Nghiên cứu phương pháp dự báo biên triều cho các cửa sông

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN VÀ MÔI TRƯỜNG


Tác giả: - ThS. Nguyễn Xuân Hiển;
- PGS. TS. Phạm Văn Huấn;
- TS. Hoàng Đức Cường;
- ThS. Lê Quốc Huy;
- ThS. Trần Duy Hiền;


BÁO CÁO KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO
BIÊN TRIỀU CHO CÁC CỬA SÔNG


CƠ QUAN CHỦ TRÌ CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI






Ths. Nguyễn Xuân Hiển

HÀ NỘI, NĂM 2012

1
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6
TÓM TẮT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI 7
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 9
1.1. Đặt vấn đề 9
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu 11
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới 11
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước 14
1.2.3. Tổng quan về khu vực nghiên cứu 18
1.2.3.1. Đặc điểm chung 18
1.2.3.2. Đặc điểm khí hậu, khí tượng, thủy văn, hải văn 19
1.3. Mục tiêu của đề tài 24
1.4. Cách tiếp cận 24
1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễ
n 26

CHƯƠNG II PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU 27
2.1. Phạm vi, đối tượng nghiên cứu 27
2.2. Nội dung nghiên cứu 27
2.3. Phương pháp nghiên cứu 29
2.3.1. Phương pháp chung 29
2.3.2. Cơ sở lý thuyết các phương pháp 30
2.3.2.1. Cơ sở lý thuyết dự báo mực nước bằng phương pháp phân tích điều hòa
thủy triều: 30
2.3.2.2. Cơ sở lý thuyết phương pháp dự báo mực nước bằng mô hình số trị 33
CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44
3.1. Kết quả khảo sát và thu thập số liệu 44
3.1.1. Kết quả khảo sát 44
3.1.1.1.Kế hoạch khảo sát: 44
3.1.1.2. Phân tích, nhận xét 47
3.1.2. Kết quả thu thập số liệu 55

2
3.1.3. Đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng, thủy văn lên mực nước
vùng cửa sông ven biển 56
3.2. Tính toán mực nước triều bằng phương pháp phân tích điều hòa 56
3.2.1. Tính toán hằng số điều hòa thủy triều từ chuỗi số liệu thực đo 56
3.2.2. Dự báo mực nước triều từ bộ hằng số điều hòa 57
a. Quy trình dự báo m
ực nước từ bộ hằng số điều hòa 57
b. Tính toán dự báo mực nước từ bộ hằng số điều hòa 59
3.3. Tính toán và dự báo mực nước triều bằng phương pháp số trị 62
3.3.1. Quy trình các bước thiết lập mô hình tính toán và dự báo mực nước 62
3.3.2. Miền tính và lưới tính 64
3.3.3. Điều kiện biên khí tượng 65

3.3.4. Điều kiện biên, đi
ều kiện ban đầu mô hình thủy lực 66
3.3.5. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình 67
3.3.5.1 Hiệu chỉnh mô hình 67
3.3.5.2 Kiểm nghiệm mô hình 75
a. Kiểm nghiệm trong điều kiện bình thường 75
b. Kiểm nghiệm mô hình trong điều kiện bão 81
3.3.6. Dự báo mực nước cho các cửa sông bằng mô hình số trị 84
CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92













3
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Nhiệt độ trung bình (
o
C) tại một số trạm 20
Bảng 1.2. Tốc độ gió trung bình (m/s) tại trạm Thái Bình và Nam Định 21

Bảng 1.3. Các đặc trưng nhiều năm mực nước biển (cm) 22
Bảng 1.4. Nước dâng do bão lớn nhất trong một số cơn bão 23
Bảng 2.1. Các chỉ tiêu phải đạt được của các nội dung nghiên cứu 28
Bảng 2.2. Các sóng điều hòa quan trọng nhất thường gặp khi nghiên cứu thủy
triều ở các vùng khác nhau 32
Bảng 2.3. Các ký hiệu trong hệ phương trình nước nông 42
Bảng 3.1. Vị trí các điểm khảo sát 45
Bảng 3.2. Vị trí các mốc phục vụ khảo sát 46
Bảng 3.3. Số liệu đo đạc mực nước tại 9 cửa sông 47
Bảng 3.4. Bộ hằng số điều hòa tại 9 cửa sông 57
Bảng 3.5. Các thông số của mô hình MIKE 21 FM 67
Bảng 3.6. Kết qu
ả tính toán hiệu chỉnh mô hình 69
Bảng 3.7. Kết quả hiệu chỉnh mô hình (chỉ tiêu Nash) tại các cửa sông 75
Bảng 3.8. Kết quả tính toán kiểm nghiệm mô hình 75
Bảng 3.9. Kết quả kiểm nghiệm mô hình (chỉ tiêu Nash) tại các cửa sông 81
Bảng 3.10. Phân loại chất lượng của phương án dự báo 87
Bảng 3.11. Bảng tổng hợp kết quả dự báo cho chín cửa sông 88

4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ khu vực nghiên cứu 19
Hình 2.1: Hệ thống tạo độ thẳng đứng và phân bố các biến trong MM5 35
Hình 2.2. Hệ tọa độ lưới ngang và phân bố các biến trong MM5 36
Hình 3.1. Vị trí các điểm đo mực nước 44
Hình 3.2. Một số hình ảnh của đợt khảo sát 46
Hình 3.3. Biến trình mực nước thực đo tại cửa Bạch Đằ
ng 52
Hình 3.4. Biến trình mực nước thực đo tại cửa Cấm 52
Hình 3.5. Biến trình mực nước thực đo tại cửa Lạch Tray 52

Hình 3.6. Biến trình mực nước thực đo tại cửa Văn Úc 53
Hình 3.7. Biến trình mực nước thực đo tại cửa Thái Bình 53
Hình 3.8. Biến trình mực nước thực đo tại cửa Trà Lý 53
Hình 3.9. Biến trình mực nước thự
c đo tại cửa Ba Lạt 54
Hình 3.10. Biến trình mực nước thực đo tại cửa Ninh Cơ 54
Hình 3.11. Biến trình mực nước thực đo tại cửa Đáy 54
Hình 3.12. Địa hình khu vực nghiên cứu 55
Hình 3.13. Biến trình mực nước triều dự báo tại cửa sông Bạch Đằng 59
Hình 3.14. Biến trình mực nước triều dự báo tại cửa sông Cấm 59
Hình 3.15. Biến trình mực nướ
c triều dự báo tại cửa sông Lạch Tray 60
Hình 3.16. Biến trình mực nước triều dự báo tại cửa sông Văn Úc 60
Hình 3.17. Biến trình mực nước triều dự báo tại cửa sông Thái Bình 60
Hình 3.18. Biến trình mực nước triều dự báo tại cửa sông Trà Lý 61
Hình 3.19. Biến trình mực nước triều dự báo tại cửa Ba Lạt 61
Hình 3.20. Biến trình mực nước triều dự báo tại cửa sông Ninh Cơ 61
Hình 3.21. Biến trình mực nướ
c triều dự báo tại cửa sông Đáy 62
Hình 3.22. Địa hình khu vực Vịnh bắc bộ 64
Hình 3.23. Lưới tính khu vực nghiên cứu 65
Hình 3.24. Trường khí tượng tính toán đưa vào mô hình MIKE 21 66
Hình 3.25. Bản đồ phân bố hệ số nhám của mô hình MIKE 21 FM 67
Hình 3.26. Trường mực nước và dòng chảy tại một số thời điểm hiệu chỉnh 68
Hình 3.27. Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại cửa Bạch Đằng 72
Hình 3.28. Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại Cửa Cấm 72
Hình 3.29. Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại Cửa Lạch Tray 72
Hình 3.30. Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại Cửa Văn Úc 73

