Tóm tắt

     Trong nghiên cứu này, các chuỗi số liệu quan trắc sóng, dòng chảy và mực nước có độ chính xác và tin cậy cao tại các cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằng trong chuyến khảo sát tháng 7, 8 năm 2019 được sử dụng để tính toán một số đặc trưng của các yếu tố này. Kết quả tính toán thu được bộ hằng số điều hòa để dự tính thủy triều cho ba cửa sông, tính mực nước triều cực trị chu kỳ 19 năm. Bước đầu đưa ra công thức thực nghiệm hàm tương quan giữa các tham số sóng Hs và Hmax tại ba cửa sông với hệ số tương quan tốt và có thể ứng dụng cho tính toán tại khu vực này. Các đặc trưng sóng, dòng chảy và mực nước đưa ra trong bài viết là các đặc trưng quan trắc tin cậy và rất hữu ích phục vụ cho công tác đánh giá và dự báo các đặc trưng hải văn.

     Từ khóa: Sóng, dòng chảy, mực nước biển, cửa sông Hồng, cửa sông Văn Úc, cửa sông Bạch Đằng.

     Nhận bài: Ngày 29/7/2020; Sửa chữa ngày 8/9/2020; Duyệt đăng ngày 9/9/2020  

     Khu vực cửa sông ven biển có các đặc trưng riêng về chế độ thủy động lực do tính tương tác thủy động lực sông - biển. Do vậy, các kết quả tính toán đặc trưng các yếu tố hải văn (sóng, dòng chảy và mực nước) từ số liệu khảo sát trên biển sẽ cung cấp các thông tin cần thiết phục vụ cho công tác dự báo hải văn, đánh giá tác động môi trường, đánh giá tác động bồi xói cửa sông và ven biển, xây dựng công trình biển, quản lý, quy khoạch biển và các ngành kinh tể biển khác. Để sử dụng được các số liệu thực đonói trên cần tiến hành các phân tích và tính toán các đặc trưng của các yếu tố hải dương học cơ bản này.

     Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO, 1998) hướng dẫn phân tích thống kê sóng từ các chuỗi số liệu đo đạc để tính toán các tham số sóng cho thiết kế công trình biển và dự báo biển [9]. Phạm Văn Huấn và Nguyễn Tài Hợi (2007) đã tính toán các đặc trưng dao động mực nước biển ven bờ Việt Nam phục vụ xây dựng công trình biển và quy hoạch mạng lưới quan trắc trong hệ thống đài trạm hải văn [4]. Trịnh Tuấn Đạt (2007) tính toán sóng cực trị từ các chuỗi số liệu đo đạc phục vụ thiết kế công trình biển [5]. Trịnh Tuấn Đạt và Nguyễn Tài Hợi (2012) tính các đặc trưng mực nước và phân tích bộ hằng số điều hòa thủy triều bằng phương pháp bình phương tối thiểu từ chuỗi số liệu đo đạc phục vụ công tác dự tính thủy triều hàng năm tại cảng Dung Quất và cảng Nghi Sơn [7]. Tác giả Hoàng Trưởng (2020) sử dụng hàm phân bố Rayleigh tính các tham số sóng cho thiết kế công trình từ các chuỗi số liệu đo đạc sóng tại vịnh Nghi Sơn, Thanh Hóa [2].

     Năm 2019, các tác giả đã xử lý, phân tích vàtính toán các yếu tố sóng, dòng chảy và mực nước từ các số liệu thực đo trong các chuyến khảo sát tháng 7 và 8 tại các cửa sông Hồng (tỉnh Nam Định và Thái Bình), Văn Úc và Bạch Đằng (TP. Hải Phòng). Bài viết này giới thiệu phương pháp và các kết quả tính toán các chuỗi số liệu quan trắc nói trên.

     2. Tài liệu và phương pháp nghiên cứu

     2.1. Nguồn gốc số liệu

     Số liệu quan trắc sóng, dòng chảy và mực nước do Trung tâm Hải văn thực hiện đo đạc trong các chuyến khảo sát tháng 7, 8 năm 2019 tại ba cửa sông nói trên.Vị trí đo tại khu vực cửa sông Hồng có tọa độ (20°15'17.04"N; 106°38'12.00"E) và thời gian đo từ 14 đến 29/7/2019. Vị trí khảo sát tại cửa sông Văn Úc có tọa độ (20°36'6.25"N; 106°49'0.53"E) và thời gian đo 04 - 19/8/2019. Vị trí khảo sát tại khu vực cửa sông Bạch Đằng có tọa độ (20°43'7.00"N;106°54'2.00"E) và thời gian đo 04 - 19/8/2019 (Hình 1).

