ỨNG DỤNG mô HÌNH ROMS NGHIÊN cứu TRƯỜNG DÒNG CHẢY KHU vực BIỂN cà MAU

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
264 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ROMS NGHIÊN CỨU TRƯỜNG DÒNG CHẢY
KHU VỰC BIỂN CÀ MAU
Trần Thùy Nhung, Dương Hồng Sơn, Lê Văn Quy
Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

Cà Mau là vùng đất thấp, ba mặt tiếp giáp biển, chịu tác động mạnh bởi các quá trình
thủy động lực học ven biển. Các quá trình thủy động lực ven biển đã và đang gây ra những
ảnh hưởng đến việc xói lở bờ biển, gây thiệt hại về đời sống và sinh hoạt của người dân. Bài
báo này trình bày những nghiên cứu trường dòng chảy trong khu vực Biển Cà Mau thông qua
ứng dụng mô hình ROMS. Dòng chảy trong khu vực này bị chi phối bởi dòng triều và dòng
chảy gió, mang đặc tính mùa và biến đổi theo không gian. Chế độ triều phức tạp và sự ảnh
hưởng khác nhau của gió đối với từng vị trí đã gây ra những biến động dòng chảy trong khu
vực này.

1. Mở đầu
Vận chuyển trầm tích ven biển là một quá trình tự nhiên, chịu ảnh hưởng của
các quá trình thủy động lực học biển. Bên cạnh đó, những tác động của con người
cũng gây ra ảnh hưởng đến quá trình này. Cà Mau là một trong những khu vực chịu
ảnh hưởng lớn của quá trình vận chuyển trầm tích. Đây là vùng đất bồi tụ, nhưng trong
những năm gần đây, vấn đề xói lở đang đe dọa đến việc mất đi một phần vùng đất này.
Các tác nhân chi phối quá trình vận chuyển được xác định là dòng chảy, mực nước và
sóng. Mỗi tác nhân lại gây ra những ảnh hưởng khác nhau cho từng khu vực. Tuy
nhiên, để có thể xác định nguyên nhân và nguồn gốc vận chuyển trầm tích thì dòng
chảy lại là tác nhân quan trọng nhất. Dòng chảy làm vận chuyển trầm tích từ cửa sông,
từ bờ xói, khuấy trầm tích từ đáy và lắng đọng ngược trở lại. Trong nghiên cứu này,
dòng chảy được tính toán từ mô hình hoàn lưu đại dương ROMS cho khu vực Biển Cà
Mau trên hệ lưới cong trực giao theo phương ngang và thích ứng địa hình theo phương

thẳng đứng. Dòng chảy trong khu vực Biển Cà Mau mang đặc tính mùa và biến đổi
theo không gian. Hai mùa gió đặc trưng ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy là gió mùa
Đông-Bắc và gió mùa Tây-Nam. Chế độ triều phức tạp và sự ảnh hưởng khác nhau
của gió đối với từng vị trí đã gây ra những biến động mạnh dòng chảy trong khu vực
này.
2. Cơ sở toán học
ROMS là mô hình đại dương, giải các phương trình thuỷ động lực thuỷ tĩnh và
bề mặt tự do cho các địa hình phức tạp trên hệ lưới cong trực giao theo phương ngang
(ξ,η) và thích ứng địa hình theo phương thẳng đứng (lưới s). Hệ toạ độ thích ứng địa
hình theo phương thẳng đứng xấp xỉ địa hình đáy biển và bề mặt tự do nhằm mục đích
mô phỏng các quá trình rối gần các bề mặt chất lỏng cũng như các quá trình động lực
vùng cửa sông ven biển, mô phỏng trung thực hơn ảnh hưởng của địa hình tới dòng
chảy so với các mô hình sai phân thông thường. Sai phân trung tâm bậc hai trên lưới
Arakawa C áp dụng cho phương ngang (ξ,η) với các điều kiện biên trượt tự do (toàn
phần), trượt một phần, hoặc điều kiện dính. Theo phương thẳng đứng (trục s) sử dụng
sai phân xen kẽ bậc hai.
Hệ phương trình thủy động lực:

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 265

''
uu
uu
v u fv u w F D
t x z z
¶ ¶ ¶ ¶

+   =     + +


¶ ¶ ¶ ¶


(1)

''
vv
vv
v v fu v w F D
t y z z
¶ ¶ ¶ ¶

+   =     + +

¶ ¶ ¶ ¶


(2)
0
u v w
x y z
¶ ¶ ¶
+ + =
¶ ¶ ¶

(3)
0v=

(4)

ρ = ρ(T,S,P)
(5)
0
'
TT
TT
v T T'w F D
t z z
¶ ¶ ¶

+  =    + +

¶ ¶ ¶


(6)
0
'
ss
SS
v S S'w F D
t z z
¶ ¶ ¶

+  =    + +

¶ ¶ ¶


(7)

trong đó: g là gia tốc trọng trường; υ, υ
0
tương ứng thành phần bình lưu và khuếch
tán; f(x,y) là tham số Coriolis; ϕ (x,y,z,t) = P/ρ
o
là áp suất động lực;
v
(x,y,z) = (u,v,w)
là vecto vận tốc dòng chảy; T và S tương ứng là thành phần nhiệt độ và độ muối; D
u
,
D
v
, D
S
, D
T
là các thành phần nhớt và khuếch tán rối; F
u
, F
v
, F
S
, F
T
là các thành phần
ngoại lực và nguồn.
3. Kết quả dòng chảy tính toán từ mô hình ROMS cho khu vực Biển Cà Mau
Nghiên cứu này sử dụng mô hình ROMS tính toán dòng chảy cho khu vực Biển
Cà Mau. Miền tính bao gồm toàn bộ khu vực biển Cà Mau và vùng biển lân cận được

xác định trên lưới cong trực giao theo phương ngang, bao gồm 150x75 nút lưới và
được chia thành 8 lớp theo phương thẳng đứng với hệ thích ứng địa hình. Kích thước
bước lưới theo phương ngang dao động 1,343 – 3,699 km theo trục x, 1,144 – 3,340
km theo trục y và 0,112 – 5,289 m theo trục z. Bước thời gian tính toán là 600 giây.
Mô hình này sử dụng số liệu địa hình ETOPO 2 và số liệu đường bờ có độ phân giải
cao (GSHHS) do NOAA cung cấp.
Điều kiện ban đầu được xây dựng bằng cách nội suy từ số liệu đại dương-khí
quyển nhiều năm (COADS) thành phân bố ba chiều trung bình tháng của mực nước và
nhiệt độ và độ muối. Trường vận tốc dòng chảy được lấy bằng 0 tại thời điểm ban đầu.
Điều kiện biên đối với dòng chảy, nhiệt độ và độ muối được xác định từ số liệu hoàn
lưu và khí hậu đại dương (ECCO). Đối với mực nước, các tham số của 6 sóng thuỷ
triều M2, S2, N2, K2, K1, O1 được đưa vào để tính toán mực nước triều. Các tham số
này được lấy từ mô hình thuỷ triều toàn cầu TPXO có độ phân dải 1/4 độ. Các biên
sông được đưa vào gồm có: Cửa Tranh Đề, Cửa Định An, Cửa Cung Hầu, Cửa Cổ
Chiên, Cửa Hàm Luông với các giá trị lưu lượng, và nhiệt độ. Kết quả tính toán dòng
chảy từ mô hình ROMS cho khu vực biển Cà Mau được đưa ra vào tháng 7 và tháng
12/2000 đại diện cho hai mùa trong năm.

