Xây dựng bộ thông số cơ bản về mực nước phục vụ công tác thiết kế xây dựng đê biển Nam Bộ

Xây dựng bộ thông số cơ bản về mực nước ven biển và cửa sông có ý nghĩa quan trọng, là căn cứ khoa học phục vụ cho việc thiết kế xây dựng hệ thống đê biển. Trong bài viết này sẽ trình bày các kết quả đạt được trong việc xây dựng các đường tần suất mực nước cực trị (do thủy triều và nước dâng bão) phục vụ cho công tác thiết kế xây dựng đê biển Nam Bộ cho 60 vị trí ven biển, trên cơ sở các kết quả thu nhận được các giá trị hằng số điều hòa của 10 sóng triều chính và giá trị nước dâng bão cực đại của 2.656 cơn bão giả định (tương đương 1.000 năm bão) bằng mô hình số trị thủy động.

I. Đặt vấn đề

Hệ thống đê biển Nam Bộ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo phát triển bền vững dải đất ven biển vùng Đồng bằng sông Cửu Long, nó có nhiệm vụ ngăn mặn giữ ngọt, bảo vệ tính mạng và tài sản của người dân, là tấm lá chắn hữu hiệu nhằm ngăn chặn những tác động bất lợi từ biển. Chính vì vậy qua các thời kỳ khác nhau tuyến đê biển đã được hình thành và phát triển. Bước đầu hệ thống đê biển Nam bộ đã phát huy được tác dụng, tuy nhiên bên cạnh đó vẫn còn những tồn tại như: chưa đáp ứng được yêu cầu sử dụng tổng hợp, thiếu tầm nhìn đa mục tiêu, nhiều tuyến đê chưa đủ khả năng phòng chống thiên tai dưới tác động của triều cường và bão.

Do tác động của biến đổi khí hậu, các thiên tai ngày càng có cường độ lớn hơn, diễn biến phức tạp hơn và khó lường hơn. Đặc biệt, biến đổi khí hậu toàn cầu đang kéo theo tình trạng nước biển dâng. Theo kết quả nhiều nghiên cứu gần đây thì ĐBSCL là vùng chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của hiện tượng nước biển dâng [3]. Ngoài ra, các thảm họa, thiên tai khác như: động đất, sóng thần, sạt lở.... cũng ngày càng xuất hiện nhiều hơn. Do vậy việc xây dựng, củng cố, nâng cấp hệ thống đê biển để bảo vệ an toàn cho các vùng ven biển là nhiệm vụ vô cùng cấp bách.

Để xây dựng được hệ thống đê biển kiên cố, an toàn và tối ưu về mặt kinh tế đòi hỏi phải có bộ thông số cơ bản về điều kiện tự nhiên của từng khu vực. Một trong những thông số đầu vào quan trọng trong công tác thiết kế xây dựng đê biển đó là bộ thông số cơ bản về độ cao mực nước. Đây là yếu tố quyết định đến việc xác định chiều cao đê, để vừa đảm bảo an toàn cho đê và vùng được bảo vệ, vừa tiết kiệm kinh phí xây dựng. Các nghiên cứu và số liệu quan trắc từ trước đến nay đã chỉ ra rằng ven biển Việt nam, hai thành phần quan trọng nhất, quyết định đến độ cao mực nước biển đó là dao động thủy triều và nước dâng do bão, ngoài ra có thể kết đến nước dâng do gió mùa, lũ, sóng thần, mực biển dâng do biến đổi khí hậu ...

Chính vì vậy, vấn đề xây dựng bộ thông số cơ bản về mực nước (tổng hợp do thủy triều và nước dâng bão) phục vụ cho công tác thiết kế xây dựng đê biển đã được tiến hành.

II. Xây dựng bộ thông số cơ bản về mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng bão

II.1. Số liệu

Phạm vi tính toán và xây dựng đường tần suất mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng do bão dải ven biển nam bộ từ thành phố Hồ Chí Minh đến Kiên Giang thể hiện trong Hình 1, gồm 60 điểm với khoảng cách trung bình giữa các điểm khoảng 9 km.

 Hình 1. Vị trí các điểm tính và  xây dựng đường tần suất  mực nước tổng hợp

Sử dụng chuỗi số liệu giá trị thủy triều từng giờ trong 19 năm (1991-2010) và chuỗi số liệu gồm 2.656 giá trị nước dâng do bão cực đại của 1.000 năm bão giả định để xác định độ cao mực nước, từ đó xây dựng đường tần suất mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng do bão theo sơ đồ trong Hình 2.

Hình 2. Sơ đồ khối xây dựng đường tần suất mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng do  bão

Giá trị thủy triều từng giờ được tính toán trên cở sở tổ hợp của 10 sóng triều thành phần M2, S2, O1, K1, N2, K2, P1, Q1, Sa và Ssa theo công thức:

trong đó,  A0 là giá trị tham chiếu đến số “0” lục địa; qi, Hi, gi – vận tốc góc, biên độ và pha của sóng triều thành phần thứ i; fi, V0 và u – các tham số thiên văn. Các hằng số điều hòa tại các điểm ven bờ nhận được từ mô hình tính thủy triều Biển Đông với lưới tính có độ giải 1/12 độ kinh-vĩ. Mô hình này đã được hiệu chỉnh kỹ qua các số liệu đo đạc thủy triều tại các trạm hải văn dọc ven biển vùng nghiên cứu [2].