     Các số liệu sóng, dòng chảy và mực nước được quan trắc tự động bằng hệ thống máy FlowQuest 600 kHz của Mỹ có độ chính xác và tin cậy cao. Do vậy, các chuỗi số liệu này có thể sử dụng trong nghiên cứu, tính toán và hiệu chỉnh mô hình thủy động lực khu vực cửa sông vùng ven biển Đồng bằng Bắc bộ.

Hình 1: Vị trí điểm khảo sát khu vực cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằng (chấm đỏ)

     2.2. Phương pháp nghiên cứu

     Các chuỗi số liệu đo sóng, dòng chảy và mực nước nói trên đã được tính toán về các đặc điểm đặc trưng cho thời kỳ tháng 7, 8 năm 2019 bằng việc sử dụng các phương pháp nghiên cứu thống kê toán học. Trong nghiên cứu này các tác giả đã lập bảng tần suất; vẽ hoa sóng và hoa dòng chảy; vẽ các biến trình chuỗi số liệu theo thời gian;tính toán các giá trị trung bình, lớn nhất, nhỏ nhất; sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu để phân tích điều hòa mực nước triều [3,6, 7].

     Xác định tính chất thủy triều theo chỉ số Vandestock như sau:

       (1)

     Trong đó: là chỉ số Vandestock, là biên độ sóng thành phần nhật triều, là biên độ sóng thành phần nhật triều, là biên độ sóng thành phần bán nhật triều. Nếu là bán nhật triều đều; là bán nhật triều không đều; là nhật triều không đều; là nhật triều đều.

     Xác định mực nước triều cực trị bằng phương pháp dự tính chân triều, đỉnh triều trong chu kỳ 19 năm theo bộ hằng số điều hòa thủy triều đã phân tích được. Từ đó, chọn giá trị mực nước triều cực trị từ các giá trị tính toán [4, 6].

     Đánh giá sai số tuyệt đối trung bình trong tính toán theo công thức [1]:

     (2)

     Trong đó: MAE là sai số tuyệt đối trung bình, là trị số tính toán, là trị số quan trắc, N là độ dài chuỗi số liệu.

     3. Kết quả và thảo luận

     3.1. Các đặc trưng của yếu tố mực nước

     Phân tích thủy triều từ các chuỗi số liệu mực nước thực đo tại ba cửa sông. Kết quả thu được bộ hằng số điều hòa 11 sóng triều tại ba cửa sông Văn Úc, sông Hồng và Bạch Đằng tương ứng trình bày trong các Bảng 1, 2 và 3. Từ bộ hằng số điều hòa này dự tính lại thủy triều cho khu vực biển tại ba cửa sông trong thời gian khảo sát để so sánh kết quả tính toán thủy triều với số liệu mực nước thực đo.

Hình 2: Biến trình mực nước thực đo và dự tính triều tại cửa sông Văn Úc (từ 14h ngày 04 đến 13h ngày 19/8/2019)

Hình 3: Biến trình mực nước thực đo và dự tính triều tại cửa sông Hồng (từ 14h ngày 14 đến 13h ngày 29/7/2019)

Hình 4: Biến trình mực nước thực đo và dự tính triều tại cửa sông Bạch Đằng (từ 14h ngày 04 đến 13h ngày 19/8/2019)

     Sai số tuyệt đối trung bình theo công thức (2) đối với chỗi số liệu mực nước thực đo và mực nước triều dự tính lại từ bộ hằng số đã phân tích cho ba cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằngtương ứng là 16,84 cm, 18,89 cm và 17.14 cm. Sai số này còn chịu tác động của mực nước dâng do sóng và gió. Bởi vì, quan trắc mực nước là mực nước tổng cộng do cả sóng, gió và thủy triều tác động, ngoài ra quan trắc mực nước trên biển không có giếng lọc sóng như các trạm hải văn cố định ven bờ. Sai số này cho thấy kết quả phân tích hằng số điều hòa thủy triều là tin cậy và sử dụng được trong sản xuất và dự tính mực nước triều khu vực các cửa sông nói trên.

