bờ 3km................................................................. 52
Hình 5.11 Nước dâng tại vị trí cách bờ 0,5km.............................................................. 52
Hình 5.12 Nước dâng tại thời điểm 6giờ (từ lúc bắt đầu tính toán) ............................. 53
Hình 5.13 Nước dâng tại thời điểm 12giờ .................................................................... 53
HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 10


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

Hình 5.14 Nước dâng tại thời điểm 18giờ .................................................................... 53
Hình 5.15 Nước dâng tại thời điểm 24giờ (từ lúc bắt đầu tính toán) ........................... 54

Hình 5.16 Nước dâng tại thời điểm 30giờ .................................................................... 54
Hình 5.17 Nước dâng tại thời điểm 34giờ .................................................................... 54
Hình 5.18 Sơ đồ bão LORNA- 10/1972........................................................................ 56
Hình 5.19 Tổng hợp nước dâng Bão LORNA .............................................................. 61
Hình 5.19a Phân bố vận tốc gió trong cơn Bão LORNA ............................................. 61
Hình 5.19b Nước dâng do gió trong cơn Bão LORNA................................................. 62
Hình 5.19c Nước dâng do áp thấp trong cơn Bão LORNA .......................................... 62
Hình 5.19d Biểu đồ nước dâng lớn nhất – bão LORNA 10/1972 ................................ 62
Hình 5.20 Tại vị trí cách bờ 511,8km- LORNA ........................................................... 63
Hình 5.21 Tại vị trí cách bờ 102,4km- LORNA ........................................................... 63
Hình 5.22 Tại vị trí cách bờ 12,5 km- LORNA ............................................................ 63
Hình 5.23 Tại vị trí cách bờ 7,5 km- LORNA .............................................................. 64
Hình 5.24 Nước dâng ở vị trí cách bờ 3,5km- LORNA ................................................ 64
Hình 5.25 Nước dâng ở vị trí cách bờ 1km - LORNA .................................................. 64
Hình 5.26 Tại thời điểm 6h- LORNA ........................................................................... 65
Hình 5.27 Tại thời điểm 12h- LORNA ......................................................................... 65
Hình 5.28 Tại thời điểm 18h- LORNA ......................................................................... 65
Hình 5.29 Tại thời điểm 24h- LORNA ......................................................................... 66
Hình 5.30 Tại thời điểm 30h- LORNA ......................................................................... 66
Hình 5.31 Tại thời điểm 36h- LORNA ......................................................................... 66

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 11


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC


LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

Hình 5.32 Tại thời điểm 42h- LORNA ......................................................................... 67
Hình 5.33 Tại thời điểm 46h- LORNA ......................................................................... 67
Hình 5.35 Sơ đồ đường đi bão ANITA – tháng 7/1973 ................................................ 69
Hình 5.36 Kết quả tính nước dâng do bão ANITA – tháng 7/1973.............................. 74
Hình 5.36a Phân bố vận tốc gió trong bão ANITA – tháng 7/1973............................. 74
Hình 5.36b Nước dâng do gió trong bão ANITA – tháng 7/1973 ................................ 75
Hình 5.36c Nước dâng do áp thấp trong bão ANITA – tháng 7/1973.......................... 75
Hình 5.50 Biểu đồ nước dâng lớn nhất - bão ANITA – tháng 7/1973 ......................... 75
Hình 5.37 Nước dâng tại vị trí cách bờ 494km - bão ANITA – tháng 7/1973 ............. 76
Hình 5.38 Nước dâng tại vị trí cách bờ 389km - bão ANITA – tháng 7/1973 ............. 76
Hình 5.39 Nước dâng tại vị trí cách bờ 35km - bão ANITA – tháng 7/1973 ............... 76
Hình 5.40 Nước dâng tại vị trí cách bờ 15km - bão ANITA – tháng 7/1973 ............... 77
Hình 5.41 Nước dâng tại vị trí cách bờ 15km - bão ANITA – tháng 7/1973 ............... 77
Hình 5.42 Nước dâng tại vị trí cách bờ 1,5km - bão ANITA – tháng 7/1973 .............. 77
Hình 5.43 Nước dâng tại vị trí cách bờ 0,5km - bão ANITA – tháng 7/1973 .............. 78
Hình 5.44 Nước dâng tại thời điểm 6giờ - bão ANITA – tháng 7/1973...................... 79
Hình 5.45 Nước dâng tại thời điểm 12giờ - bão ANITA – tháng 7/1973.................... 79
Hình 5.46 Nước dâng tại thời điểm 18giờ - bão ANITA – tháng 7/1973.................... 79
Hình 5.47 Nước dâng tại thời điểm 24giờ - bão ANITA – tháng 7/1973.................... 80
Hình 5.48 Nước dâng tại thời điểm 27giờ - bão ANITA – tháng 7/1973.................... 80
Hình 5.49 Nước dâng tại thời điểm 30giờ - bão ANITA – tháng 7/1973.................... 80
Hình 5.51 Sơ đồ đường đi bão NANCY– tháng 10/1982 ............................................. 82