Giá trị mực nước dâng cực đại do 2.656 cơn bão giả định gây ra được tính toán bằng mô hình tính toán nước dâng do bão phát triển tại Viện Cơ học. Chương trình tính toán này đã được hiệu chỉnh và kiểm tra trước khi áp dụng cho vùng biển này [1].

II.2 Xác định hàm phân bố thống kê cho chuỗi dữ liệu nước dâng do bão

Tại mỗi điểm tính, chuỗi số liệu nước dâng do bão (2.656 giá trị, tương ứng với 1.000 năm bão) sẽ được so sánh với các hàm phân bố thống kê toán học thường được sử dụng cho các hiện tượng cực trị (Hàm Gamma, GEV (Generalized Extreem Value), Generalized Logistic, Generalized Paretro, Log-Normal, Log-Logistic, Log-Pearson type III) để xác định hàm phân bố phù hợp nhất bằng phần mềm thống kê BestFit của Palisade Corporation. Tiêu chí lựa chọn hàm phân bố phù hợp nhất là: (1) tiêu chuẩn “Anderson-Darling” [5] và (2) quan sát mức độ phù hợp giữa biểu đồ của hàm phân bố lựa chọn và biểu đồ đường phân bố thực nghiệm. Đối với hàm phân phối xác suất độ lớn nước dâng bão, với dữ liệu của 1.000 năm bão, tại hầu hết các điểm tính, rất khó tìm được hàm phân bố toán học đơn (một hàm) mô tả đủ tốt. Do vậy, trong nghiên cứu này đã kết hợp 3 hàm phân bố (Hình 4).

 Hình 3. Hàm phân phối xác suất toán học nước dâng do bão tại 1 điểm tính

Hình 4.  Đường tần suất nước dâng do  bão  
(a) sử dụng 1 hàm phân phối xác suất, (b) sử dụng kết hợp 3 hàm phân phối xác suất

II.3 Xây dựng đường phân phối xác suất thực nghiệm của chuỗi dữ liệu mực nước thủy triều

Chu kỳ 19 năm được xem là dài nhất của thủy triều tại khu vực nghiên cứu và chuỗi số liệu thủy triều 19 năm đã bao gồm cả giá trị thủy triều cao nhất và thấp nhất. Do vậy, đường phân bố thực nghiệm được sử dụng thay cho hàm phân bố xác suất thống kê thông thường để tránh việc tạo ra các giá trị mực nước thủy triều không có thực vượt ra ngoài khoảng giá trị thủy triều 19 năm.

Tại mỗi điểm tính, đường phân phối xác suất thực nghiệm (empirical cummulative probability) của chuỗi số liệu mực nước thủy triều (175.296 giá trị cho từng giờ từ 0h ngày 1/1/1991 đến 23h ngày 31/12/2010) được xây dựng bằng phần mềm MS Analysis ToolPark – MS Excel với bước giá trị mực nước thủy triều (Bin range) là 1,0cm:  

Mực nước thủy triều  (cm)
Hình 5. Đường phân phối xác suất tích lũy thực nghiệm của mực nước thủy triều 19 năm tại 1 điểm tính

 II.4 Xây dựng đường tần suất mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng do bão

Thời gian đổ bộ của bão và chu kỳ thủy triều được xem là hoàn toàn độc lập với nhau. Một cơn bão đổ bộ vào có thể ở bất cứ pha triều nào: do triều cường, triều kiệt,… Do vậy, một giá trị mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng bão là tổ hợp hoàn toàn ngẫu nhiên và độc lập của một giá trị nước dâng do bão và một giá trị mực nước thủy triều.

Để có được giá trị mực nước tổng với tần suất xuất hiện chu kỳ dài (100 và 200 năm) đạt độ chính xác cao, phương pháp Monte-Carlo đã được sử dụng và 26.560 giá trị mực nước tổng hợp về thủy triều và nước dâng do bão tương ứng với tình huống 10.000 năm bão đã được mô phỏng:

Giá trị mực nước thủy triều được xác định trực tiếp từ đường phân phối xác suất thực nghiệm tương ứng bằng phương pháp tuyến tính cục bộ (Piecewise linear) với xác suất P được lấy ngẫu nhiên trong khoảng 0-1 theo phân bố đều (uniform distribution). Ví dụ trong hình 6, giá trị mực nước thủy triều có xác suất 0,77 là 53cm.