     So sánh giữa biến trình mực nước thực đo và mực nước triều dự tính lại từ bộ hằng số điều hòa tại ba cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằng đều cho thấy kết quả về pha trùng nhau khá tốt, về biên độ cũng khá tương đồng nhưng không trùng khớp hẳn về biên độ. Điều này lý giải mực nước thực đo là mực nước tổng cộng của thủy triều, sóng, dòng chảy... Trong Hình 2, 3 và 4 thể hiện sự so sánh biến trình mực nước thực đo và mực nước triều dự tính lại tại cửa sông Văn Úc, Hồng và Bạch Đằng.

Bảng 1: Kết quả phân tích 11 sóng triều tại cửa sông Văn Úc

Bảng 2: Kết quả phân tích 11 sóng triều tại cửa sông Hồng

Bảng 3: Kết quả phân tích 11 sóng triều tại cửa sông Bạch Đằng

    Tính chỉ số Valdestock theo công thức (1) tại cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằng thu được kết quả tương ứng là 13,2, 29,0 và 15,1. Điều này cho thấy thủy triều tại ba cửa sông đều mang tính chất nhật triều đều. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với tính chất triều ở khu vực ven biển phía bắc Việt Nam (xem thêm Bảng thủy triều 2019 [8]). Các đường biến trình mực nước thực đo tại ba cửa sông cũng cho thấy tính chất nhật triều đều tại các khu vực biển này, trong ngày chỉ có một lần nước lên và một lần nước xuống.

    Kết quả tính toán mực nước triều cực trị với chu kỳ 19 năm (2019 - 2038) cho ba cửa sông Hồng, Văn Úc và Bach Đằng được trình bày trong Bảng 4. Các trị số mực nước triều cực trị này là so với mốc “0” trạm.

Bảng 4. Mực nước triều cực trị chu kỳ 19 năm (2019 - 2038)

    Giá trị mực nước lớn nhất trong toàn chuỗi số liệu quan trắc tại cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằng tương ứng là 146cm, 159cm và 165cm. Giá trị mực nước nhỏ nhất trong toàn chuỗi số liệu quan trắc tại cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằng tương ứng là -125cm, -114cm và -113cm

     3.2. Các đặc trưng của yếu tố sóng

     Tính toán thành lập các bảng tần suất sóng từ các chuỗi số liệu quan trắc sóng tại ba cửa sông và vẽ các biểu đồ hoa sóng. Kết quả tính tại cửa sông Văn Úc cho thấy hướng sóng thịnh hành nhất là hướng Nam (S) có tần suất xuất hiện 46,5%, lặng sóng có tần suất xuất hiện là 46,3% (quy ước lặng sóng với độ cao sóng từ 0m đến 0,25m), độ cao sóng có ý nghĩa (Hs) trung bình trong toàn chuỗi quan trắc là 0,51m, độ cao sóng Hs lớn nhất là 0,92m có hướng nam và chu kỳ là 4,12s.

     Tại cửa sông Hồng, kết quả tính cho thấy hướng sóng thịnh hành nhất là hướng đông nam (SE),chiếm tần suất xuất hiện 11,9%, lặng sóng có tần suất xuất hiện 84,7%, độ cao sóng Hs trung bình trong toàn chuỗi quan trắc là 0,33m, độ cao sóng Hs lớn nhất là 0,83m có hướng đông nam và chu kỳ là 3,12s.

     Kết quả tính cho cửa sông Bạch Đằng thể hiện hướng sóng thịnh hành nhất là hướng Nam có tần suất xuất hiện 15,4%, lặng sóng chiếm tần suất xuất hiện 81,5%, độ cao sóng Hs trung bình trong toàn chuỗi quan trắc là 0,37m, độ cao sóng Hs lớn nhất là 0,73m có hướng nam và chu kỳ là 3,57s. Trên Hình 5 thể hiện biểu đồ hoa sóng tại cửa sông Bạch Đằng trong khoảng thời gian quan trắc (04 - 19/8/2019).

