Ứng dụng mô hình thủy động lực 3 chiều FVCOM tính toán chế độ thủy động lực và cấu trúc nhiệt cửa sông Nhật Lệ

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC 3 CHIỀU FVCOM

TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC VÀ CẤU TRÚC NHIỆT

CỬA SÔNG NHẬT LỆ - QUẢNG BÌNH

Nguyễn Đức Tuấn, Nguyễn Thanh Hùng, Bùi Thị Ngân, Vũ Thái Long

Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển

Tóm tắt: Mô hình mã nguồn mở thủy động lực 3 chiều lưới tam giác FVCOM được áp dụng để

tính toán chế độ thủy động lực cho vùng cửa sông Nhật Lệ, tỉnh Quảng Bình. Trong nghiên cứu

này, chúng tôi sử dụng mô hình khí tượng WRF để tính toán số liệu đầu vào cho 2 năm mô

phỏng 2009 và 2018. Kết quả mô phỏng được kiểm định với số liệu đo từ thiết bị ADCP. Kết quả

tính toán cho thấy có 2 hướng dòng chảy chính là Đông Nam và Tây bắc. Có hiện tượng xoáy

theo chiều kim đồng hồ ở gần cửa sông và ngược chiều kim đồng hồ ở phía biển. Có sự thay đổi

về nhiệt độ theo không gian với nhiệt độ chênh từ 1.0 đến 2.5 độ C giữa vùng cửa sông và biển.

Từ khóa: FVCOM, WRF, mô hình thủy động lực, cấu trúc nhiệt, trường dòng chảy

Summary: A open-source three-dimensional unstructured-grid numerical model FVCOM has

been applied to examine circulation, wave, and thermal structure in the Nhat Le estuary, Quang

Binh province. The model used meteorological data downscalling from WRF model for the

simulation year of 2009 and 2018. The simulation results were tested against ADCP

observations of currents and wave. The results show that mean currents direction was

predominantly SE and NW. There were clockwise circulation in the adjacent of the estuary while

a larger anti-clyclonic offshore. The spacial variation of water temperature was found with

higher temperature onshore and lower temperture at offshore with the difference can be 1.0 to

2.5 degree C. Data including current and wave measured by ADCP instruments.

Key words: FVCOM, WRF, hydrodynamic model, thermal structure, circulation

1. MỞ ĐẦU ^*

Ở nước ta trong những năm qua, cùng với sự

phát triển kinh tế đặc biệt là kinh tế biển, một

Chế độ thủy động lực tại các cửa sông luôn

trong những mối quan tâm nhất hiện nay đó là

môi trường nước biển và các quá trình vật lý

đang diễn ra như thế nào trong bối cảnh ngày

càng gia tăng sự tác động của con người và

phức tạp do là nơi hội tụ của nhiều quá trình

vật lý phức tạp ví dụ như sự tác động tương

hỗ giữa sông và biển, ảnh hưởng của thủy

triều, của sóng, của các yếu tố khí tượng và

sự xâm nhập của muối. Sự hiểu biết về các biến đổi khí hậu. Các vấn đề về xả thải từ sông

quá trình động lực tại các cửa sông luôn là

vấn đề cốt lõi để trên cơ sở đó có thể giải

quyết các vấn đề như xói lở, bồi tụ cửa sông,

vấn đề xâm nhập mặn, ô nhiễm nước tại khu

vực cửa sông ven biển.

cũng như việc xây dựng các cảng biển, các

công trình ngăn sóng, công trình chỉnh trị

v.v… đều có những tác động đến sự phân bố

dòng chảy và môi trường biển.

Các nghiên cứu chế độ thủy động lực khu vực

cửa sông - ven biển được thực hiện ở nhiều nơi

trên Thế giới (Liu et al., 2001; Weisberg, R.

H., & Zheng, L, 2006; Ralston et al., 2007).

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng trường dòng

Ngày nhận bài: 09/01/2019

Ngày thông qua phản biện: 11/3/2019

Ngày duyệt đăng: 26/3/2019

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

1

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

chảy khu vực cửa sông chịu ảnh hưởng bởi Grant Creek ở Lake Michigan (Mỹ) và

nhiều yếu tố như lưu lượng sông, trường gió Cuyahoga River ở Lake Erie (Mỹ) (Tuan

và chế độ triều (Weisberg, R. H., & Zheng, L, Nguyen and Mantha Phanikumar). Nghiên cứu

2006; Ralston và nnkl., 2007; Guo, X., & này cho thấy vùng tương tác động lực sông

Valle-Levinson, A, 2007). Tại Việt Nam, đã có biển phụ thuộc vào lưu lượng chảy ra từ các

nhiều nghiên cứu về chế độ thủy động lực cửa sông và vận tốc dọc bờ biển. Cho đến nay mô

sông với cách tiếp cận là dùng số liệu thực đo hình FVCOM gần như chưa được sử dụng ở

để đánh giá hoặc dùng mô hình toán (N.T. Việt Nam.