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:


Trang 12


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

Hình 5.52: Tổng hợp nước dâng Bão NANCY............................................................. 87
Hình 5.52a: Phân bố vận tốc gió trong cơn Bão NANCY............................................ 87
Hình 5.52b: Nước dâng do gió trong cơn Bão NANCY ............................................... 88
Hình 5.52c: Nước dâng do áp thấp trong cơn Bão NANCY......................................... 88
Hình 5.52d Biểu đồ chiều cao nước dâng max -NANCY ............................................ 88
Hình 5.53 Chiều cao nước dâng tại vị trí cách bờ 811,2km ......................................... 89
Hình 5.54 Chiều cao nước dâng tại vị trí cách bờ 496,3km ......................................... 89
Hình 5.55 Chiều cao nước dâng tại vị trí cách bờ 74km .............................................. 90
Hình 5.56 Chiều cao nước dâng tại vị trí cách bờ 34km .............................................. 90
Hình 5.57 Chiều cao nước dâng tại vị trí cách bờ 14km .............................................. 90
Hình 5.58 Chiều cao nước dâng tại vị trí cách bờ 6,5km ............................................. 91
Hình 5.59 Chiều cao nước dâng tại vị trí cách bờ 2,5km ............................................. 91
Hình 5.60 Chiều cao nước dâng tại vị trí cách bờ 0,5km ............................................. 91
Hình 5.61 Chiều cao nước dâng tại thời điểm 6 giờ -NANCY..................................... 92
Hình 5.62 Chiều cao nước dâng tại thời điểm 12 giờ -NANCY................................... 92
Hình 5.63 Chiều cao nước dâng tại thời điểm 24 giờ -NANCY................................... 92
Hình 5.64 Chiều cao nước dâng tại thời điểm 30 giờ -NANCY................................... 93
Hình 5.65 Chiều cao nước dâng tại thời điểm 36 giờ -NANCY................................... 93
Hình 5.67 Tổng hợp nước dâng lớn nhất do bốn cơn bão ............................................ 94


HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 13


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung
Trong thời gian gần đây, một số các dự án trọng điểm của Nhà Nước như: Đê chắn
sóng và Cảng xuất sản phẩm cho Nhà máy lọc dầu Dung Quất, công trình biển của
Liên hợp lọc dầu Nghi Sơn - Thanh Hóa, Khu tránh bão Côn Đảo- Vũng Tàu, vũng
neo đậu tàu thuyền và khu dịch vụ hậu cần Đảo Lý Sơn – Quãng Ngãi… là những dự
án có qui mô lớn, nằm ở các khu vực có nhiều bão tố, do đó, vấn đề nghiên cứu lựa
chọn mực nước dùng để thiết kế các công trình biển là hết sức quan trọng.
Để xác định mực nước thiết kế cho các công trình biển, ngoài mực nước triều thiên
văn cao nhất, nước dâng do bão là yếu tố nhất thiết phải xác định.
Về nguyên tắc, nước dâng do bão phụ thuộc vào đặc trưng của từng cơn bão, bao gồm
các yếu tố đường đi của bão, vận tốc di chuyển tâm, vận tốc gió max, áp suất tại tâm
bão, …
Thời gian vừa qua đã có nhiều phương trình được thiết lập để tính toán nước dâng do
bão. Luận án này cố gắng thu thập, phân tích và đề xuất một phương pháp xác định
nước dâng do bão.