Hình 5: Hoa sóng tại cửa sông Bạch Đằng(04 - 19/8/2019)

    Từ các chuỗi số liệu quan trắc sóng tai ba cửa sông đã tiến hành thiết lập các hàm tương quan giữa độ cao sóng có ý nghĩa Hs và độ cao sóng lớn nhất Hmax. Kết quả thu được công thức thực nghiệm hàm tương quan của hai tham số sóng Hs và Hmax (Bảng 5). Hệ số tương quan tại ba cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằng tương ứng là 0,92, 0,87 và 0,83. Như vậy,các hệ số tương quan này là tốt và có thể sử dụng các hàm tương quan này để tính toán cho ba cửa sông. Trong Hình 6 là đồ thị hàm tương quan giữa độ cao sóng Hs và Hmax tại cửa sông Hồng.

     Hình 6: Tương quan độ cao sóng Hs và Hmax tại cửa sông Hồng (14 - 29/7/2019)

Bảng 5. Hàm tương quan độ cao sóng Hs (m)  và độ cao sóng Hmax (m) tại ba cửa sông

3.3. Các đặc trưng của yếu tố dòng chảy

    Tính toán thành lập các bảng tần suất dòng chảy từ các chuỗi số liệu quan trắc dòng chảy tại ba cửa sông, vẽ các biểu đồ hoa dòng chảy. Kết quả tính tại cửa sông Văn Úc cho thấy, dòng chảy tầng mặt có hướng thịnh hành nhất là hướng Tây Nam (SW) có tần suất xuất hiện 18,9%, lặng dòng chảy có tần suất xuất hiện là 9,2% (quy ước lặng dòng chảy với độ lớn vận tốc từ 0cm/s đến 5cm/s), vận tốc dòng chảy trung bình trong toàn chuỗi quan trắc tầng mặt là 29cm/s, vận tốc dòng chảy lớn nhất là 97cm/s có hướng Đông Bắc (NE). Trong bảng 6 là bảng tần suất dòng chảy tầng mặt tại cửa sông Văn Úc và Hình 7 là hoa dòng chảy tầng mặt tại cửa sông Văn Úc.

Bảng 6: Tần suất P(%) theo hướng và vận tốc dòng chảy tầng mặt tại cửa sông Văn Úc (04 - 19/8/2019)

    Kết quả tính cho cửa sông Hồng thể hiện dòng chảy tầng mặt có hướng thịnh hành nhất là hướng Đông (E) với tần suất xuất hiện 49,7%, lặng dòng chảy có tần suất xuất hiện là 6,1%, vận tốc dòng chảy trung bình trong toàn chuỗi quan trắc tầng mặt là 32cm/s, vận tốc dòng chảy lớn nhất là 66cm/s có hướng Đông.

Hình 7: Hoa dòng chảy tầng mặt tại cửa sông Văn Úc (04 - 19/8/2019)

Hình 8: Biểu đồ  phân bố tần suất P(%) và đồ thị suất bảo đảm F(%) theo vận tốc dòng chảy (cm/s) tầng mặt tại cửa sông Văn Úc (04 - 19/8/2019)

    Tính tại cửa sông Bạch Đằng kết quả cho thấy dòng chảy tầng mặt có hướng thịnh hành nhất là hướng Tây Nam với tần suất xuất hiện 15,8%, lặng dòng chảy có tần suất xuất hiện là 19,2%, vận tốc dòng chảy trung bình trong toàn chuỗi quan trắc tầng mặt là 19cm/s, vận tốc dòng chảy lớn nhất là 61cm/s có hướng tây.

     Trên Hình 8 là biều đồ cột phân bố tần suất P(%) và đồ thị đường cong suất bảo đảm F(%) theo khoảng vận tốc dòng chảy tầng mặt tại cửa sông Văn Úc. Tính suất bảo đảm F bằng cách cộng dồn tần suất xuất hiện P trong cột tổng của bảng tần suất từ khoảng vận tốc lớn đến khoảng vận tốc nhỏ [6].

     4. Kết luận

     Bộ hằng số điều hòa tính toán được từ các chuỗi số liệu mực nước quan trắc đáp ứng được cho dự tính thủy triều tại ba cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằng. Kết quả tính mực nước triều cực trị chu kỳ 19 năm đáp ứng được cho công tác quy hoạch và phân chia các vùng biển.