Hùng và nnk, 2014, 2016; Vũ duy Vĩnh và nnk,

2012,2014). Chế độ thủy động lực tại vùng

Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm đánh giá

khả năng mô phỏng chế độ thủy động lực cửa

tương tác chịu ảnh hưởng lớn từ lưu lượng

sông Nhật Lệ của mô hình FVCOM dựa trên

nước sông chảy ra (Do & nnk., 2004; Vinh, V.

số liệu từ mô hình khí tượng WRF. Kết quả

tính toán của mô hình được kiểm định với số

liệu quan trắc sóng và dòng chảy tại các trạm.

D & Thanh, T. D., 2014). Gần đây, nhóm tác

giả Nguyễn Thanh Hùng & nnk (2018) đã

thành công áp dụng mô hình Mike ST trong đó

Bố cục của bài báo được thiết kế như sau (i)

sử dụng số liệu đầu vào từ mô hình thủy lực 1

giới thiệu và mô tả khu vực của sông Nhật Lệ

chiều Mike 11 để nghiên cứu biến động theo

(ii) Số liệu đầu vào và mô hình toán (iii) Kết

mùa chế độ động lực cửa sông Nhật Lệ.

quả và thảo luận và cuối cùng là (iv) kết luận

Hiện nay ở Việt nam các mô hình số thủy và kiến nghị.

động lực chủ yếu là mô hình thương mại, số

2. KHU VỰC NGHIÊN CỨU

lượng các nghiên cứu sử dụng mô hình có mã

Cửa sông Nhật Lệ nằm ở phía Đông nam

nguồn mở còn ít. Sử dụng các mô hình thương

thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình và là

mại có nhiều ưu điểm như giao diện thuận tiện

một trong 5 cửa sông ở tỉnh Quảng Bình

và dễ sử dụng, được sự hỗ trợ từ các công ty

(ngoài các cửa sông Gianh, sông Ròn, sông

phát triển phần mềm trong quá trình sử dụng.

Dinh và sông Lý Hòa). Sông Nhật Lệ là hợp

Tuy nhiên, mô hình thương mại lại có các hạn

lưu của sông Kiến Giang và sông Long Đại và

chế trong việc chỉnh sửa các phương trình, các

đổ ra Biển Đông tại tọa độ 106⁰37’ 50” kinh

hệ số theo ý muốn của người sử dụng.

độ Đông và 17⁰29’ 25” vĩ độ Bắc. Địa hình

Mô hình thủy động lực 3 chiều FVCOM là mô

khu vực cửa sông Nhật Lệ khá bằng phẳng với

hình có mã nguồn mở được được xây dựng và

độ sâu trung bình từ 3.0 – 4.5m, có những khu

phát triển bởi Changsheng Chen và cộng sự từ

vực chỉ sâu 1.5-2.0m. Độ sâu tăng dần về phía

2003 (Chen & nnk, 2003) và tiếp tục được phát

biển với giá trị khoảng 17-18m tại khu vực các

bờ biển 2km và khoảng 43m tại khu vực cách

bờ biển 30km. Độ sâu lớn nhất trên toàn miền

triển và cải thiện (Chen & nnk , 2013, phiên

bản 4). Mô hình FVCOM đã được áp dụng

thành công trong rất nhiều nghiên cứu về sông,

tính toán là 46.1m. Những năm gần đây cửa

hồ, và đại dương cho các vấn đề nghiên cứu

sông Nhật Lệ có quá trình bồi, xói phức tạp

khác nhau, điển hình như (Shore 2009;

(N.L. Dân, 2008) do tác động của của các yếu

tố sóng, dòng chảy và thủy triều (N.T. Hùng và

nnk, 2016).

Anderson and Phanikumar 2011; Anderson

and Schwab 2013; Bai & nnk, 2013; Nguyen

& nnk. 2014, 2017). Gần đây, mô hình

FVCOM đã được sử dụng trong dự án “Mô

3. SỐ LIỆU QUAN TRẮC

hình chất lượng nước tại một số cửa sông ở Năm 2009 và 2018 được lựa chọn là năm

Great Lakes” để mô phỏng, tính toán vùng nghiên cứu. Lý do của việc lựa chọn này là

tương tác sông và biển tại Washington Park, dựa vào nguồn số liệu quan trắc, đặc biệt là số

2

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

liệu về lưu lượng sông Nhật Lệ. Năm 2009 có 2 đó lưu lượng sông Nhật Lệ được đo đạc liên tục

chuỗi số liệu lưu lượng đo tháng 6/2009 và tháng trong 15 ngày trong tháng 4/2018. Ngoài ra, số

11/2009 (Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk, 2009). Số liệu quan trắc vận tốc dòng chảy và sóng bằng

liệu năm 2018 sử dụng từ kết quả đo khảo sát ADCP được liệt kê ở Bảng 1 và hình 2a.

của đề tài cấp nhà nước KC.08.16/16-20, trong

Bảng 1. Danh sách các trạm đo tại cửa sông Nhật Lệ

Tên trạm

Yếu tố

quan trắc

Vận tốc

Sóng

Kinh độ Đông

Vĩ độ Bắc

Thời gian quan trắc

NL-ADCP

NLW

106.635629

17.498422

18/042018 – 25/04/2018

16/042018 – 26/04/2018

Volume for Community Ocean Model) được

xây dựng và phát triển có lưới phi cấu trúc

theo phương ngang và hệ tọa độ sigma theo

phương thẳng đứng. Mô hình FVCOM được

thiết lập dựa trên hệ phương trình sau:

4. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

Trong nghiên cứu này mô hình tính toán 3

chiều FVCOM được lựa chọn làm công cụ tính

toán chế độ thủy động lực cho cửa sông Nhật

Lệ với số liệu đầu vào từ mô hình khí tượng

WRF (Weather Research Forecasting Model). Phương trình liên tục:

Mô hình FVCOM (tên tiếng Anh là Finite

ꢀꢁ

ꢀꢂ

ꢀꢃ

ꢀꢄ

ꢀꢅ

ꢀꢆ

+

= 0

(1)

Phương trình động lượng

ꢀꢁ

ꢉ ꢀꢌ

ꢀ

^ꢀꢁ+ ꢁ + ꢃ + ꢅ − ꢈꢃ = − _ꢊ

+

_ꢀꢆꢍꢎ_ꢏ^ꢀꢁꢐ + ꢑ_ꢁ

(2)

(3)

(4)

ꢀꢇ

ꢀꢂ

ꢀꢃ

ꢀꢄ

ꢀꢃ

ꢀꢆ

ꢀꢃ

ꢀꢂ

ꢀꢆ

ꢋ

^ꢀꢃ+ ꢁ + ꢃ + ꢅ + ꢈꢁ = − _ꢊ

_ꢀꢆꢍꢎ_ꢏ^ꢀꢃꢐ + ꢑ_ꢃ

ꢉ ꢀꢌ

ꢀ

ꢀꢇ

ꢀꢂ

ꢀꢄ

ꢀꢆ

ꢀꢄ

ꢀꢆ

ꢋ

ꢀꢌ

ꢀꢆ

= −ꢊꢒ

Phương trình lan truyền nhiệt:

ꢀꢓ

ꢀꢆ

ꢀ

^ꢀꢓ+ ꢁ + ꢃ + ꢅ

=

_ꢀꢆꢍꢎ_ꢔ^ꢀꢓꢐ + ꢑ_ꢓ

(5)

(6)

ꢀꢇ

ꢀꢂ

ꢀꢄ

ꢀꢆ

Phương trình trạng thái

ꢕ = ꢕ(ꢖ, ꢗ, ꢘ)

Trong đó: x, y và z thể hiện trục tọa độ trong nước. ꢙ là tham số Coriollis. ꢚ là gia tốc

hệ tọa độ Đề Các. (u,v,w) là các thành phần trọng trường.

vận tốc dòng chảy theo các phương ngang (x,

y) và đứng (z). ꢕ là tỷ trọng của nước. ꢖ, ꢗ là

nhiệt độ và độ mặn của nước. ꢘ là áp lực

Hệ số khuếch tán động lượng phương ngang

(

)

ꢝ

ꢛ , ꢛ , có dạng:

ꢜ

ꢀ

ꢀꢁ

ꢀ

ꢑ_ꢁ= ꢍꢞꢟ_ꢠꢐ + _ꢀꢄꢡꢟ_ꢠꢍ^ꢀ_ꢀ^ꢁ_ꢄ+ ^ꢀ_ꢀꢂ^ꢃꢐꢢ

(7)

ꢀꢂ

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

3

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

ꢀ

ꢀꢃ

ꢀꢄ

ꢀ

ꢑ_ꢃ= ꢍꢞꢟ_ꢠꢐ + _ꢀꢂꢡꢟ_ꢠꢍ^ꢀ_ꢀ^ꢁ_ꢄ+ ^ꢀ_ꢀꢂ^ꢃꢐꢢ

(8)

(9)

ꢀꢄ

(

)

Hệ số khuếch tán nhiệt theo phương ngang ꢛ_ꢣ, có dạng:

ꢀ

ꢀꢓ

ꢀ

ꢀꢓ

ꢀꢄ

ꢑ_ꢓ= ꢍꢟ_ꢤꢐ + _ꢀꢄꢍꢟ_ꢤ

ꢐ

ꢀꢂ

(

)

Hệ số khuếch tán rối và nhớt ꢥ_ꢦ, ꢥ_ꢧđược phương ngang ꢨ_ꢩđược tính toán qua phương

xác định qua phương trình tính toán rối của trình tính toán rối của Smagorinsky

Mellor-Yamada 2.5 (Mellor and Yamada, (Smagorinsky, 1963) như sau:

1982; Galperin et al., 1988). Hệ số lan truyền

ꢞ

ꢟ_ꢠ= ꢪ∆ꢂ∆ꢄ _ꢞ^ꢉꢫꢍ^ꢀ_ꢀ^ꢁ_ꢂꢐ + ^ꢉ_ꢞꢍ_ꢀ^ꢀꢁ_ꢄ+ _ꢀ^ꢀ_ꢂ^ꢃꢐ + ꢍ_ꢀ^ꢀꢃ_ꢄꢐ ꢬ

(11)

Hệ số lan truyền phương đứng ꢨ_ꢭđược tính từ bằng phần mềm SMS (www.aquaveo.com).

ꢟ

ꢠ

Lưới tính toán cửa sông Nhật Lệ bao gồm

9840 phần tử tam giác và 5124 nút với phạm

vi từ cửa sông Nhật Lệ ra đến Biển Đông

khoảng 28km (Hình 1). Hệ tọa độ là kinh độ

và vĩ độ WGS-84. Lưới tính toán được thiết kế

với kích thước cách cạnh của phần tử tăng dần

từ cửa sông Nhật Lệ ra đến biên phía biển với

kích thước lớn nhất là 3.7km tại biên phía biển

và kích thước lưới nhỏ nhất là 20m ở khu vực

cửa sông (hình 2b). Kích thước trung bình

chiều dài cạnh của các phần tử trên toàn miền

là 340m. Sự phân bố về kích thước được thể

hiện ở hình vẽ 3. Hình vẽ 3 cho thấy sự phân

bố về kích thước cạnh các phần tử khá trơn tru,

điều đó cho phép tăng độ chính xác và ổn định

của mô hình số FVCOM.

ꢨ_ꢩqua số Prandtl number (P_r): ꢟ_ꢤ=

ꢌ

ꢮ

(12) Số liệu đầu bao gồm: số liệu khí tượng

(tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ không khí, độ

ẩm không khí, độ mây che phủ, bức xạ mặt

trời). Mô hình tính toán bao gồm 2 biên hở bao

gồm lưu lượng sông và mực nước triều và

sóng ở phía biển.

Lưới tính toán

Mô hình FVCOM được thiết kế và tính toán

dạng không cấu trúc, hình tam giác. Cấu trúc

lưới hình tam giác có ưu điểm là có thể mô tả

được đầy đủ đặc điểm đường bờ đặc biệt là tại

các khu vực cửa sông nơi thường có địa hình

phức tạp cùng các công trình chỉnh trị. Lưới

tính toán cửa sông Nhật Lệ được xây dựng

Hình 1. Vị trí và lưới tính toán cửa sông Nhật Lệ - Quảng Bình

4

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

(b)

Hình 2. (a) Vị trí trạm đo ADCP (đo sóng và dòng chảy);

(b) Đường đồng mức độ sâu khu vực cửa sông Nhật Lệ - Tỉnh Quảng Bình

(a)

trong đó kỹ thuật lưới lồng được áp dụng

nhằm tăng độ phân giải và tăng độ chính xác

của việc chi tiết hóa. Độ phân giải của lưới thô

phía ngoài và lưới phía trong lần lượt là 32km

và 8.0km tương ứng với tỷ lệ độ phân giải giữa

hai lưới là 1:4. Có nhiều nguồn số liệu đã được

đánh giá lại có thể dùng làm số liệu đầu vào

cho mô hình WRF.

Các ngoại lực tác dụng

Mô hình cửa sông Nhật Lệ chạy dưới tác động

của các ngoại lực sau: khí tượng, mực nước

triều và sóng phía biển và lưu lượng sông. Do

trong khu vực nghiên cứu không có trạm đo

khí tượng nên các yếu tố khí tượng sẽ được

tính toán thông qua chi tiết hóa động lực bằng

mô hình WRF.

Trong nghiên cứu này nguồn số liệu

NCEP/GFS/FNL Reanalysis Reanalysis với độ

phân giải 0.25⁰với bước tính 4 lần/ngày được

sử dụng để làm số liệu đầu vào cho mô hình

WRF. Các thông số sau khi được chi tiết hóa

động lực được lưu dưới dạng file netcdf và

được nội suy vào lưới tính toán của mô hình

FVCOM bằng hàm nội suy trong chương trình

phần mềm Matlab. Hình 5 thể hiện vận tốc gió

trung bình trên toàn miền tính theo thời gian

năm 2018. Vận tốc gió trung bình là 4.3 m/s.

Trong khi đó vận tốc gió lớn nhất và nhỏ nhất

lần lượt là 14.0 m/s và 0.06m/s. Tướng ứng,

các giá trị này đối với năm 2009 lần lượt là

4.0m/s, 20.3m/s và 0.04m/s. Tốc độ gió ở cách

bề mặt 10m.

Mô hình khí tượng WRF

Hình 3. Phân bố chiều dài cạnh phần tử lưới

tính toán trên toàn miền tính

Mô hình khí tượng WRF ((WRF3.9.1, http:

//www.wrf-model.org, Skamarock et al.

(2008)) được sử dụng để chi tiết hóa yếu tố

động lực cho khu vực nghiên cứu. Lưới tính

toán cho mô hình WRF được thể hiện ở hình 4

Nhiệt độ không khí được tính toán và chuyển

đổi giá trị với khoảng cách 2m so với bề mặt.

Nhiệt độ không khí trung bình của năm 2018

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

5

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

trên toàn miền tính toán năm 2018 là 23.1⁰C. lần lượt là 32.7⁰C và 15.6⁰C. Tương ứng của

Nhiệt độ cao nhất và thấp nhất trong năm 2018 năm 2009 lần lượt là 24.5⁰C, 31.7⁰C và 15.5⁰C.

Lưới ngoài

(D=32km)

Lưới

trong

(D=8km)

Hình 4. Lưới tính toán mô hình khí tượng WRF

Hình 5. Vận tốc gió trung bình trên toàn miền tính toán từ mô hình khí tượng WRF (2018)

m³/s (năm 2018) và -758m³/s và 935m³/s

Điều kiện biên

(2009). Với đặc điểm thủy văn từ tháng 9 đến

Lưu lượng dòng chảy tại biên hở sử dụng số

tháng 11 là mùa lũ, lưu lượng sông chiếm ưu

liệu quan trắc tại sông Nhật Lệ trong 15 ngày

thế, mùa kiệt từ tháng 1 đến tháng 8 và dòng

với tần suất 1 giờ. Đường quá trình lưu lượng

triều chiếm ưu thế, giá trị lưu lượng trung bình

(hình 6,7) cho thấy cửa sông Nhật Lệ quá trình

lần lượt là 86.1 m³/s và -49.3 m³/s cho năm

nước ra và vào khá đều với lưu lượng lớn nhất

2009 và 2018 (thời gian quan trắc là mùa kiệt).

chảy vào và ra lần lượt là -947 m³/s và 753

Thời đoạn tính toán nằm trong thời gian kiệt,

6

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

do đó sự ảnh hưởng của dòng triều tại cửa

sông Nhật Lệ qua việc trao đổi nước giữa

sông và biển như hình 5. Biên triều ở biên hở

được tính toán từ phần mềm tính toán triều

TPXO7.1 với độ phân giải 0.25 độ bao gồm

8 thành phần triều (M₂, S₂, N₂, K₂, K₁, O₁,

P₁, Q₁).

Hình 8. Đường quá trình chiều cao sóng,

hướng sóng và chu kỳ sóng tại biên được trích

xuất từ WaveWatch III (2009)

5. KẾT QUẢ

Chế độ động lực cửa sông Nhật Lệ được mô

phỏng với các thời đoạn khác nhau trong năm

2009 và 2018 tương ứng với thời gian quan

trắc lưu lượng sông được liệt kê trong bảng 2.

Kết quả mô phỏng của mô hình được kiểm

định với số liệu quan trắc để đánh giá mức độ

chính xác của mô hình.

Hình 6. Đường quá trình lưu lượng sông

Nhật Lệ (2018)

Biên sóng được trích xuất từ kết quả tính toán

sóng toàn cầu WAVEWATCH III và được nội

suy vào các nút tại biên hở cho các thông số

sóng bao gồm chiều cao sóng, chu kỳ sóng và

hướng sóng với bước tính toán 1 giờ (hình 8).

Bảng 2. Các thời đoạn mô phỏng

Năm

2009

2018

Thời gian mô phỏng

08/06/2009 – 23/06/2009

17/11/2009 – 01/12/2009

17/04/2018 – 25/04/2018

Sử dụng chỉ số đánh giá RMSE (Root mean square

error) để đánh giá sai số theo công thức sau:

ꢱꢵꢶ

ꢱꢵꢷ

ꢴ

(

)

ꢱ

ꢯ^∑

ꢰ ꢲꢳ

ꢱ

RMSE =

(13)

ꢸ

Trong đó: O_ivà M_ilần lượt là số liệu quan trắc thứ

i và kết quả tính toán thứ i. N là tổng số số liệu.

Kết quả so sánh giữa kết quả tính toán sóng và

quan trắc được thể hiện ở hình 9b với giá trị

RMSE cho chiều cao sóng, chu kỳ sóng và

hướng sóng chủ đạo lần lượt là 0.18m, 2.5s và

41 độ. Từ đồ thị có thể thấy rõ mô hình cho kết

quả không được tốt trong ngày đầu tiên mô

phỏng. Lý do của việc này là do mô hình bắt

đầu chạy với điều kiện ban đầu là nước tĩnh

trên toàn miền tính. Đây là đặc điểm ở bất cứ

mô hình số nào do cần 1 thời gian đủ dài để

Hình 7. Đường quá trình lưu lượng sông

Nhật Lệ (2009)

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

7

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

giảm bớt ảnh hưởng của điều kiện ban đầu. trên phương ngang, do đó vận tốc tổng từ mô

Kết quả mô hình từ ngày 19/4/2018 cho kết hình được tính theo công thức:

quả khá tốt. Điều này cũng tương tự như kết

ꢽ

ꢺ

ꢹ = ꢯ ꢻ_ꢼ+ ꢻ_ꢾ

^ꢽꢿ

(14)

quả tính toán vận tốc dòng chảy (hình 9a), so

sánh giữa vận tốc quan trắc và mô phỏng tốt

hơn nhiều sau ngày 19/4/2018. Một điểm quan

trọng cần chú ý rằng, mô hình FVCOM tính

toán 3 thành phần vận tốc theo phương x,y và

z. Số liệu quan trắc từ ADCP là vận tốc tổng

Trong đó: V là vận tốc tổng theo phương

ngang; U_xvà U_ylần lượt là vận tốc thành phần

theo phương x và y.

(a)

(b)

Hình 9. (a) So sánh vận tốc đo đạc và kết quả tính toán dòng chảy tại trạm NL-ADCP.

(b) So sánh số liệu quan trắc và tính toán sóng tại trạm NLW (2018)

Các chỉ số đánh giá mức độ chính xác của mô trung bình trên toàn miền tính toán.

hình trong việc mô phỏng sóng và dòng chảy

cho thấy mô hình FVCOM cho kết quả khá tốt

và đủ độ tin cậy để làm cơ sở đánh giá chế độ

thủy động lực tại cửa sông và trên toàn miền

tính toán.

Mặc dù không có số liệu quan trắc nhiệt độ

nước tại khu vực nghiên cứu để có thể kiểm

định kết quả tính toán nhiệt của mô hình

FVCOM, tuy nhiên nghiên cứu này sẽ trình

bày một số kết quả tính toán nhiệt để có thể

cung cấp thêm một số kiến thức và thông tin

về cấu trúc nhiệt tại khu vực nghiên cứu. Mô

Hình 10. Nhiệt độ mặt nước khu vực

cửa sông - ven biển Nhật Lệ (2018)