1.2 Mục tiêu của luận án
-

Thu thập tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến nước dâng do bão

-

Thiết lập mô hình toán để tính toán nước dâng do bão

1.3 Phạm vi của luận án
-

Thiết lập mô hình toán 1 chiều

-

Áp dụng để tính toán cho một số cơn bão mạnh tại Nghi Sơn – Thanh Hóa.

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SOÁ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 14


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa


CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
Để nghiên cứu áp thập nhiệt đới, bão và các tác động của nó như phân bố áp suất,
vận tốc bão ở khu vực lân cận bão, sóng do bão, nước dâng do bão… các nhà khoa học
đã tiến hành nhiều quan trắc và xây dựng các phương pháp để xác định các yếu tố
nêu trên.

2.1 Các nghiên cứu ở Bangladesh và Ấn Độ
DAS (1972) đã tiến hành các tính toán nước dâng do bão ở vịnh Bengal. Ông đã sử
dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải các phương trình. Trong mô hình của
ông, lực coriolis, lực do gió và ứng suất đáy là các yếu tố cơ bản.
Dữ kiện sóng tràn do bão vào ngày 12-13/10/1970 tại cảng Chittagong đã được sử
dụng để kiểm chứng mô hình. Giá trị tính toán là cao hơn giá trị quan trắc.
FLIERL VÀ ROBINSON(1972) sử dụng mô hình tính toán đơn giản để nghiên cứu
nước dâng và thấy rằng nước dâng có quan hệ đến các cơn bão di chuyển qua vịnh
theo các đường khác nhau. Ông cho rằng nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc gia tăng
nước dâng ở vịnh Bengal, bao gồm độ lớn của triều thiên văn, phạm vi của vùng cạn
và hình dạng của bờ biển.
DAS, SINHA và BALSUBRMANYAM(1974) nghiên cứu mô phỏng nước dâng do
bão di chuyển với vận tốc đều. Họ đã sử dụng mô hình sóng dài để đánh giá nước
dâng. Việc tính toán này tương tự nghiên cứu của DAS(1972). Biên độ nước dâng
được dùng để tính toán cho nhiều giá trị khác đặc trưng của bão như cường độ và vận
tốc. Ảnh hưởng của thủy triều thiên văn học được phỏng đoán theo điều kiện biên ban
đầu, điều kiện biên của lưới tính toán. Kết quả tính toán được so sánh với dữ liệu
quan sát được vào tháng 11/1970.

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:


Trang 15


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

DUBE, SINHA, VÀ ROY(1984), đã đề xuất một mô hình mô phỏng nước dâng do
bão dọc theo bờ biển Bangladesh. Mô hình này sử dụng phương pháp sai phân hiện
để giải các phương trình chuyển động.
DUBE và SINHA, ROY (1985) đã tiếp tục phát triển mô hình số, sử dụng phương
trình các động lực cơ bản cho việc mô phỏng nước dâng do bão tại bờ biển
Bangladesh.
JOHN, RAO, DUBE VÀ SINHA (1985), sử dụng mô hình số để mô phỏng sự tương
tác giữa giữa thủy triều và nước dâng ở vịnh Bengal. Họ đã kết hợp hai hiện tượng
trên thành sơ đồ tính thống nhất. Mô hình này. Mô hình này được sử dụng để mô
phỏng triều và nước dâng vào ngày 3 tháng 7 năm 1982 dọc theo bờ biển Orissa của
Ấn Độ. Sai số giữa tính toán và quan sát là chấp nhận được.
DUBE, SINHA VÀ ROY (1986) mở rộng mô hình mà họ đã làm năm 1984, bằng việc
đưa vào sự ảnh hưởng cửa sông Meghna chảy ra biển gần Maijdi. Kết quả so sánh
những mô hình đã được Dube tổng hợp trình bày. Ông đã cho rằng lưu lượng nước
ngọt có ảnh hưởng đáng kể đến chiều cao nước dâng trong vịnh. Mô hình này đã tính
toán ước lượng phạm vi xâm nhập của nước dâng vào sâu trong sông.
Nhóm nghiên cứu các thảm họa thiên nhiên Nhật Bản (1992) tiến hành nghiên cứu
chi tiết về nước dâng do bão ở Bangladesh. Mô hình số hóa đã được sử dụng cho nước
dâng do bão ở vịnh Tanabe, Nhật do Yamashita(1990) phát triển, được sử dụng để mô
phỏng nước dâng do bão tháng 4/1991 tại Bangladesh. Mô hình nước dâng do bão sử
dụng phương pháp sai phân hữu hạn theo sơ đồ ADI. 3 mô hình nước dâng của