     Bước đầu đưa ra công thức thực nghiệm hàm tương quan giữa các tham số sóng Hs và Hmax tại ba cửa sông có hệ số tương quan tốt và có thể ứng dụng cho tính toán tại khu này.

      Trong thời gian khảo sát tháng 7, 8 năm 2019 tại ba cửa sông đều tồn tại sóng chỉ có hướng Nam và hướng Đông nam. Độ cao sóng Hs lớn nhất tại ba cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằng tương ứng là 0,83m, 0,92m và 0,73m. Dòng chảy tầng mặt tại cửa sông Văn Úc và Bạch Đằng đều có hướng thịnh hành nhất là hướng Tây Nam, tại cửa sông Hồng có hướng thịnh hành nhất là hướng đông. Vận tốc dòng chảy lớn nhất tại ba cửa sông Hồng, Văn Úc và Bạch Đằng tương ứng là 66cm/s, 97cm/s và 61cm/s.

     Các đặc trưng sóng, dòng chảy và mực nước trong thời gian khảo sát tháng 7, 8 năm 2019 tại ba cửa sông là các đặc trưng quan trắc tin cậy và rất hữu ích phục vụ cho công tác đánh giá và dự báo các đặc trưng hải văn. Bộ số liệu này có thể sử dụng cho nghiên cứu, tính toán và hiệu chỉnh mô hình số trị thủy động lực cho khu vực cửa sông ven biển đồng bằng Bắc bộ.

Trịnh Tuấn Đạt^*1, Nguyễn Thị Hải¹

¹Trung tâm Hải văn - Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam

(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề Tiếng việt III/2020)

     TÀI LIỆU THAM KHẢO

     [1]. Bộ TN&MT (2019), Quy định kỹ thuật đánh giá chất lượng dự báo, cảnh báo hải văn. Thông tư số 16/2019/TT-BTNMT.

     [2]. Hoàng Trưởng (2020), So sánh phân bố lý thuyết Rayleigh theo sóng quan trắc tại vùng biển vịnh Nghi Sơn, tỉnh Thanh Hóa. Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 710, 26-32.

     [3]. Nguyễn Tài Hợi (2006), Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ “Xây dựng quy trình chỉnh lý và phân tích số liệu quan trắc các yếu tố khí tượng hải văn trên tàu nghiên cứu khoa học biển”. Trung tâm Khí tượng Thủy văn Biển, Hà Nội, Tr. 52 - 65, 66 - 86, 87 - 105.

     [4]. Phạm Văn Huấn, Nguyễn Hài Hợi (2007), Dao động mực nước biển ven bờ Việt Nam. Tạp chí Khí tượng thủy văn số 556. Tr. 30 - 37.

     [5]. Trịnh Tuấn Đạt (2007), Tính toán sóng cực trị từ các chuỗi dữ liệu đo đạcphục vụ thiết kế các công trình ven biển. Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 556, 50-54.

     [6]. Trịnh Tuấn Đạt (2018). Báo cáo tổng kết đề tài cấp cơ sở “Xây dựng quy định kỹ thuật phân tích các yếu tố sóng, dòng chảy và thủy triều”.Trung tâm Hải văn, Hà Nội, 121 trang.

     [7]. Trịnh Tuấn Đạt, Nguyễn Tài Hợi (2012), Nghiên cứu và khảo sát mực nước dài ngày phục vụ công tác dự tính thủy triều hàng năm cho khu vực cảng biển Nghi Sơn (Thanh Hóa) và Dung Quất (Quảng Ngãi). Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 613, 17-24.

     [8]. Trung Tâm Hải Văn (2019), Bảng thủy triều 2019 - Tập I. NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội, 179 trang.

     [9]. World Meteorological Organization (1998), Guide to Wave Analysis and Forecasting. WMONo.702, Geneva, Switzerland.

COMPUTING CHARACTERISTICSOF WAVE, CURRENT AND SEA LEVELATTHE HONG RIVER MOUTH, VAN UC AND BACH DANGESTUARIES FROM MEASURE DATA IN JULY AND AUSGUST 2019