Hình 6. Xác định mực nước thủy triều HTr từ giá trị xác suất phân phối P

Tại mỗi điểm tính, chuỗi số liệu mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng do bão (26.560 giá trị tương ứng với tình huống 10.000 năm bão) sẽ được so sánh với các hàm phân bố thống kê toán học thường được sử dụng cho các hiện tượng cực trị để xác định hàm phân bố phù hợp nhất bằng phần mềm thống kê BestFit của Palisade Corporation. Tiêu chí lựa chọn hàm thống kê phù hợp nhất là: (1) tiêu chuẩn “Anderson-Darling” [5] và (2) quan sát mức độ phù hợp giữa biểu đồ của hàm phân bố lựa chọn và biểu đồ đường phân bố thực nghiệm.

Đường tần suất mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng do bão được thể hiện theo kiểu biểu đồ “XY-scatter” có 2 trục là X và Y. Trục Y là giá trị mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng bão HTB, trục X là chu kỳ lặp lại Tr và suất đảm bảo năm P. Tỷ lệ của trục X là Log10(X) [6, 7].

Chu kỳ lặp lại (return period) và suất đảm bảo năm (annual exceedance frequency) được xác định bằng công thức [4, 6, 7]:

II.5 Đường tần suất mực nước tổng hợp về thủy triều và nước dâng do bão

Đã tính toán mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng bão theo suất đảm bảo năm 1%, 2%, 5%, 10% và 50% (tương ứng với tần suất xuất hiện tương ứng 100, 50, 20, 10 và 2 năm) từ hàm phân bố thống kê toán học tương ứng như sau [4, 7]: 

Kết quả tính toán độ cao mực nước tổng hợp do thủy triều và nước dâng do bão theo suất đảm bảo năm của 60 điểm tính được thể hiện như các hình 7, 8 dưới đây.

 Hình 7. Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm 81 (106°47', 10°20’) Tân Điền, Gò Công Đông, Tiền Giang

Hình 8. Đường tần suất mực nước tổng hợp tại điểm 82 (106°45', 10°15’) Phú Tân, Gò Công Đông, Tiền Giang

Xây dựng đường tần suất mực nước tổng hợp về thủy triều và nước dâng do bão cho từng điểm ven bờ theo bước lưới chung đã nói trên (60 điểm) là kết quả rất quan trọng có ý nghĩa cho thiết kế công trình. Đây là những kết quả mới, lần đầu được áp dụng cho khu vực ven biển này. Mật độ điểm tính khoảng 10km trong nghiên cứu này là chấp nhận được cho phạm vi cấp khu vực. Đối với các vùng có đường bờ và địa hình phức tạp nên có những tính toán với mật độ điểm tính chi tiết hơn.

III. Kết luận

Kết quả nghiên cứu đã xây dựng đường tần suất mực nước tổng hợp về thủy triều và nước dâng do bão cho các điểm ven bờ. Đây là bộ cơ sở dữ liệu có ý nghĩa quan trọng, là căn cứ khoa học phục vụ cho công tác tính toán thiết kế xây dựng hệ thống đê biển.

Tuy nhiên trong nội dung nghiên cứu chỉ mới xét tới mực nước thuỷ triều và nước dâng do bão, trong khi vùng nghiên cứu là khu vực chịu nhiều tác động của lũ, lụt cũng như các hiệu ứng khác của biến đổi khí hậu. Vì vậy, trong tương lai, cần có những nghiên cứu, có xét đến các hiệu ứng như nước lũ trong sông, sóng bão, mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu cũng như những hiện tượng thời tiết bất thường khác như sóng thần, ...

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Báo cáo tổng kết đề tài: “Công nghệ dự báo nước dâng do bão ven bờ biển Việt Nam”, (KT.03.06). Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, Viện Cơ học, Phân Viện Cơ học Biển, 1996.

[2]. Đinh văn Mạnh và NNK, 2008. Nghiên cứu để cập nhật, chi tiết hóa bộ số liệu cơ bản về triều, nước dâng dọc bờ biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam phục vụ tính toán thiết kế, củng cố nâng cấp đê biển. Đề tài thuộc Chương trình Khoa học Công nghệ Phục vụ Xây dựng Đê biển và Công trình Thủy lợi Vùng Cửa sông Ven biển, Bộ NN&PTNT. Trung tâm Khảo sát, Nghiên cứu, Tư vấn Môi trường Biển, Viện Cơ học chủ trì

[3]. Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2009, Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho việt nam.

[4]. Federal Emergency Management Agency (FEMA), 2005. Final Draft Guidelines for Coastal Flood Hazard Analysis and Mapping for the Pacific Coast of the United States.

[5]. Mathwave, 2008. Distribution Fitting-Flood Frequency Analysis. http://www.mathwave.com/applications/flood_frequency.html.

[6]. Sudong Xu, 2007. Analysis and Predictions of Extreme Coastal Water Levels, The Florida State University College of Engineering.

[7]. US Department of Army, 1993. Hydrological frequency analysis.

Tác giả: TS. Đinh Văn Mạnh, ThS. Lê Như Ngà - Viện Cơ học Việt Nam
ThS. Lê Thanh Chương - Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi