Lựa chọn, phát triển và ứng dụng hệ thống mô hình tích hợp dự báo môi trường biển quy mô khu vực
Nhằm lựa chọn và phát triển được hệ thống mô hình tích hợp giám sát, cảnh báo và dự báo môi trường biển quy mô khu vực có tính linh động cao, được kiểm chứng và có được kết quả ứng dụng hệ thống mô hình tích hợp giám sát, cảnh báo và dự báo môi trường biển đáp ứng các yêu cầu cảnh báo và dự báo môi trường biển quy mô khu vực, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội do GS. TS. Đinh Văn Ưu đứng đầu đã đề xuất thực hiện đề tài: “Lựa chọn, phát triển và ứng dụng hệ thống mô hình tích hợp dự báo môi trường biển quy mô khu vực”.
Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đưa ra các kết luận sau:
1. Trong khuôn khổ đề tài, hệ thống video-camera trực tuyến và mô hình toán MDEC giám sát diễn biến các đặc trưng môi trường vùng cửa sông và bờ biển đã được thiết lập, triển khai và thử nghiệm tại bãi biển Đồ Sơn.
Hệ thống video-camera và mô hình này được kết nối với máy chủ đặt tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên cho ta một bộ cơ sở dữ liệu vô cùng hữu ích phục vụ cho công tác nghiên cứu, đào tạo. Từ việc lắp đặt hệ thống video-camera nêu trên, đề tài đã thành công trong việc triển khai công nghệ giải đoán diễn biến bờ biển bằng việc xây dựng bộ phần mềm trên nền ngôn ngữ Matlab cho phép tự động giải đoán diễn biễn đường bờ vùng cửa sông và bờ biển. Xét về khía cạnh khoa học và công nghệ, đây là bộ số liệu vô cùng quan trọng và rất có ý nghĩa phục vụ cho việc hiệu chỉnh, kiểm định các mô hình toán và làm rõ cơ chế bồi/xói vùng cửa sông và bờ biển với quy mô dài hạn (theo mùa và nhiều năm). Bên cạnh các đặc trưng hình thái, bằng việc sử dụng các công nghệ nêu trên cho phép ta thành công trong việc giải đoán các đặc trưng thủy động lực: sóng (chiều cao sóng H, chu kỳ sóng T), hình dạng trắc ngang bãi (beach profiles) và tính toán được dễ dàng hàm lượng bùn cát thay đổi trong thời đoạn yêu cầu ở khu vực tính toán. Điều này có ý nghĩa lớn về mặt khoa học đồng thời có giá trị về mặt thực tiễn. Bộ số liệu quan trắc bãi biển liên tục theo thời gian (thời đoạn mùa và nhiều năm) là cơ sở quan trọng phục vụ công tác quy hoạch, quản lý, khai thác bền vững bãi biển để phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt trong xu thế biến đổi khí hậu.
Trên nền các số liệu đã có, đề tài đã tiến hành khảo sát 02 đợt tại vùng biển Hải Phòng thu thập được một bộ cơ sở dữ liệu (CSDL) tương đối hoàn chỉnh về thủy động lực, trầm tích và môi trường. Đây là các số liệu cốt lõi phục vụ hiệu chỉnh, kiểm định hệ thống mô hình tích hợp cũng như phục vụ nghiên cứu ứng dụng kĩ thuật đồng hóa số liệu trong dự báo và cảnh báo môi trường biển. Tuy các kết quả thu được vẫn còn những hạn chế nhất định nhưng đã góp phần tăng cường hiểu biết thêm về chế độ thủy động lực học khu vực nghiên cứu cũng như góp phần ứng dụng cho các mục tiêu nghiên cứu chuyên sâu hơn sau này.
2. Theo mục tiêu của đề tài, 03 hệ thống mô hình tích hợp cho khu vực biển có sóng và triều áp đảo như khu vực Hải Phòng, Nha Trang đã được hoàn thiện.
Ba hệ thống mô hình tích hợp đã được lựa chọn, phát triển và ứng dụng thử nghiệm. Đó là mô hình MDEC kết hợp với mô hình tính sóng Ebaldif, mô hình hoàn lưu khu vực ROMS kết hợp với mô hình tính sóng SWAN và mô hình FVCOM kết hợp với mô hình SWAN. Đã phân tích và khẳng định tính khoa học và công nghệ của việc sử dụng phương trình năng lượng rối k-€ theo lý thuyết rối thóng kê của Kolmogorov trong khép kín rối. Các kết quả ứng dụng chỉ ra rằng mô hình này hình đã mô phỏng khá tốt các trường thủy động lực cho khu vực nước nông ven bờ vùng biển nghiên cứu. Tất cả các hệ thống mô hình đều được kiểm chứng với các số liệu thực đo thu thập được trong khuôn khổ các đề tài trước đây. Việc sử dụng chuyển đổi kép tọa độ sigma cho phép ứng dụng trực tiếp mô hình 3D cho toàn vùng không cần kết nối giữa 2D và 3D. Kỹ thuật khô ướt chỉ áp dụng cho miền nước nông bãi triều. Thử nghiệm thành công tương quan mực nước- lưu lượng trong thiết lập điều kiện biên vùng cửa sông có triều áp đảo. Mực nước thực tế trên vùng biển cửa sông sẽ bao gồm tổng mực nước do dao động triều và gia tăng mực nước do lưu lượng sông đổ ra. Trong đó phần gia tăng mực nước do lưu lượng sông sẽ bị triệt tiêu khi đi xa về phía biển. Mối tương quan giữa đại lượng này với lưu lượng hoặc vận tốc tương ứng sẽ phụ thuộc vào đặc trưng hình thái cửa sông và có thể xác định thông qua thực nghiệm tương tự như đối với quan hệ lưu lượng-mực nước của các sông. Trong điều kiện chưa có được các hàm tương quan cụ thể, chúng ta có thể thiết lập chúng thông qua thử nghiệm số. Hoàn thiện quy trình ứng dụng kỹ thuật chuyển đổi kép tọa độ sigma trong mô hình 3D khô-ướt cho vùng cửa sông có bãi triều và lạch triều thực tế.
Về phương diện công nghệ triển khai tính toán, có thể nhận thấy, mô hình MDEC với kĩ thuật sử dụng mối tương quan mực nước và lưu lượng có thể mô phỏng tương đối nhanh và đáp ứng những bài toán có yêu cầu đối với điều kiện cần giải khô/ướt cho quy mô khu vực. Hệ thống mô hình tích hợp ROMS và SWAN có thể mô phỏng tốt các trưởng thủy động lực và vận chuyển trầm tích. Với khả năng tính toán song song, tích hợp 2 chiều qua lại giữa hai mô hình liên tục qua các bước thời gian tùy ý, hệ thống mô hình này có thể đáp ứng được yêu cầu mô phỏng thủy động lực cho những nơi có triều hoặc sóng áp đảo. Hệ thống mô hình tích hợp FVCOM và SWAN đã thể hiện được điểm mạnh nhất của mình đó là khả năng mô phỏng với lưới phi cấu trúc và sử dụng hệ phương trình phi thủy tĩnh. Lưới phi cấu trúc phù hợp cho những khu vực có đường bờ phức tạp. Hệ phương trình phi thủy tĩnh đáp ứng khả năng mô phỏng tại những nơi có sự xáo trộn thẳng đứng lớn như khu vực cửa sông hay vùng nước trồi. Mặc dù vậy, hệ thống mô hình tích hợp này cũng có hạn chế, đó là để tính toán thường tốn nhiều tài nguyên và đòi hỏi đầu vào phức tạp hơn.