5

Hình 3.31 Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại Cửa Thái Bình 73
Hình 3.32. Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại Cửa Trà Lý 73
Hình 3.33 Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại Cửa Ba Lạt 74
Hình 3.34. Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại Cửa Ninh Cơ 74
Hình 3.35. Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại Cửa Đáy 74
Hình 3.36. Kết quả kiểm nghiệm mô hình tại cửa Bạch Đằng 78
Hình 3.37. Kết quả kiểm nghiệm mô hình tại Cửa Cấm 78
Hình 3.38. Kết quả kiểm nghiệm mô hình tại Cửa Lạch Tray 78
Hình 3.39. Kết quả kiểm nghiệm mô hình tại cửa Văn Úc 79
Hình 3.40. Kết quả kiểm nghiệm mô hình tại Cửa Thái Bình 79
Hình 3.41. Kết quả kiểm nghiệm mô hình tại Cửa Trà Lý 79
Hình 3.42. Kết quả kiểm nghiệm mô hình tại cửa Ba Lạt 80
Hình 3.43. Kết quả ki
ểm nghiệm mô hình tại Cửa Ninh Cơ 80
Hình 3.44. Kết quả kiểm nghiệm mô hình tại Cửa Đáy 80
Hình 3.45. Trường dòng chảy tại một số thời điểm trong bão Damrey 82
Hình 3.46: Trường mực nước tại một số thời điểm trong bão Damrey 83
Hình 3.47. Mực nước tính toán và thực đo tại Hòn Dáu trong bão Damrey 83
Hình 3.48. Kết quả dự báo mực nước tại cửa Bạch Đằng 84
Hình 3.49. Kết quả dự
báo mực nước tại Cửa Cấm 84
Hình 3.50. Kết quả dự báo mực nước tại Cửa Lạy Tray 85
Hình 3.51. Kết quả dự báo mực nước tại Cửa Văn Úc 85
Hình 3.52. Kết quả dự báo mực nước tại Cửa Thái Bình 85
Hình 3.53. Kết quả dự báo mực nước tại Cửa Trà Lý 86
Hình 3.54. Kết quả dự báo mực nước tại Cửa Ba Lạ
t 86
Hình 3.55. Kết quả dự báo mực nước tại Cửa Ninh Cơ 86
Hình 3.56. Kết quả dự báo mực nước tại Cửa Đáy 87

6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ANN: phương pháp mạng thần kinh nhân tạo
MIKE: Mô hình của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI)
SMS: mô hình của Hải quân Hoa Kỳ
DELFT: mô hình của Học viện DELFT, Hà Lan
POM: mô hình mã nguồn mở được viết trên ngôn ngữ Fortran của Hoa Kỳ
ROM: mô hình của Anh


7
TÓM TẮT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI
a. Tiếng Việt
Nghiên cứu, tính toán và dự báo mực nước triều tại các cửa sông rất quan
trọng và cần thiết, nó có quy mô to lớn ảnh hưởng một cách trực quan tới nhiều
hoạt động kinh tế kỹ thuật của con người, trước hết là các ngành vận tải biển,
xây dựng công trình trên biển và ven bờ, công trình bảo vệ bờ, hệ thống tưới tiêu
nông nghiệp vùng ven b
ờ, cấp thoát nước thành phố ven biển, công tác phòng
chống thiên tai liên quan đến bão, lũ và nước dâng trong bão ở những vùng ven
bờ biển và đặc biệt, nó cũng mang yếu tố quyết định đến sinh hoạt và sản xuất
của nhân dân và doanh nghiệp sinh sống và hoạt động ven biển.
Đề tài: “Nghiên cứu phương pháp dự báo biên triều cho các cửa sông”

được thực hiện trong 2 năm từ 2010 đến 2011 với mục tiêu nhằm: “Xây dựng
được bộ hằ
ng số điều hòa và ứng dụng mô hình MIKE 21 tính toán, dự báo biên
mực nước cho các cửa sông, nghiên cứu thí điểm cho hệ thống sông Hồng –
Thái Bình”. Để thực hiện được mục tiêu này, đề tài đã tiến hành thực hiện các
nội dung công việc bao gồm: 1) Thu thập các tài liệu liên quan đến nghiên cứu
phương pháp dự báo mực nước tại các cửa sông; 2) Thu thập các số liệu địa hình
đáy biển và các số liệu hải văn ph
ục vụ nghiên cứu phương pháp dự báo mực
nước triều; 3) Đo đạc, khảo sát bổ sung số liệu mực nước tại các cửa sông,; 4)
Nghiên cứu, xây dựng và ứng dụng mô hình phân tích điều hòa từ chuỗi số liệu
mực nước, dự báo mực nước từ hằng số điều hòa; 5) Nghiên cứu, ứng dụng mô
hình số trị 2 chiều mô phỏng và dự báo mực nước tạ
i các vùng cửa sông; 6)
Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng, thủy hải văn đến dao động mực
nước khu vực cửa sông; 7) Triển khai dự báo mực nước triều tại khu vực cửa
sông, đánh giá độ chính xác của các kết quả dự báo.
Kết quả của đề tài đã góp phần bổ sung thêm nguồn dữ liệu, số liệu và
phương pháp dự báo hiện đại, khách quan và sẽ
góp phần dự báo chính xác hơn
mực nước triều, trong đó có phục vụ cho dự báo nghiệp vụ lũ trên hệ thống sông
Hồng – Thái Bình. Việc áp dụng nghiên cứu này sẽ giúp tăng độ chính xác của
kết quả dự báo, kéo dài hơn thời gian dự báo trong một số trường hợp và giúp
quá trình tác nghiệp được nhanh chóng hơn. Dự báo tốt các hiện tượng thời tiết
nguy hiểm, trong đó có mực nước triều, đặ
c biệt trong những thời kỳ có bão, gió
mùa sẽ góp phần hạn chế những thiệt hại do bão, nước dâng do bão gây ra, phục
vụ cho công tác phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai ở nước ta. Các kết quả chủ
yếu của đề tài là: 1) Đã thực hiện thành công chuyến khảo sát, thu được chuỗi số

8
liệu mực nước cho các cửa sông, thu thập các số liệu địa hình, số liệu khí tượng
thủy văn có chất lượng, độ tin cậy cao; 2) Đã ứng dụng phương pháp phân tích
điều hòa thủy triều để xây dựng bộ hằng số điều hòa thủy triều cho 9 cửa sông
và dự báo mực nước triều cho 9 cửa sông thuộc đồng bằng sông Hồng – Thái
Bình từ bộ hằng số
điều hòa này; 3) Đã đề xuất và ứng dụng thành công bộ mô
hình số trị với mô hình MM5 dự báo và tính toán trường khí tượng và bộ mô
hình MIKE 21FM tính toán thủy động lực cho kết quả hiệu chỉnh và kiểm
nghiệm có độ tin cậy cao. Các kết quả dự báo từ mô hình và từ phân tích điều
hòa cho thấy sự tương đồng cao; 4) Đã thử nghiệm ứng dụng kết quả dự báo
biên triều trong công tác dự báo mự
c nước tác nghiệp tại Viện Khoa học Khí
tượng Thủy văn và Môi trường và bước đầu đã cho kết quả khả quan.
Bên cạnh những kết quả đã đạt được, đề tài cũng kiến nghị một số vấn đề
trong các nghiên cứu tiếp theo như: 1) Cần nghiên cứu, thực hiện cho các cửa
sông khác; 2) Cần kết nối bộ mô hình số trị MIKE 21FM với bộ mô hình MIKE
11 trong dự báo lũ
cho hệ thống sông Hồng Thái Bình; 3) Cần đánh giá sự biến
động mực nước do nước dâng do sóng, đặc biệt cho các điểm sát ven bờ.
b. Tiếng Anh
Project: "Study on forecasting method for water level in tidal esturies"
was executed from 2010 to 2011 with the goal to: "Develop a set of tidal
harmonic constants and application of MIKE 21 model to forecasting for water
level in tidal esturies, a pilot study for estuaries of Red - Thai Binh river
system".
The main results of the research are: 1) Have successfully implemented
survey, obtained observation data for the water level at estuaries, collect
topographic data, meteorological data quality, 2) Have successfully applied tidal
harmonic analysis method and predicted tides for the estuaries; 3) Have been

proposed and successfully applied the models to simulate and forecast water
level; 4) Have applied to test the project results at Institute of Meteorology,
Hydrology and Environment in forecast for the water level at Hong – Thai Binh
river system.





9
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề
Trong vài thập kỷ gần đây, thiên tai đã và đang xảy ra ở nhiều nơi trên thế
giới với mức độ ngày càng trầm trọng, gây nhiều hậu quả nghiêm trọng đối với
cuộc sống của người dân và nền kinh tế xã hội. Ở nước ta, trong những năm qua,
thiên tai cũng đ
ã xảy ra ở khắp các khu vực trên cả nước, gây ra nhiều tổn thất to
lớn về người, tài sản, các cơ sở hạ tầng về kinh tế, văn hoá, xã hội, tác động xấu
đến môi trường. Công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai luôn được coi là
một công việc quan trọng, yêu cầu về các biện pháp giảm nhẹ đối với mọi loại
nguy cơ thiên tai ngày càng tăng. Các tiến bộ về khoa học kỹ thuậ
t và sự hợp tác
quốc tế trên lĩnh vực thiên tai được đẩy mạnh, năng lực quản lý và điều hành của
bộ máy Nhà nước đối với công tác phòng, chống và giảm nhẹ thiên tai cần phải
trở nên chuyên nghiệp và phản ứng kịp thời hơn. Xuất phát từ những yêu cầu
trên, Chính phủ Việt Nam đã ban hành "Chiến lược Quốc gia về phòng, chống
và giảm nhẹ thiên tai đến năm 2020" vớ
i các hành động cụ thể bởi sự kết hợp
hài hòa giữa các giải pháp phi công trình và giải pháp công trình làm cơ sở cho

việc chỉ đạo và thống nhất hành động một cách nhất quán và mạnh mẽ ở tất cả
các cấp và cộng đồng. Trong Chiến lược Quốc gia đã nêu rõ: Mục tiêu cụ thể là:
“Nâng cao năng lực dự báo bão, lũ, hạn hán, xâm nhập mặn, báo tin động đất,
cảnh báo sóng thần và các hiện tượ
ng khí tượng, thuỷ văn nguy hiểm.” Trong kế
hoạch hành động đến năm 2020, Chiến lược Quốc gia đã đề xuất chương trình:
“Nâng cao năng lực dự báo, cảnh báo, trong đó, đối với sông Hồng - Thái Bình,
cần phải “Tăng cường năng lực dự báo, cảnh báo lũ cho đồng bằng sông Hồng”.
Việc dự báo chính xác điều kiện biên, bao gồm biên thượng lưu đến biên
mực nước d
ưới hạ lưu, đều rất quan trọng trong việc dự báo mực nước và lưu
lượng trên hệ thống sông. Việc dự báo mực nước tại các cửa sông rất quan
trọng, ngoài việc phục vụ trực tiếp việc bảo vệ các công trình liên quan ngay tại
các cửa sông như giao thông đường thủy (luồng lạch tàu thuyền), kinh tế (lấy
nước nuôi trồng thủy hải sản, canh tác nông nghiệp, lấy nước làm muố
i), cần
thiết cho thiết kế các công trình vùng cửa sông. Trong dự báo mực nước tại cửa
sông, nếu chúng ta chỉ quan tâm đến dao động mực nước có tính tuần hoàn (thủy
triều) thì thời gian dự báo có thể rất dài và độ chính xác cũng cao. Tuy vậy, đối
với việc dự báo biên mực nước ở hạ lưu nếu quan tâm đến các yếu tố không tuần
hoàn (như ảnh hưởng của gió, áp suất, tương tác sông – biển) thì việ
c dự báo trở
lên phức tạp hơn và thời gian dự báo cũng ngắn hơn rất nhiều do phụ thuộc vào

10
yếu tố dự báo khí tượng và tính phức tạp của quá trình thủy động lực và tương
tác biển – khí quyển.
Khu vực nghiên cứu là khu vực nằm ở hạ lưu gần sát biển của hệ thống
sông Hồng-Thái Bình được hình thành bởi hai hệ thống sông: sông Hồng và
sông Thái Bình. Sông Hồng khi chảy vào vùng đồng bằng châu thổ phân thành

nhiều phân lưu. Bên phía bờ tả có ba phân lưu là sông Đuống, sông Luộc và
sông Trà Lý; bên phía bờ hữu có sông
Đào - Nam Định và sông Ninh Cơ. Sông
Đáy trước đây là phân lưu của sông Hồng ở bên bờ hữu. Đồng bằng được bồi
đắp từ hệ thống sông Hồng - Thái Bình là vựa lúa lớn thứ hai và là khu vực kinh
tế, chính trị, văn hoá có tầm quan trọng đặc biệt của cả nước.
Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu, tính toán và dự báo mực nước. Tuy vậy,
biên mực nước phía dưới hoặc sử d
ụng hằng số điều hòa tại chính các trạm thủy
văn ở cửa sông để dự báo mực nước, hoặc được tính từ phương trình tương quan
giữa mực nước tại các trạm thủy văn với mực nước tại trạm hải văn cơ bản. Các
phương pháp này chứa đựng nhiều sai số, đặc biệt trong các thời kỳ mà ảnh
hưởng của triề
u là nhỏ như trong thời kỳ mùa lũ hoặc có nhiều nhiễu động mực
nước do các yếu tố phi tuần hoàn như gió mùa, bão, áp suất… Vào thời kỳ gió
mùa phát triển mạnh hay trong bão, dao động mực nước tại các khu vực cửa
sông có thể biến động rất mạnh do sự dâng của mực nước do gió, bão. Các
nghiên cứu chỉ ra rằng, trong gió mùa mực nước có thể tăng đến gần 1m, trong
khi trong bão có thể tăng lên đến 4 m trong khu vự
c ven biển đồng bằng sông
Hồng, điều này có thể gây ra những sai số đáng kể trong dự báo biên mực nước
tại cửa sông.
Đối với phương pháp sử dụng các mô hình 2-3 chiều để mô phỏng, dự
báo mực nước, các nghiên cứu theo hướng này cũng rất đa dạng. Tuy vậy, các
nghiên cứu này chủ yếu để dự báo mực nước ven biển do bước lưới tính toán là
thô, tại khu vực cửa sông, n
ơi địa hình phức tạp và đương bờ bị chia cắt mạnh
thì không dự báo được. Do vậy, một bộ công cụ để dự báo mực nước cho các
cửa sông, đặc biệt cho khu vực sông Hồng có độ chính xác cao, sử dụng thuận
tiện và đa mục đích, không chỉ cho dự báo lũ, dự báo mặn mà còn cho các mục

đích kinh tế khác thì chưa có.
Như vậy, việc dự báo biên mực nước tại các cử
a sông là rất quan trọng.
Việc xây dựng một bộ công cụ hoàn chỉnh có thể dự báo mực nước tại các cửa
sông một cách nhanh chóng, thuận tiện và có thể dự báo tốt trong cả trường hợp
các dao động mực nước tuần hoàn và phi tuần hoàn là rất cần thiết, góp phần

11
làm nâng cao năng lực dự báo khí tượng thủy văn nói riêng và phục vụ nền kinh
tế, an ninh quốc phòng nói chung.
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Mực nước ven biển là vấn đề rất quan trọng trong công tác tính toán và dự
tính để phục vụ cho mục đích giao thông vận tải, thiết kế xây dựng công trình
ven biển và an ninh quốc phòng. Tại các nước phát triển như Nhật, Mỹ, Anh
đã có một hệ th
ống các trạm mực nước ven bờ biển hiện đại, đo đạc nhiều năm
và mật độ trạm đủ dày để tính toán các đặc trưng mực nước bằng phương pháp
thống kê cho toàn bộ dải ven biển với độ chính xác rất cao, phục vụ cho các
ngành kinh tế quốc dân.
Nghiên cứu, tính toán và dự báo mực nước triều tại các cửa sông rất quan
trọng và cần thiết, nó có quy mô to lớn ảnh hưởng m
ột cách trực quan tới nhiều
hoạt động kinh tế kỹ thuật của con người, trước hết là các ngành vận tải biển,
xây dựng công trình trên biển và ven bờ, công trình bảo vệ bờ, hệ thống tưới tiêu
nông nghiệp vùng ven bờ, cấp thoát nước thành phố ven biển, công tác phòng
chống thiên tai liên quan đến bão, lũ và nước dâng trong bão ở những vùng ven
bờ biển và đặc biệt, nó cũng mang yếu tố quyết định đến sinh hoạt và s
ản xuất
của nhân dân và doanh nghiệp sinh sống và hoạt động ven biển.

Biến thiên mực nước trong vùng cửa sông ven biển xảy ra dưới tác động
của những nhân tố chủ yếu sau: các lực tạo triều, dòng chảy sông, bốc hơi, mưa,
áp suất khí quyển và gió, bên cạnh đó, những nhân tố như địa hình đáy biển,
hình dạng của đường bờ, cửa sông cũng quyết định sự biến thiên m
ực nước. Dựa
vào yếu tố tạo lực, người ta chia dao động mực nước thành 2 dạng, tuần hoàn và
không tuần hoàn. Trong tự nhiên, hệ thống chuyển động phức tạp của các khối
nước thường do kết quả tác động của tất cả những yếu tố đó. Các dao động tuần
hoàn (thủy triều) đã được nghiên cứu khá kỹ và việc dự báo chúng quy về việc
lập các b
ảng thuỷ triều. Bên cạnh đó, với sự phát triển của khoa học máy tính,
nhiều mô hình thủy động số trị giải bài toán tính và dự báo mực nước tổng cộng
do thủy triều kết hợp với các nhiễu động khác, trong đó có nước dâng trong gió
mạnh và trong bão đã được xây dựng và triển khai và kết quả thử nghiệm tỏ ra
rất hiệu quả.
Như đã nêu ở trên, dự báo số tr
ị là một công cụ hữu ích trong công tác
nghiệp vụ dự báo thủy văn, trong đó có dự báo mực nước tại các khu vực cửa
sông. Những thành tựu trong khoa học - công nghệ - thông tin và những mô hình

12
số trị đã góp phần nâng cao chất lượng dự báo mực nước triều nói riêng và thủy
văn nối chung trong vài thập kỷ trở lại đây. Tuy nhiên, do bản chất ngẫu nhiên
cũng như tính phi tuyến trong bài toán dự báo mực nước, các kết quả dự báo từ
mô hình số trị vẫn chứa những sai số nhất định. Một trong những khó khăn và là
nguyên nhân gây ra những sai số dự báo của các mô hình số tr
ị trong dự báo
mực nước tại khu vực cửa sông ven biển là do ảnh hưởng tương tác sông biển và
ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng, vốn rất mạnh mẽ tại khu vực cửa sông.
Đối với vùng cửa sông, ngoài ảnh hưởng của yếu tố thủy động lực của

sông còn chịu ảnh hưởng của các quá trình thủy động lực từ ngoài khơi truyền
vào. Quá trình này ảnh hưở
ng trực tiếp tới quá trình diễn biến mực nước trong
vùng cửa sông. Trước đây, dự báo mực nước tại khu vực ven biển đơn thuần chỉ
là dự báo thủy triều tại khu vực đó mà chưa tính đến các tác động khác. Từ năm
1892, Darwin đã dựa vào lý thuyết cân bằng các lực tạo thủy triều cổ điển để dự
báo mực nước ngoài biển khơi. Sau đó, Doodson (1958) s
ử dụng phương pháp
bình phương tối thiểu để xác định hằng số điều hòa thủy triều. Đây cũng là
phương pháp dự báo thủy triều thường được sử dụng trong thời gian trước đây.
[1] (Estuary and coastline hydrodynamic). Độ chính xác của phương pháp này,
hoàn toàn phụ thuộc vào chuỗi số liệu quan trắc mực nước thực tế mà từ đó để
phân tích, đưa ra các hằng số điều hòa (T.L. Leea, D.S. Jengb).
Điều này tương
đối dễ dàng với các trạm hải văn có chuỗi số liệu quan trắc đủ dài để phản ánh
đầy đủ chu kỳ thiên văn, nhưng lại rất khó khăn cho những khu vực, vị trí không
có số liệu hoặc số liệu quan trắc trong thời gian ngắn. Có thể coi đây là một hạn
chế của phương pháp này. Năm1996, Yen và cộng sự áp dụng phương pháp lọc
Kalman để xác
định các hằng số điều hòa thủy triều trong các trường hợp có
chuỗi số liệu thực đo ngắn và thiếu. Tuy nhiên, phương pháp này cũng chỉ áp
dụng tốt trong những trường hợp dự báo thời gian ngắn.
Gần đây, phương pháp mạng thần kinh nhân tạo (artificial neural network
- ANN) được sử dụng rộng rãi trong dự báo các yếu tố khí tượng thủy văn, trong
đó có dự báo triều (French và cộng sự
, 1992, Campolo và cộng sự, 1997, Zhang
và Stanley, 1997, Dibike và cộng sự, 1999; Maie và Dandy, 1996,1999, 2002,
Tsai and Lee, 1999) và gần đây nhất là nghiên cứu của T.L. Leea và D.S. Jeng,
2002). Các nghiên cứu này đã cho các kết quả tương đối tốt, đặc biệt trong
nghiên cứu của T.L. Leea và D.S. Jeng, khi có thể dự báo mực nước triều trong

vòng 15 ngày nếu có 1 ngày thực đo số liệu và có thể dự báo trong vòng 3 tháng
đến 1 năm nếu có 1 tháng số liệu thực đo. Ưu điểm của phương pháp ANN là có
các thuật toán đơn giả
n, không cần giải các phương trình vi phân và có thể dự

13
báo trong những trường hợp số liệu chứa nhiễu. Nhược điểm của nó là yêu cầu
số lượng phải đầy đủ và khó lựa chọn một mạng ANN thích hợp.
Bên cạnh việc sử dụng phương pháp thống kê toán học, một phương pháp
khác để dự báo mực nước là sử dụng phương trình tương quan. Thông thường,
người ta xây dựng tương quan bằng cách dựng và phân tích các đồ thị d
ựa trên
chuỗi số liệu quan trắc giữa mực nước tại vị trí cần dự báo (đo đạc trong thời
gian ngắn) và chuỗi số liệu mực nước tại trạm hải văn cơ bản. Mực nước tại vị
trí cần dự báo sẽ được tính theo phương trình tương quan từ mực nước tại trạm
hải văn cơ bản (thường là từ hằ
ng số điều hòa). Những biểu thức liên hệ nhận
được sẽ được biểu thị dưới dạng những phương trình tương ứng. Tuy nhiên, khi
xây dựng các phương trình tương quan thì độ dài chuỗi quan trắc có ý nghĩa rất
quan trọng. Trong thống kê toán học đã xác nhận rằng khi tìm mối liên hệ giữa
hai biến thì độ dài chuỗi quan trắc cần phải chứa không ít hơn 100 quan trắc [1]
(dự báo thủy văn bi
ển). Dĩ nhiên những mối liên hệ được xây dựng theo những
chuỗi quan trắc ngắn sẽ kém tin cậy hơn so với những chuỗi dài. Ưu điểm của
phương pháp này là đơn giản và dễ dự báo. Tuy nhiên, nhược điểm của phương
pháp này là không phải ở khu vực cần dự báo mực nước nào cũng có các trạm
hải văn cơ bản hoặc có chuỗi số liệu quan trắ
c đủ dài và nó cũng bao gồm nhược
điểm của cả phương pháp dự báo sử dụng hằng số điều hòa.
Cùng với sự phát triển của khoa học - công nghệ, các phương pháp số trị

mô phỏng quá trình lan truyền và dự báo thủy triều dần được sử dụng. Ban đầu
là các nghiên cứu mô phỏng thủy triều dựa vào các phương trình thủy động lực
học 2 chiều mô phỏng hiện t
ượng thủy triều trong vùng nước sâu (Lamb, 1932;
Proudman, 1952). Sau đó, các nghiên cứu khác dựa vào hệ phương trình nước
nông để mô phỏng các quá trình lan truyền triều vào khu vực ven bờ như
Dronker và cộng sự, 1955; Wunsch, C.H., 1968). Các quá trình vật lý khác ảnh
hưởng đến quá trình lan truyền triều như nhiệt độ, độ mặn, gió, sóng cũng lần
lượt được đưa vào nghiên cứu trong các nghiên cứu của Rinsenberg, S.J.,
Rattray, J.M., 1975; Winant, C.D. và Bratkovich, A.W., 1981; Kato và cộng sự,
1982; Forbed và Groves, 1987…). Các nghiên cứu về thủy triều trong các khu
vực cử
a sông cụ thể cũng được nghiên cứu trong các nghiên cứu của Akanaykae
và cộng sự, 1992; Parish và cộng sự, 1992…). Bên cạnh đó, các nghiên cứu mô
phỏng thủy triều bằng mô hình 3 chiều cũng được nghiên cứu ngày càng nhiều
như (Kowalik, Z., Murty, T.S., 1993; Holloway, P.E., 1996; Cummins và Oey,
1997 ).