FUJITA, MITSUTA và FUJII, YOSHIZUMI đã được so sánh. Mô hình của MITSUTA
và FUJII được xem là hiệu quả nhất.

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 16


LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

2.2 Các nghiên cứu của Nhật Bản và Đông Nam Á
SILVESTER (1970) đã trình bày dạng đồ họa của công thức liên quan đến sự tính
toán chiều cao sóng nước dâng. Chúng có thể áp dụng cho hồ và thềm lục địa. Nước
dâng từ cơn bão nhiệt đới đổ bộ vào Hồng Kông đã được tính toán và so sánh với số
liệu thực tế.
VONGVISESSOMJAI, THINAPONG VÀ BALASUBRAMANYAM (1977) nghiên
cứu nước dâng cực hạn vô cùng ở gần Ao Phai, Sriracha, trên bờ biển Vịnh Thái Lan.
Mực nước thủy triều cực đại, nước dâng do bão, sóng được kết hợp để đánh giá mực
nước cao nhất. Thống kê đã được sử dụng.
YAMASHITA VÀ TSUCHIYA (1984) đã đề xuất mô hình số để tính nước dâng do
bão ở vùng nước nông. Mô hình này đã ứng dụng để tính toán cho cơn bão 7916 ở
vịnh Osaka với kết quả tốt.


2.3 Các nghiên cứu thực hiện ở Úc
STARK, BODE và MASON (1984) đã nghiên cứu mô phỏng ảnh hưởng của thủy
triều và nước dâng do bão ở vùng có bãi san hô ngầm lớn nằm trên thềm lục địa
Đông-Bắc nước Úùc.

2.4 Các nghiên cứu ở Mỹ
DAVIS (1962) đã viết chương trình bằng ngôn ngữ Fortran để tính toán nước dâng do
bão tại vùng biển bang Louisiana. Ông đề nghị thay đổi công thức cơ bản, để biểu
diễn hiện tượng nước dâng ở khu vực nghiên cứu.
BODINE (1971) đã đề xuất mô hình toán 1 chiều để tính toán nước dâng cho vùng
biển hở. Mô hình này đã kể đến thành phần vận tốc dòng chảy dọc bờ do ảnh hưởng
của lực li tâm của trái đất.

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 17


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

BARRIENTOS và JELENIANSKI (1976) phát triển mô hình số hóa động lực chất
lỏng, để tính toán nước dâng do bão. Mô hình đã giải phương trình động lượng có xét
đến ma sát gió trên mặt biển và ma sát đáy do dòng chảy. Mô hình này được áp dụng
cho cơn bão Camile 1969. Kết quả tính toán và số liệu quan trắc là phù hợp.

YEH, G.T và YEH, F.F(1976) đề xuất mô hình số 2 chiều của nước dâng do bão dựa
trên các phương trình liên tục và phương trình động lượng. Các yếu tố như ứng suất
ma sát do gió, và dòng chảy là các yếu tố đã được xem xét trong mô hình này và được
áp dụng để tính nước dâng do bão tại vùng bờ biển New Jersey.

2.5 Các nghiên cứu ở Châu Âu
ACKERS và RUXTON(1974) nghiên cứu ảnh hưởng của thủy triều, nước dâng, gió
và sóng để xác định mực nước cao và áp dụng cho việc xác định mực nước thủy triều
ở vùng biển Essex, nước Anh
COEFFE, SECCO, ESPOSITO, LATTEUX(1984) phát triển phương pháp phần tử hữu
hạn để mô phỏng thủy triều và nước dâng do bão để tính toán mực nước cho vùng
Tây Bắc Châu Âu và thủy triều trong các con kênh ở nước Anh.