6. THẢO LUẬN

hình FVCOM đã cho kết quả tính toán nhiệt Vùng cửa sông ven biển Nhật Lệ có chế độ

bán nhật triều không đều . N.T. Hùng và nnk

(2018) đã phân tích số liệu mực nước tại trạm

thủy văn Đồng Hới thời kỳ mùa kiệt (2007-

2012) và kết luận rằng các hằng số điều hòa

thủy triều tại khu vực khá ổn định, dẫn tới ảnh

rất tốt tại các nghiên cứu trước đây (Nguyễn

T.D và nnk, 2014; Safaie và nnk, 2017). Hình

10 biểu thị nhiệt độ mặt nước theo thời gian

trong đó đường xanh là nhiệt độ tại cửa sông

Nhật Lệ và đường đỏ là nhiệt độ mặt nước

8

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

hưởng mạnh của dòng triều trong mùa kiệt tại

cửa sông Nhật Lệ. Điều này thấy rõ từ số liệu

quan trắc lưu lượng năm 2009 và 2018 (hình

6,7) dòng triều chiếm ưu thế rõ rệt trong mùa

kiệt như đã phân tích ở trên.

Trường dòng chảy

Vận tốc trung bình ngày và trung thủy trực

trên toàn miền tính được tính toán được thể

hiện ở hình 12. Kết quả cho thấy trường dòng

chảy tại cửa sông Nhật Lệ có hai hướng chính

là Tây Bắc và Đông Nam. Do ảnh hưởng của

sự tương tác giữa sông và biển và ảnh hưởng

của gió, hướng dòng chảy không ổn định. Điều

này cũng phù hợp với nghiên cứu của

N.T.Hùng và nnk, 2018. Tốc độ dòng ven biển

đạt lớn nhất và trung bình lần lượt là 0.54m/s

và 0.2m/s. Trong ngày 15/06/2009 có 2 xoáy

dòng chảy hình thành khu vực cửa Nhật Lệ,

một xoáy lớn ở phía ngoài theo chiều ngược

chiều kim đồng hồ và 1 xoáy nhỏ hơn ở phía

hạ lưu cửa sông và có chiều kim đồng hồ. Hai

xoáy thuận nghịch này là một đặc điểm rất

quan trọng có ảnh hưởng đến việc lan truyền

chất cần được nghiên cứu sâu hơn.

Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ cho thấy sự

phân bố nhiệt theo không gian tại cửa sông khá

rõ rệt. Sự khác nhau về nhiệt độ giữa khu vực

cửa sông (nước nông) và phía biển (nước sâu)

khoảng từ 1.0 đến 2.5 độ C. Sự khác nhau này

rõ rệt hơn trong thời gian mùa hè, sự chênh

nhiệt độ giữa các vùng giảm đi vào mùa đông

khi nhiệt độ không khí giảm (hình 11). So sánh

nhiệt độ tại khu vực cửa sông và nhiệt độ trung

bình toàn miền tính toán cho thấy nhiệt độ tại

cửa sông thường cao hơn nhiệt độ ở các khu

vực khác từ 1.0-1.5 độ C (hình 10). Điều này

có thể giải thích do ở vùng nước nông quá

trình khuếch tán nhiệt yếu hơn vùng nước sâu.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

9

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

Hình 11. Phân bố nhiệt độ nước khu vực cửa sông Nhật Lệ

Hình 12. Trường dòng chảy khu vực cửa sông Nhật Lệ

10

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

KHOA HỌC

CÔNG NGHỆ

thấp hơn ở khu vực xa bờ với độ chênh nhiệt

độ từ 1.0 đến 2.5 độ C. Trong các nghiên cứu

tiếp theo cần có đánh giá độ chính xác của yếu

tố gió được chi tiết hóa từ mô hình WRF nhằm

tăng độ chính xác của kết quả tinh toán từ mô

hình FVCOM.