14
Trong khu vực biển Đông của nước ta, các nghiên cứu về thủy triều từ các
tác giả nước ngoài cũng rất phong phú. Đầu tiên phải kể đến các nghiên cứu của
Dietrich (1944), Villain (1950), Wyrtki, K., 1961; Defant A., 1961) những công
trình nghiên cứu này mặc dù mới chỉ đưa ra những bức tranh ban đầu về phân bố
thủy triều trong khu vực biển Đông nhưng là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp
theo. Các nghiên cứu của Xu và cộng sự, 1982; Shaw và Chao, 1994; Chu và
c
ộng sự., 1999; Hu và cộng sự., 2000… đã đưa ra các nghiên cứu chi tiết hơn về
chế độ thủy triều của khu vực biển Đông và đã xem xét các ảnh hưởng của các
yếu tố khác như địa hình, yếu tố khí tượng như gió mùa, áp suất khí quyển.
Gần đây, nhiều mô hình số trị được xây dựng có thể mô phỏng và dự báo

thủy triều. Các mô hình thương mại có thể kể đế
n như mô hình MIKE của Viện
Thủy lực Đan Mạch (DHI), mô hình SMS của Hải quân Hoa Kỳ, mô hình
DELFT của Học viện DELFT, Hà Lan, v.v. Bên cạnh các mô hình thương mại,
mô hình mã nguồn mở được viết trên ngôn ngữ Fortran như POM của Hoa Kỳ,
mô hình ROM của Anh, mô hình GHER của Bỉ, v.v.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học về thủy triều trong khu vực nghiên cứu
được bắt đầu từ đầu thế kỷ 20 với các công trình của Darwin (1905), Poincare
(1910) và Ogura (1933). Từ
đó đến nay, việc điều tra nghiên cứu thủy triều Biển
Đông không ngừng phát triển và hoàn thiện. Các kết quả đạt được ngày càng
nâng cao về tính khoa học cũng như tính ứng dụng. Có thể nêu một số công
trình nghiên cứu chính trong những năm gần đây theo các hướng khác nhau như
sau (Chuyên khảo Biển Đông, 2001).
Từ đầu thế kỷ 19 đến nay, nhằm phục vụ cho các mục đích quân sự, giao
thông vậ
n tải, kinh tế, dọc theo ven bờ biển Việt Nam đã có rất nhiều các trạm
nghiệm triều nhằm quan trắc liên tục dao động mực nước biển theo các khoảng
thời gian kéo dài khác nhau, từ vài ngày đến vài tháng hoặc hàng năm và thậm
chí nhiều năm. Các trạm quan trắc dài, thường xuyên là các trạm hải văn cơ bản
quốc gia, các trạm quan trắc ngắn, thường phục vụ cho các mục đích khác nhau
trong các hoạt động kinh tế
, thiết kế xây dựng, hàng hải và an ninh quốc
phòng… Trên cơ sở các chuỗi số liệu mực nước thu được, các nhà khoa học tiến
hành phân tích, tính toán ra các đặc trưng cho chế độ thủy triều như mực nước
trung bình, mực nước cực trị, thời gian triều dâng, thời gian triều rút, các hằng
số điều hòa thủy triều, cho từng trạm đo đạc. Cũng giống như trên thế giới, hệ
thống các hằng số điều hòa thủy triều là cơ sở của các nghiên cứu thủy triều trên

15
vùng biển Việt Nam từ trước đến nay. Một trong những thành quả theo hướng
này là việc Trung tâm Hải văn, Tổng cục Biển và Hải đảo lập và công bố các
bảng thủy triều hàng năm tại các cảng chính dọc ven bờ biển Việt Nam. Các
bảng thủy triều này đã tính toán, phân tích và đưa ra kết quả dự tính mực nước
từng giờ tại các cảng chính và một số giá trị nội suy cho các
điểm phụ ở ven
biển hoặc các cửa sông.
Người Việt Nam đầu tiên có những công bố tương đối toàn diện về vấn đề
thủy triều trong biển Đông là của Nguyễn Ngọc Thụy (1962). Sau này, cùng với
sự phát triển của ngành viễn thám và GIS, các nhà khoa học đã có được những
phương tiện khác để phân tích điều hoà, kết hợp với các tài liệu quan trắc tại các
trạm ven bờ
để hiệu chỉnh đã nhận được các bản đồ phân bố hằng số điều hòa
thủy triều cho toàn biển (Yanagi và các cộng sự, (1997); Chung-Ru Ho và cộng
sự (2000), Xuhua Cheng và Yiquan Qi (2007)).
Những công trình đầu tiên tính toán thủy triều Biển Đông bằng phương
pháp số trị xuất hiện vào những năm 60 của thế kỷ 20. Công trình đầu tiên có thể
kể đến là Sergeev (1964). Ông đã sử dụng phương pháp giá trị biên của Hanxen
để tính toán phân bố biên độ và pha của bốn sóng triều chính trong Biển Đông.
Các công trình tiếp theo cũng theo phương pháp này là của Nguyễn Ngọc Thuỵ
(1969), Đặng Công Minh (1975) với số điểm biên cứng có hằng số điều hòa
nhiều hơn. Phương pháp này đã sử dụng hệ phương trình tuyến tính, với tính
chất dao động thủy triều có chu kỳ đã loại bỏ biến thời gian và đưa hệ phương
trình th
ủy động về dạng elliptic. Bài toán có nghiệm duy nhất khi biết điều kiện
dao động mực nước trên biên bao quanh miền nghiên cứu.
Phương pháp số trị khác để giải bài toán phân bố không gian của thủy
triều là dựa trên hệ phương trình thủy động thủy triều phi tuyến với điều kiện
biên hỗn hợp: cho trước dao động mực nước trên biên lỏng và sử dụng điều kiện

không th
ấm tại biên cứng. Không sử dụng tính chất dao động tuần hoàn để loại
thành phần biến đổi theo thời gian trong hệ phương trình, hệ phương trình được
giữ nguyên để giải ở dạng hyperbolic. Các công trình của các tác giả khác nhau
đã tập trung theo phương pháp này để nghiên cứu thủy triều trong Biển Đông
cũng như trong các vịnh riêng biệt như Vịnh Bắc Bộ, Vịnh Thái Lan. Có thể kể
tên hàng loạt các công trình của các tác giả
là Ye và Robinxon (1983), Li và
Chen (1987), nhóm mô hình triều thuộc đề tài nhà nước KT.03.03 (1991-1995)
(gồm Đỗ Ngọc Quỳnh, Nguyễn Thị Việt Liên, Đặng Công Minh, Nguyễn Hữu
Nhân, Bùi Hồng Long, Lê Trọng Đào, Nguyễn Thọ Sáo), Fang, Kwork, Yu và
Zhu (1999). Ngoài ra còn có thể kể đến những công trình được thực hiện trong

16
khuôn khổ các luận án Tiến sỹ trong và ngoài nước như của Bùi Hồng Long
(1986), Phạm Văn Huấn (1993), Nguyễn Thọ Sáo (1988), Nguyễn Thị Việt Liên
(1997), Đinh Văn Mạnh (2000). Các tác giả đã nghiên cứu các bài toán truyền
sóng tự do, truyền sóng dao động có chu kỳ triều qua các biên lỏng, các chu kỳ
dao động riêng trong toàn biển, đánh giá tác động trực tiếp của lực gây triều
trong phạm vi biển. Có thể kể tên một số tác giả củ
a những nghiên cứu này là
Đỗ Ngọc Quỳnh (1983, 1991), Phạm Văn Huấn (1987), Phạm Văn Ninh và Trần
Thị Ngọc Duyệt (1997), Đỗ Ngọc Quỳnh, Phạm Văn Ninh, Nguyễn Thị Việt
Liên và Trần Thị Ngọc Duyệt (1998) (Chuyên khảo Biển Đông, 2001). Các
nghiên cứu của các tác giả này có thể tính toán và dự báo mực nước triều trên
biển Đông với độ chính xác tương đối cao. Tuy vậy, đối với bài toán dự báo
mự
c nước cho khu vực cửa sông, nơi có địa hình phức tạp và chịu ảnh hưởng
của nhiều yếu tố thủy động lực khác thì chưa được nghiên cứu.
Các nghiên cứu về dao động mực nước có tính đến ảnh hưởng của yếu tố

khí tượng cũng đã được nhiều tác giả quan tâm. Các tác giả nghiên cứu về nước
dâng do bão có thể kể đến là Lê Phước Trình và Trần Kỳ (1971), Nguyễn V
ăn
Cư (1979), Vũ Như Hoán (1988), Đỗ Ngọc Quỳnh, Phạm Văn Ninh (1999), Lê
Trọng Đào (1989). Các nghiên cứu gần đây về nước dâng do bão có thể kể đến
như Trần Hồng Lam và cộng sự (2005), Vũ Thanh Ca và cộng sự (2008). Các
tác giả trên đã sử dụng các phương pháp thống kê, phương pháp đưa ra toán đồ
trên cơ sở các cơn bão chuẩn và phương pháp mô hình số trị thủy động lực 2
chiều để
tính toán. Các kết quả nghiên cứu về nước dâng do bão trên đây đã đạt
được độ chính xác nhất định. Tuy nhiên, các phương pháp này thường sử dụng
lưới tính trực giao nên không tính được cho các khu vực có đường bờ chia cắt
phức tạp như khu vực cửa sông. Các nghiên cứu này tính cho toàn khu vực biển
Việt Nam hoặc cho riêng một cơn bão cụ thể, không phải xây dựng mô hình để
dự báo mực nước cho khu vực cửa sông.
Trong nghiên cứu của Nguyễ
n Hữu Nhân, mô hình HydroGis được xây
dựng và sử dụng trong dự báo lũ lụt trên các hệ thống sông. Mô hình này có khả
năng mô phỏng, dự báo lũ, ngập lụt và khuếch tán trong sông trên cơ sở giải các
hệ phương trình thủy động lực 1 chiều và ứng dụng GIS. Các kết quả của nghiên
cứu có nhiều mặt tích cực như tự xây dựng thành công một phần mềm có khả
năng dự báo lũ, giao diện đẹ
p. Tuy vậy, đây là mô hình 1 chiều lên kết quả mô
phỏng các chế độ thủy lực ở cửa sông và đặc biệt là dự báo mực nước tại cửa
sông vẫn phải dựa vào các số liệu mực nước triều được tính toán và dẫn xuất từ
mô hình 2 chiều hoặc từ phân tích điều hòa. Bên cạnh đó, các kết quả về mặt