Qua việc áp dụng tất cả các hệ thống mô hình, để tiện dụng cho việc ứng dụng hệ thống mô hình, các chương trình xử lý số liệu cũng như tạo dựng các số liệu phục vụ tạo dựng các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho từng hệ thống cụ thể. Các bước triển khai và ứng dụng mô hình cũng đã được trình bày, hướng dẫn cụ thể và đã được bàn giao ứng dụng cho Trung tâm Dự báo KTTV Quốc gia, Đài KTTV Đông Bắc Bộ...
3. Bên cạnh việc ứng dụng các mô hình thủy động lực tích hợp, đề tài đã tiến hành phát triển các modul mô phỏng biến động đường bờ, bãi. Hệ thống mô hình ROMS-SWAN đã được lựa chọn để tích hợp cùng với mô hình XBEACH. Các modul đã được phát triển và thử nghiệm thành công.
4. Tại khu vực Hải Phòng, khi ứng dụng hệ thống mô hình tích hợp mô phỏng quá trình vận chuyển trầm tích dài hạn năm 2017 - 2018 cho thấy:
- Dòng chảy trong khu vực Hải Phòng được đặc trưng chủ yếu bởi dòng triều và dòng chảy dư do sông. Các mô phỏng đã chỉ rõ việc dòng chảy thuận - nghịch giữa hai cửa Nam Triệu và Lạch Huyện chủ yếu được gây nên do lưu lượng sông đổ ra biển chiếm ưu thế so với dòng triều trong một số thời điểm nhất định.
- Trong giai đoạn tính toán, khu vực nước đục Đồ Sơn chủ yếu do nước sông từ cửa Nam Triệu Và Lạch Tray đổ ra. Tuy nhiên, vẫn có những giai đoạn độ đục ở cửa Văn Úc đưa lên bãi biển Đồ Sơn.
- Một số khu vực bồi điển hình đó là: cửa Nam Triệu, ngoài Cát Hải, bãi Phù Long (Cát Bà), nam Cát Bà và khu vực cửa Văn Úc.
5. Tại Nha Trang, dòng chảy dọc bờ có giá trị lớn đã góp phần lý giải hiện tượng vùng đáy biển gần bờ có xu thế bị xói thường xuyên, trong khi phần đáy biển nằm phía ngoài bị bồi tụ ở khu vực bờ phía nam nơi mà dòng chảy diễn biến phức tạp do hiện tượng hội tụ và phân kỳ dòng chảy trên vùng biển này. Từ kết quả phân tích tính toán có thể thấy các khu vực biển có xu thế bị xói đáy như dải ven bờ chủ yếu do dòng chảy triều mạnh sát bờ không cho phép trầm tích lắng đọng. Tại vị trí cửa sông và cục bộ trong sông xuất hiện hiện tượng bồi tụ do dòng chảy yếu. Đáng kể nhất là dải bồi tụ chạy dọc theo bờ phía nam ngoài khơi do hiện tượng hội tụ và phân kỳ dòng chảy. Chính hệ thống dòng chảy mạnh trên dải độ sâu chuyển tiếp đã tạo nên dòng vận chuyển dọc bờ mang theo các trầm tích có nguồn gốc từ đới sóng đổ. Điều này khẳng định sự hiện diện của các khu vực bờ biển bị ăn mòn nằm tại các vị tương ứng bị xói đáy phía ngoài.
Như vậy, Đề tài đề nghị tiếp tục duy trì hệ thống videocamera hiện hành, vì đây sẽ là một nguồn tài liệu rất quý cho việc đánh giá các tham số diễn biến đường bờ biển của vịnh Đồ Sơn trong thời đoạn trung và dài hạn. Trong khuôn khổ đề tài, các mô hình sóng và dòng chảy đã được tích hợp và phát triển các chương trình cho phép mô phỏng chi tiết ở quy mô khu vực với thời gian tương đối nhanh. Để có thể tiếp tục phát triển thành mô hình nghiệp vụ với hệ thống toàn diện nhất, cần thiết phải tích hợp thêm mô hình khí tượng (WRF).
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 18545/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
https://vista.gov.vn/