7. KẾT LUẬN

Nghiên cứu này đã ứng dụng mô hình thủy

động lực ba chiều FVCOM với số liệu đầu vào

từ mô hình khí tượng WRF để mô phỏng chế

độ thủy động lực tại cửa sông Nhật Lệ - Quảng

Bình. Kết quả tính toán cho thấy mô hình

FVCOM đã khôi phục dòng chảy khu vực cửa

sông Nhật Lệ và cho kết quả khá tốt. Khu vực

cửa sông trong thời gian tính toán chịu ảnh

hưởng của dòng triều. Vận tốc lớn nhất khu

vực ven biển đạt tới 0.5m/s. Phân tích trường

dòng chảy cho thấy có hai hướng dòng chảy

chủ đạo là Tây bắc và Đông nam. Có sự tạo

thành xoáy khu vực cửa sông. Sự phân bố

nhiệt độ nước theo không gian khá rõ rệt với

nhiệt độ cao ở khu vực gần cửa và nhiệt độ

Lời cảm ơn

Nghiên cứu này được thực hiện dựa trên kinh

phí từ đề tài cấp Bộ Nông nghiệp và Phát triển

Nông thôn thông qua kênh hỗ trợ Phòng Thí

nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học

sông biển. Các tác giả xin chân thành cảm ơn

dữ liệu từ chương trình 47 về điều tra cơ bản

các cửa sông và đề tài khoa học cấp nhà nước

KC08.16/16-20.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Baptista, A. M., Zhang, Y., Chawla, A., Zulauf, M., Seaton, C., Myers Iii, E. P., ... &

Turner, P. J. (2005). A cross-scale model for 3D baroclinic circulation in estuary–plume–

shelf systems: II. Application to the Columbia River. Continental Shelf Research, 25(7-8),

935-972.

[2] Do Minh, D. U. C., Yasuhara, K., Murakami, S., & Komine, H. Coastal Erosion in the

tropical rapid accretion delta –A case study of the Red River Delta, Vietnam.

[3] Guo, X., & Valle-Levinson, A. (2007). Tidal effects on estuarine circulation and outflow

plume in the Chesapeake Bay. Continental Shelf Research, 27(1), 20-42.

[4] Nguyen, T. D., Thupaki, P., Anderson, E. J., & Phanikumar, M. S. (2014). Summer

circulation and exchange in the Saginaw Bay‐Lake Huron system. Journal of Geophysical

Research: Oceans, 119(4), 2713-2734.

[5] Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk (2009). Báo cáo tổng hợp dự án điều tra hiện trạng cửa sông

Nhật Lệ - Quảng Bình và kiến nghị các giải pháp bảo vệ, khai thác hoàn thiện.

[6] Nguyễn Lập Dân, 2008. Nghiên cứu hiện trạng, xác định nguyên nhân và đề xuất các giải

[7] pháp phòng chống bồi lấp cửa sông nhằm khai thông luồng Nhật Lệ, Quảng Bình. Báo cáo

đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà nội 2008.

[8] Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Quang Minh, Vũ Đình Cương, 2016. Nghiên cứu sự biến

động theo mùa của chế độ thủy động lực khu vực cửa sông ven biển lưu vực sông Mã, Tạp

chí Khoa học & Công nghệ Việt Nam, Tập 4, số 2, tháng 2/2016. Tr. 32-39;

[9] Nguyễn Thanh Hùng, Vũ Đình Cương, Yoshimitsu Tajima, Tô Vĩnh Cường, 2014.

Numerical modeling of Hydrodynamics and sediment transport processes in Ma

rivier estuary, Vietnam, Proceedings of the 19th IAHR-APD Congress 2014, Hanoi,

Vietnam.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

11

CHUYỂN GIAO

CÔNG NGHỆ

[10] Ralston, D. K., Geyer, W. R., & Lerczak, J. A. (2008). Subtidal salinity and velocity in the

Hudson River estuary: Observations and modeling. Journal of Physical

Oceanography, 38(4), 753-770.

[11] Safaie, A., Litchman, E., & Phanikumar, M. S. (2017). Evaluating the role of groundwater

in circulation and thermal structure within a deep inland lake. Advances in Water

Resources, 108, 310-327.

[12] Vinh, V. D., & Thanh, T. D. (2014). Characteristics of current variation in the coastal area

of Red River Delta - Results of research using the 3D numerical model. Tạp chí Khoa học

và Công nghệ Biển, 14(2), 139-148.

[13] Vũ Duy Vĩnh, Katrijn Baetens,Patrick Luyten, Trần Anh Tú, Nguyễn Thị Kim Anh (2012).

Ảnh hưởng của gió bề mặt đến phân bố mặn và hoàn lưu vùng ven bờ châu thổ sông Hồng.

Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển, 13(1), 12-20.

[14] Weisberg, R. H., & Zheng, L. (2006). Circulation of Tampa Bay driven by buoyancy,

tides, and winds, as simulated using a finite volume coastal ocean model. Journal of

Geophysical Research: Oceans, 111(C1).

12

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 53 - 2019

Ứng dụng mô hình thủy động lực 3 chiều FVCOM tính toán chế độ thủy động lực và cấu trúc nhiệt cửa sông Nhật Lệ - Quảng Bình