17
hiệu chỉnh và kiểm nghiệm của mô hình còn hạn chế do chưa thể hiện được trên
đồ thị đồng thời cả quá trình mô phỏng và thực đo tại các trạm hiệu chỉnh và

kiểm nghiệm (Nguyễn Hữu Nhân, Lương Tuấn Anh, 2003) dẫn tới việc dự báo
sẽ có sai số.
Nghiên cứu của các tác giả Lê Trọng Đào và Nguyễn Bá Thủy (2001),
Trần Tân Tiến (2004), Trần Hồng Lam, Nguyễn Tài H
ợi, Nguyễn Bá Thủy
(2006) cũng được đánh giá cao trong việc sử dụng mô hình DELTS 3D và mô
hình để tính toán và dự báo dao động mực nước và nước dâng trong bão trong
thời gian gần đây. Tuy vậy, các lưới tính cuả các nghiên cứu này là lưới tính trực
giao với lưới khá thô (800 m đến 2500 m) và chưa xét đến quá trình tương tác
sông biển. Do đó là vùng cửa sông có địa hình phức tạp và đường bờ chia cắt
mạnh lên lưới tính trực giao không mô tả được lưới chi tiết cho vùng cửa sông
nên khi s
ử dụng làm để dự báo mực nước vùng cửa sông còn hạn chế nhất định.
Việc nghiên cứu lan truyền của triều vào cửa sông ở nước ta cũng đã được
nghiên cứu. Năm 1990, Nguyễn Sinh Huy nghiên cứu sự truyền triều trong hệ
thống sông rạch kênh mương vùng đồng bằng sông Cửu Long và lợi dụng thủy
triều trong cấp nước phục vụ nông nghiệp. Các nghiên cứu của Đỗ Ngọ
c Quỳnh
(2005) trong việc dự báo mực nước cho khu vực cửa sông bằng mô hình TIDE-
2D hiện đang được sử dụng làm biên mực nước triều cho một số mô hình dự báo
lũ. Gần đây, Nguyễn Xuân Hiển và các cộng sự (2009) đã đưa ra một phương
pháp sử dụng kết hợp giữa mô hình lan truyền triều 2 chiều ngoài khơi với mô
hình thủy lực 1 chiều trong sông để dự báo mực nước và độ
mặn tại các trạm
thủy văn cửa sông và cho kết quả rất tích cực. Mặc dù nghiên cứu này tập trung
cho vị trí tại cửa Ba Lạt thuộc sông Hồng, nhưng kết quả nghiên cứu cho thấy
hoàn toàn có thể sử dụng phương pháp này cho các sông khác. Nhằm mục đích
nghiên cứu và thử nghiệm, chúng tôi tiến hành thử nghiệm cho khu vực các cửa
sông từ Hải Phòng đến Ninh Bình.
Từ nhiều năm nay, dọc theo ven bờ bi

ển Việt Nam đã thiết lập một hệ
thống các trạm quan trắc mực nước nhằm đo đạc liên tục dao động mực nước
biển theo các khoảng thời gian kéo dài khác nhau, từ hàng tháng đến hàng năm
và thậm chí nhiều năm. Trên cơ sở các chuỗi số liệu này đã tiến hành tính toán,
phân tích ra các tham số đặc trưng cho chế độ thủy triều như mực nước trung
bình, mực nước cực tr
ị, thời gian triều dâng, thời gian triều rút, các hằng số điều
hòa thủy triều, cho từng trạm. Hệ thống các hằng số điều hòa thủy triều dọc
ven bờ và đảo là cơ sở cho các nghiên cứu thủy triều bằng các phương pháp từ
đơn giản lúc ban đầu đến hiện đại ngày nay [2, 8,10] .

18
Một trong những thành quả theo hướng này là việc lập ra các bảng thủy
triều hàng năm cho các cảng chính dọc ven bờ. Trong bảng đã đưa ra kết quả dự
tính mực nước từng giờ tại các cảng chính và một số giá trị nội suy cho các điểm
phụ ở ven biển hoặc vùng hạ lưu các sông. Bảng thủy triều này được Trung tâm
Hải văn (trước đây là Trung tâm Khí tượng Thủy v
ăn Biển) xuất bản hàng năm
và đã phục vụ rất tốt cho các chương trình nghiên cứu khoa học cũng như yêu
cầu thực tiễn của các ngành kinh tế, an ninh và quốc phòng trên biển.
1.2.3. Tổng quan về khu vực nghiên cứu
1.2.3.1. Đặc điểm chung
Khu vực nghiên cứu là các cửa sông ven biển Vịnh Bắc Bộ thuộc hệ
thống sông Hồng – Thái Bình. Hệ thống sông Hồng - Thái Bình là hệ thống
sông lớn nhất mi
ền Bắc nước ta, chỉ sau sông Mê Kông trên phạm vi toàn quốc.
Đây là hệ thống sông liên quốc gia, phần thượng nguồn dòng chính sông Thao
và một số nhánh chính (sông Đà, sông Lô) nằm trên địa phận tỉnh Vân Nam,
Trung Quốc. Ngoài ra, thượng nguồn sông Nậm Mức, 1 nhánh của sông Đà, bắt
nguồn trên địa phận nước Lào. Đây là khu vực có địa hình đa dạng và phức tạp

bao gồm đồi, núi, đồng bằng, bờ biển và thềm lục địa, có lị
ch sử phát triển địa
hình và địa chất lâu dài, phong hóa mạnh mẽ. Bề mặt thấp dần, theo hướng Tây
Bắc - Đông Nam, được thể hiện thông qua hướng chảy của các dòng sông lớn.
Vùng đồng bằng sông Hồng được giới hạn từ 20
0
đến 21
0
30’ vĩ độ Bắc, từ
105
0
30’ đến 107
0
30’ kinh Đông, gồm trọn vẹn lãnh thổ của các tỉnh Vĩnh Phúc,
Bắc Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Thái Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình
và Thành phố Hà Nội, Thành phố Hải Phòng và một phần lãnh thổ của các tỉnh
Phú Thọ, Thái Nguyên, Bắc Giang, Quảng Ninh. Phần hạ lưu sông Hồng có một
số phân lưu đưa nước sông Hồng chảy sang hạ lưu sông Thái Bình tạo thành
vùng châu thổ sông Hồng - Thái Bình. Dòng chính sông Hồng – Thái Bình và
các phân lưu của chúng chảy ra Vịnh Bắ
c Bộ qua các cửa: Bạch Đằng, Cửa
Cấm, Cửa Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình (hệ thống sông Thái Bình), Diêm Hộ,
Trà Lý, Ba Lạt, Ninh Cơ, Đáy (hệ thống sông Hồng). Nhìn chung, vùng đồng
bằng sông Hồng – Thái Bình có địa hình khá bằng phẳng, độ dốc nhỏ nhưng
không đều, được bồi đắp phù sa của hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình là
kết quả của quá trình hoạt động kiến tạo với quá trình biển lùi, để lại đồ
ng bằng
phì nhiêu với các thành tạo phù sa. Địa hình nghiêng về biển theo hướng Tây
Bắc – Đông Nam. Mạng lưới sông ngòi, kênh rạch ở ở đồng bằng bao gồm các
chi lưu, phân lưu của sông Hồng và sông Thái Bình đã phân chia đồng bằng

19
thành những ô trũng và sau khi có đê bao bọc thì hầu như các ô này không được
bồi đắp để san bằng sự chênh lệch về độ cao giữa các nơi nữa. Phù sa được tải ra
biển và bồi đắp bờ biển tạo điều kiện cho đồng bằng lấn ra vịnh Bắc Bộ. Khu
vực cửa sông, ven biển hệ thống sông Hồng thuộc địa bàn các tỉnh Quảng Ninh,
Thành phố Hải Phòng, Thái Bình, Nam
Định và Ninh Bình (hình 1.1).


Hình 1.1 Sơ đồ khu vực nghiên cứu

Bờ biển khu vực nghiên cứu được bao bọc bởi các đảo và quần đảo lớn
nhỏ. Tại Vịnh Bắc Bộ tập trung một quần thể gần 3.000 hòn đảo nằm trong các
khu vực biển Vịnh Hạ Long, Bái Tử Long, Cát Hải, Cát Bà, Bạch Long Vĩ. Và
nhiều bờ biển đẹp như bờ biển Trà Cổ, Bãi Cháy, Tuần Châu và Vân Đồn thuộc
tỉnh Qu
ảng Ninh; Cát Bà, Đồ Sơn thuộc thành phố Hải Phòng; Đồng Châu thuộc
tỉnh Thái Bình; Hải Định, Quất Lâm thuộc tỉnh Nam Định.
1.2.3.2. Đặc điểm khí hậu, khí tượng, thủy văn, hải văn
a. Chế độ bức xạ, nắng
Tổng lượng bức xạ tổng cộng trung bình năm dao động trong khoảng 86,0
đến -130kcal/cm2. Hai tháng V - VI có lượng bức xạ tổng cộng khá lớn, đạt đến
15,2kcal/cm
2
/tháng.

20
Số giờ nắng trung bình hàng năm biến đổi trong phạm vi từ dưới 1600 giờ
đến 2000 giờ. Số giờ nắng thường cao vào các tháng mùa hè thu (từ tháng V đến

tháng X), trên dưới 200 giờ mỗi tháng, các tháng mùa đông số giờ nắng ít hơn,
nhất là các tháng I - III.
b. Chế độ nhiệt
Khu vực này nằm ở phía nam nội chí tuyến nên chịu ảnh hưởng của gió
mùa cực đới Châu Á, đồng thời lại nằm sát bờ biể
n Thái Bình Dương, chịu ảnh
hưởng thường xuyên của khí hậu biển, nên có nền nhiệt cao, nhưng vào mùa
Đông lại lạnh hơn so với các vùng nhiệt đới khác. Do chịu ảnh hưởng nhiều của
gió mùa Đông Bắc trong mùa đông và gió mùa Tây Nam trong mùa hạ nên thời
gian ấm nóng kéo dài từ tháng III - IX với nhiệt độ trung bình tháng trên 20
o
C ,
tháng V đến tháng IX có nhiệt độ trung bình cao hơn 25
o
C (Bảng 1.1).
Bảng 1.1. Nhiệt độ trung bình (
o
C) tại một số trạm
Tháng
Trạm
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Năm
Thái Bình 16,3 16,8 19,5 23,0 26,9 28,3 29,2 28,5 27,1 24,5 21,4 18,0 23.3
Nam Định 16,2 16,9 19,5 23,4 27,2 28,8 29,3 28,5 27,5 24,7 21,3 18,0 23.4
Cô Tô 15.2 15.2 18.0 22.0 26.1 28.0 28.6 28.2 27.1 25.0 21.4 17.5 22.7
B. Long Vỹ 17.2 16.8 18.9 22.4 26.2 28.1 28.8 28.4 27.4 25.3 22.4 19.1 23.4
Hòn Dáu 17.1 17.1 19.3 22.9 27.0 28.6 29.1 28.5 27.6 25.5 22.4 19.0 23.7
Hòn Ngư 19.6 19.1 20.9 24.5 27.6 29.1 29.5 29.9 28.8 26.9 23.9 21.1 25.3
Cồn Cỏ 20.9 20.8 22.3 24.8 27.7 29.5 29.6 29.4 28.1 26.7 24.4 22.0 25.5

c. Độ ẩm không khí, bốc hơi và mưa
Độ ẩm tương đối trung bình nhiều năm trên lưu vực là 80 - 90%, thời kỳ
khô hanh là 80%, thời kỳ ẩm ướt độ ẩm đạt tới 90%. Độ ẩm không khí biến đổi
theo mùa, cao trong mùa mưa và thấp trong mùa khô. Lượng bốc hơi trung bình
năm tại khu vực dao động từ 800 – 1000 mm. Lượng mưa trên khu vực bình
quân nhiều năm khoảng 1500 mm/năm.
d. Chế độ gió
Gió hoạ
t động trên khu vực có thể chia làm hai mùa: gió mùa đông từ
tháng XI - IV năm sau và gió mùa hạ từ tháng V - X. Hướng gió thịnh hành

21
trong mùa hè là gió nam và đông nam. Mùa đông thường có gió bắc và đông
bắc. Tốc độ gió trung bình là 2 – 3 m/s. Bảng 1.2 đưa ra tốc độ gió trung bình
nhiều năm tại hai trạm Thái Bình và Nam Định.
Bảng 1.2. Tốc độ gió trung bình (m/s) tại trạm Thái Bình và Nam Định
Tháng
Trạm
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Năm
Thái
Bình
2,3 2,2 2,1 2,2 2,2 2,2 2,5 1,8 1,7 2,0 2,1 2,0 2,1
Nam
Định
2,4 2,2 2,0 2,2 2,3 2,2 2,3 1,9 2,1 2,5 2,2 2,2 2,2
e. Bão và áp thấp nhiệt đới
Hàng năm số cơn bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào bờ biển thuộc các
tỉnh từ Hải Phòng đến Ninh Bình chiếm khoảng 32% tổng số cơn bão và áp

thấp nhiệt đới đổ bộ và ảnh hưởng đến nước ta. Hầu hết những cơn bão đổ bộ
vào vùng này thường có hướng vuông góc với bờ, trừ những cơn diễn biến phức
tạp chuyển động dọc theo bờ từ nam lên bắc và ngược lại cũng có cơn vào gần
bờ chuyển hướng và đi từ bắc xuống nam.
f. Chế độ sóng
Ở từng vùng biển, nhất là vùng biển thoáng nước sâu, chế độ sóng phụ
thuộc chặt chẽ vào chế độ gió ở vùng đó. Do vậy, chế độ sóng cũng biến đổi
theo mùa rõ rệt. Vào mùa đông, ở vùng biển thuộ
c khu vực nghiên cứu, sóng có
hướng đông bắc chiếm ưu thế, ngoài ra các sóng hướng bắc và đông cũng
thường xuất hiện vào mùa đông. Vào mùa hè, sóng có hướng đông nam và
hướng tây nam luân phiên nhau chiếm ưu thế.
Trong mùa chuyển tiếp từ hè sang đông, ở dải ven bờ vùng này, sóng có
hướng đông bắc chiếm ưu thế với tần suất vào khoảng 40 - 45%. Đứng sau
hướng đông bắc là sóng có hướng bắc và đông, trong đó sóng h
ướng đông bắc
có tần suất lớn hơn sóng hướng đông một chút. Tổng tần suất của hai hướng
sóng vừa nêu chiếm gần 40%. Các sóng có hướng tây bắc và đông nam cũng
xuất hiện ở mùa chuyển tiếp nhưng có tần suất rất nhỏ, chỉ khoảng 7-8%. Thời
gian lặng sóng ở mùa này có tần suất là 13,3%. Cũng tương tự như ở các mùa
khác, về mùa thu, sóng có độ cao từ 0,75 đến 1,25m chi
ếm tỷ trọng lớn nhất ở

22
dải ven bờ. Sóng có độ cao từ 1,25 đến 2,0 và lớn hơn 2,0m, xuất hiện ở hướng
đông bắc và hướng bắc với tần suất nhỏ chỉ khoảng xấp xỉ 10%.
g. Thủy triều và mực nước
Khu vực nghiên cứu thuộc các tỉnh vùng ven biển đồng bằng sông Hồng –
Thái Bình có chế độ nhật triều đều là chủ đạo. Kỳ nước cường thường xảy ra 2 -
3 ngày sau ngày m