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 18


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT CƠ BẢN

3.1 Tổng quan
Nước dâng do bão là sự dâng mực nước biển do sự chênh lệch gradient áp suất khí

quyển và do vận tốc gió cực mạnh trên mặt biển gây ra sự dâng cao của mực nước
dọc đường đi cơn bão. Độ dâng mực nước là do sự giảm áp suất không khí tạo lực hút
mặt nước và gió mạnh kéo nước biển về phía trước làm cho nước biển tiến nhanh về
phía trước trong vùng biển thoáng rộng. Khi tiến vào bờ biển của đại lục, các lực này
sẽ gây ra hiện tượng nước dâng.
Các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến sự phát triển và độ lớn của nước có thể chia làm bốn
loại chính như sau:
1. Các yếu tố về khí tượng
− Sự giảm áp suất không khí
− Vận tốc gió lớn được duy trì
− Vận tốc di chuyển của tâm bão
2. Các yếu tố về đại dương
− Địa hình đáy biển
− Thủy triều thiên văn
3. Các yếu tố về thủy lực
− Lưu lượng nước ngọt đổ ra biển
− Phân bổ lượng mưa
4. Các yếu tố về địa lý
− Kích thước của eo biển
HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 19


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa


PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

− Các đảo xa bờ

3.2 Cấu tạo của bão nhiệt đới
Để hiểu được bản chất và tính chất thủy động lực học của nước dâng do bão, cần
phân tích cấu tạo của bão nhiệt đới.
Bão nhiệt đới bao gồm vùng tâm bão với gió nhẹ và áp suất thấp gọi là mắt bão. Mắt
bão thường có đường kính từ 20 ÷30km, và có khi rộng từ 40 ÷50km đối với các cơn
bão lớn. Vùng ven bão có gió xoáy với vận tốc rất lớn. Khu vực này còn được gọi là
bức tường mây (wall cloud) và đây là khu vực nguy hiểm nhất của bão bởi vì nó gây
ra gió mạnh và mưa lớn. Vận tốc gió gia tăng theo bán kính trong vùng mắt bão. Đốùi
với vùng xung quanh, gió càng ra xa tâm càng giảm. Mức độ suy giảm của vận tốc
gió có thể nhanh chóng hoặc từ từ. Tổng bán kính hoạt động của một cơn bão lớn có
thể tới 50 ÷100km trong một khu vực nhỏ và có thể đạt đến đường kính ảnh hưởng
đến 2000km trong một khu vực rộng hơn.

Hình 3.1 Sơ đồ một cơn bão nhiệt đới

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 20


LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

p suất và vận tốc gió phân bố là các đại lượng đặc trưng cho bão . p suất có thể
được biểu diễn bởi công thức của MYERS (1954)
p = p0 + ( p n − p 0 )e (− R max/ r )

(3.1)

p: p suất tại bán kính r
po: áp suất tại tâm bão
pn:áp suất ngoài phạm vi bão
Rmax: bán kính gió lớn nhất
r: khoảng cách từ tâm bão đến điểm tính toán trên đường đi của bão
Phân bố vận tốc gió được biểu diễn bởi GELENANSKI’s (1965) là một công thức
kinh nghiệm được biểu diễn như sau:
W=Wmax(r/Rmax)3/2 với r≤Rmax

(3.2)

W=Wmax(Rmax/r)1/2 với r>Rmax

(3.3)

Trong đó:
W: Vận tốc gió tại bán kính r
Wmax: Vận tốc gió lớn nhất

3.3 Phương trình cơ bản của nước dâng do bão (2 chiều)

Chúng ta xem xét trong hệ tọa độ Decartes với gốc O qui ước đặt trên mặt biển, trục
Ox hướng vuông góc bờ, Oy song song bờ và Oz hướng từ dưới lên. Biểu diễn một vị
trí trên bề mặt tự do được cho bởi phương trình Z = S(x,y,t) và vị trí đáy biển được
biểu diễn bằng Z = -d(x,y) (xem Hình 3.2)
Với các các giả thiết:
1. Mặt biển đồng nhất đẳng hướng theo phương đứng.
2. Chất lỏng là không có tính nhớt
HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 21


LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

3. Tỷ lệ theo phương ngang lớn hơn nhiều độ sâu đáy biển, vì vậy giả thiết áp
suất thủy tónh là đạt được.
4. Độ cong của trái đất xem như bỏ qua
5. Đáy biển xem như cố định và không thấm
Phương trình liên tục và động lượng theo phương đứng được chứng minh như sau:
Phương trình liên tục:
∂S ∂U ∂V
+

+
=R
∂t ∂x ∂y

(3.4)

Phương trình động lượng:
Theo phương X:
∂U ∂Mxx ∂Mxy
∂S
∂ξ τ sx − τ bx
+
+
= fV − gD
+ gD
+
+ Wx R
∂t
∂x
∂y
∂x
∂x
ρ

(3.5)

Theo phương Y:
∂ξ τ sy − τ by
∂S
∂V ∂Myy ∂Mxy

+
+ Wy R
+ gD
= − fU − gD
+
+
ρ
∂y
∂y
∂x
∂y
∂t

S

S

Mxx = ∫ u 2 dz ; Myy = ∫ v 2 dz
−d

−d

S

U = ∫ udz
−d

(3.6)

S


; Mxy = ∫ uvdz
−d

S

;

V = ∫ vdz
−d

Trong đó:
S: Độ dâng hay hạ mặt biển so với mực nước biển trung bình (MSL) (m)
U,V: thành phần theo phương x và y thể tích nước vận chuyển qua một đơn vị chiều
rộng.

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 22


LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa


u, v : tốc độ dòng chảy trung bình theo độ sâu, theo phương x và y (kinh tuyến và vó
tuyến); (m/s)
t: Thời gian (s)
f=2ωsinφ = thông số coriolis ; (1/s)
ω: vận tốc góc của trái đất
φ: vó độ địa lý
ξ: áp suất khí quyển (Pa)
τsx, τsy: thành phần x và y của ứng suất gió ; (N/m2)
τbx, τby: thành phần x và y của ứng suất đáy ; (N/m2)
ρ: dung trọng nước biển ; (kg/m3)
Wx, Wy: vận tốc gió phương x và y ; (m/s)
R: Lượng mưa
g: gia tốc trọng trường ; (m/s2)
D: tổng độ sâu ; (m)
d: độ sâu dưới mực nước biển trung bình ; (m)

HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SOÁ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 23


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC
Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

Hình 3.2 Sơ đồ minh họa phương trình cơ bản nước dâng cho bão


HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN
MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 24


LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Cảng và Công Trình Thềm Lục Địa

3.4 Tính toán các thành phần ứng suất
3.4.1 Tính ứng suất do gió

Ứng suất ma sát do gió trên mặt biển được tính theo công thức VANDORN(1953):
τsx=ρkW2cosθ

(3.7)

τsy=ρ kW2sinθ

(3.8)

trong đó:
W vận tốc gió trên mặt biển
ρ: dung trọng nước biển

θ: góc hợp giữa vận tốc gió và trục di chuyển
k: hệ số lực cản do gió
{k1; W ≤ Wcr
k=

{
{k1+k2(1-Wcr/W)2 ; W ≥ Wcr

Trong đó k1=1.1 *10-6 , k2=2.5 *10-6 và Wcr=14knots = 7,2m/s
3.4.2 Tính ứng suất do ma sát đáy

Ứng suất ma sát ở đáy có thể nhận được từ qui luật bậc 2 với K là hệ số ma sát, ứng
suất tại đáy theo phương x và y được biểu diễn như sau:
τ bx = ρ

KU / U /
D2

(3.9)

τ by = ρ

KV / V /
D2

(3.10)

K: hệ số ma sát bằng 2.5*10-3 ([2], p.2-2)
ρ: dung trọng nước biển
HỌC VIÊN: PHAN TRUNG QUÂN

MÃ SỐ: CANG13.007
EMAIL:

Trang 25