ặt trăng có độ xích vĩ lớn nhất. Ở thời kỳ này, mực nước lên
xuống nhanh có thể tới 0,5m trong một giờ. Kỳ nước kém thường xảy ra 2-3
ngày sau ngày mặt trăng qua mặt phẳng xích đạo. Vào những ngày này mực
nước lên xuống chậm, có lúc gần như đứng và trong ngày có hai lần nước lớn,
hai lần nước ròng nên những ngày đó còn được gọi là ngày con nước sinh.
Ở vùng lân cận Hải Phòng, hàng tháng chỉ có chừng 1-3 ngày v
ới hai lần
nước lớn, hai lần nước ròng. Ở phía nam của vùng nghiên cứu, tức là vùng Ninh
Bình, ở đó có sự khác nhau về tính chất triều so với đoạn bờ biển phía bắc của
vùng kế cận, tính chất nhật triều đã kém thuần nhất, trong tháng số ngày có hai
lần nước lớn và hai lần nước ròng tới 5-7 ngày.
Dao động của mực nước ở khu vực Hòn Dấu - Hải Phòng mực nước trung
bình chỉ khoảng 184cm. Trong tháng X, mực nước biển cao hơn các tháng khác
và dao động trong khoảng 203 - 238cm, mực cao nhất chỉ là 421cm, cực tiểu
mực nước là -7cm, chênh lệch triều lớn nhất tại Hòn Dấu là 394 cm (bảng 1.3).
Bảng 1.3. Các đặc trưng nhiều năm mực nước biển (cm)
Trạm
Đặc trưng
Cửa Ông Bãi Cháy Cô Tô Hòn Dáu Hòn Ngư Cồn Cỏ B.L.Vỹ
Lớn nhất 467 450 459 421 380 205 376
Thấ
p
nhấ
t
7 0 0 -7 -9 4 16
Trun
g
bình 220 206 202 188 189 76 180

h. Nước dâng do bão

Nguyên nhân chính sinh ra nước dâng do bão là gió, song những nguyên
nhân khác không kém phần quan trọng góp phần tác động vào quá trình sinh ra
nước dâng là địa hình đường bờ và địa hình độ dốc đáy biển vùng ven bờ nơi
bão đổ bộ. Vùng này có vị trí và địa hình đường bờ khá đặc biệt so với các vùng
khác dọc ven biển Việt Nam. Vùng này có đoạn bờ biển lõm sâu vào đất liền,
đồng thời lại là nơi thường xảy ra những trận bão có cường độ mạnh cùng v
ới
nguyên nhân khác nữa là vùng biển không sâu, đó là những nhân tố cơ bản ảnh

23
hưởng đến chế độ và hình thành vùng nước dâng bão lớn. Theo các tài liệu đã
công bố, nước dâng bão do một cơn bão mạnh sinh ra ở vùng này là 3,0 – 3,2m
(bảng 1.4).
Bảng 1.4. Nước dâng do bão lớn nhất trong một số cơn bão
TT Tên bão Địa điểm
Nước
dâng
lớn nhất
(cm)
TT Tên bão Địa điểm
Nước
dâng
lớn nhất
(cm)
1 Klara-1962 Định Cư 215 13 Irving-1989 Sầm Sơn 292
2 Carmen-63 Mũi Chùa 118 14 Bão 5/1990 Cửa 235
3 Winnie- Do N
g
hi 172 15 Zeke-1991 V
ĩ

nh bảo 160
4 Rose-1968 Như Tân 179 16 Fre
d
-1991 Cửa Khẩu 150
5 Jean-1971 L
ạ
ch Sun
g
162 17 Chuck-1992 Hải Phòn
g
150
6 War
r
en- Ba L
ạ
t 157 17 Harri-1994
Q
uản
g
60
7 Kell
y
-1981 Hoàn
g
Tân 190 18 Lois-1995 Ninh Bình 150
8 Ceicil- Huế 255 19 Niki-1996 Tiên Hải 230
9 Bett
y
-1987
Q

u
ỳ
nh 225 20 Franki-2001 Hải H
ậ
u 280
10 Wa
y
ne- Trà L
ý
230 19 Wukon
g
- Xuân 155
11 Do
t
-1989 Đồ Sơn 224 20 Linhlinh- Sôn
g
Cầu 82
12 Dan-1989 Cửa H
ộ
i 360 21 Damre
y
-Hải H
ậ
u 256
i. Chế độ dòng chảy
Là một bộ phận liên hoàn của hệ thống dòng chảy chung trong vịnh Bắc
Bộ, đặc điểm chế độ dòng chảy ở vùng này vừa có nét chung, vừa có nét riêng
do vị trí địa hình chi phối.
Dòng chảy tổng cộng là sự pha trộn của dòng chảy gió, dòng triều và
dòng chảy từ sông chảy ra. Mùa đông ở vùng này là mùa khô, nước sông thường

cạn nên dòng chảy tổng cộng ở vùng này chủ yếu là do s
ự đóng góp của dòng
chảy gió và dòng triều. Vì vậy về mùa đông, dòng chảy ở vùng nghiên cứu
thường có hướng dọc theo bờ, đó là hướng chủ đạo. Tháng 1 ở vùng này có 2
luồng dòng chảy ngược chiều nhau. Ở vùng biển thoáng, dòng chảy có hướng
nam, trong khi đó tồn tại dòng ven có hướng từ nam lên bắc. Tốc độ dòng chảy
tổng cộng thường không lớn, vào khoảng 20-40cm/s. Mùa hè, bức tranh dòng
chảy khác với mùa đông. Ở gầ
n bờ vùng này không quan sát thấy dòng ven có
hướng từ nam lên bắc nữa, tốc độ dòng chảy chỉ khoảng 20-30cm/s.
k. Nhiệt độ nước bề mặt biển

24
Nhiệt độ nước biển trung bình năm là khoảng 24 - 25
0
C. Mùa đông, nhiệt
độ nước biển trung bình là 19,1
o
C. Mùa hè (tháng VII) nhiệt độ nước là 29,4
0
C.
1.3. Mục tiêu của đề tài
Xây dựng được bộ hằng số điều hòa và ứng dụng mô hình MIKE 21 tính
toán, dự báo biên mực nước cho các cửa sông, nghiên cứu thí điểm cho hệ thống
sông Hồng – Thái Bình.
1.4. Cách tiếp cận
Đề tài tiếp cận 2 phương pháp chính để dự báo mực nước biên triều cho
các cửa sông.
Phương pháp thứ nhất là sử dụng bộ hằng số đi
ều hòa thủy triều trên cơ sở

phân tích số liệu mực nước thực đo. Để có bộ số liệu mực nước thủy triều tại các
cửa sông phục vụ cho việc xây dựng bộ hằng số điều hòa thủy triều và hiệu
chỉnh và kiểm nghiệm mô hình, đề tài đã tiến hành khảo sát, đo đạc mực nước
trong thời gian 7 ngày từ 18 đến 25 tháng 8 năm 2010, đ
o liên tục từng giờ tại vị
trí tiếp giáp với biển của 9 cửa sông hệ thống sông Hồng – Thái Bình.
Phương pháp thứ hai được đề tài sử dụng là bộ mô hình số trị trên cơ sở
kết hợp giữa mô hình mô phỏng và dự báo trường khí tượng MM5 và mô hình
tính toán và dự báo trường mực nước MIKE 21 FM. Việc kết hợp 2 mô hình sẽ
giúp tăng độ chính xác của kết quả dự báo, đặc biệt trong nhữ
ng thời điểm mà
trường khí tượng bị xáo trộn mạnh như áp thấp nhiệt đới, bão, gió mùa khiến
mực nước có thể sẽ biến đổi mạnh khi có các yếu tố khí tượng tác động (nước
dâng và rút do bão, gió mùa…).
Để thực hiện được phương pháp này, đề tài đã tiến hành thu thập các bản
đồ, với độ chính xác cao nhất để thiết lập bộ thông số của mô hình. Bên cạnh đó,
đề tài c
ũng thu thập và cập nhật các số liệu khí tượng thủy văn tại khu vực
nghiên cứu nhằm giúp kết quả nghiên cứu được hoàn thiện hơn.
Mô hình MIKE 21 FM dự kiến cũng được áp dụng trong nghiên cứu này
và sử dụng phương pháp lưới phi cấu trúc để tính lan truyền triều từ ngoài khơi
vào các cửa sông. Như ta đã biết, tại các sông ở Việt Nam, chiều rộng cửa sông
chỉ trong khoảng vài trăm mét
đến vài kilomet. Với lưới phi cấu trúc, có thể dễ
dàng chia lưới tính theo độ sâu hoặc đường bờ. Như vậy, ta có thể chia lưới rất
chi tiết tại các vùng cửa sông trong khi tại ngoài khơi, lưới sẽ thô hơn. Điều này
sẽ rất có ích trong việc triển khai dự báo mực nước tại cửa sông vì sẽ tiết kiệm
được thời gian tính toán, dự báo và dung lượng máy tính. Miền tính dự kiến sẽ