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
266 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

Hình 1. Phân bố mực nước và dòng chảy trên toàn miền tính vào thời điểm mùa
đông (bên phải) và mùa hè (bên trái)

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 267

Kết quả phân bố dòng chảy và mực nước trên Hình 1 được chọn vào 4 thời
điểm: nước dâng, nước ròng, nước lớn và nước rút trong một chu kỳ triều. Có thể nhận
thấy, phân bố mực nước vào hai mùa khác nhau không đáng kể. Biên độ dao động
mực nước ở bờ Đông lớn hơn bờ Tây. Dòng triều trong khu vực này rất phức tạp (thể
hiện ở chỗ tồn tại hai chế độ triều khác nhau tại bờ Đông và bờ Tây). Sự xuất hiện một
rãnh triều tại bờ Đông gây ra biến đổi mực nước và dòng chảy hai bên rãnh triều này,
tạo lên những chuyển động phân kỳ và hội tụ của dòng triều. Vào thời điểm triều lên
và triều xuống, dòng chảy bị chi phối bởi dòng triều, với vận tốc dòng chảy tương đối
lớn (vào khoảng từ 0,2 - 0,4 m/s). Bên cạnh dòng triều, dòng chảy gió cũng ảnh hưởng
lớn đến chế độ dòng chảy, đặc biệt tại bờ Đông. Vào mùa đông, dòng chảy bị ảnh
hưởng bởi chế độ gió mùa Đông-Bắc, gây ra dòng chảy hướng Tây-Nam; vào mùa hè,
dòng chảy bị ảnh hưởng bởi gió mùa Tây-Nam, gây ra dòng chảy hướng Đông-Bắc.
Tuy nhiên, dòng chảy trong khu vực này biến đổi rất phức tạp theo không gian, tại
từng khu vực, biến đổi dòng chảy theo mùa rất khác nhau. Nếu như ở bờ Đông, ảnh
hưởng của gió mùa được biểu hiện rõ rệt thì ở bờ Tây ảnh hưởng của gió mùa không
làm thay đổi đáng kể dòng chảy.
Để hiểu rõ hơn vai trò của dòng triều và dòng gió đối với dòng chảy tổng hợp
trong khu vực Biển Cà Mau, tác giả phân tích dòng chảy tính toán từ mô hình ROMS
tại hai điểm đại diện cho dòng chảy bờ Đông và bờ Tây tỉnh Cà Mau (tương ứng là
trạm Rạch Gốc và trạm Sông Đốc).
a)
b)

Chú giải
Vận tốc dòng
chảy (m/s)







>= 0,6
0,5 - 0,6
0,4 -0,5
0,3 - 0,4
0,2 - 0,3
0,1 - 0,2
0,0 - 0,1

Hình 2. Hoa dòng chảy tại Rạch Gốc tháng 7/2000 (a), và tháng 12/2000 (b)
a)
b)
Hình 3. Biến thiên dòng chảy tại trạm Rạch Gốc từ ngày 1/7/2000 đến ngày
8/7/2000 (a), và từ ngày 1/7/2000 đến ngày 8/7/2000 (b)

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
268 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

a)

b)
Chú giải
Vận tốc dòng
chảy (m/s)







>= 0,6
0,5 - 0,6
0,4 -0,5
0,3 - 0,4
0,2 - 0,3
0,1 - 0,2
0,0 - 0,1

Hình 4. Hoa dòng chảy tại Sông Đốc tháng 7/2000 (a), và tháng 12/2000 (b)

a)
b)
Hình 5. Biến thiên dòng chảy tại trạm Sông Đốc từ ngày 1/7/2000 đến ngày
8/7/2000 (a), và từ ngày 1/12/2000 đến ngày 8/12/2000 (b)
Kết quả dòng chảy biểu diễn từ Hình 2 đến Hình 5 cho thấy dòng chảy trong
khu vực này bị chi phối bởi dòng triều và dòng gió. Tại Rạch Gốc, dòng chảy đổi
chiều hai lần trong một ngày do bị chi phối bởi chế độ bán nhật triều không đều (Hình
3a và 3b). Trong khi đó, tại Sông Đốc, dòng chảy đổi chiều một lần trong ngày, phù

hợp với chế độ nhật triều không đều tại khu vực này (Hình 5a và 5b). Mặc dù dòng
chảy bị chi phối khá lớn bởi dòng triều, tuy nhiên vào các tháng khác nhau, ảnh hưởng
của gió đã làm biến động dòng chảy. Tại Rạch Gốc, vào mùa hè, dòng chảy theo
hướng Đông và Đông-Bắc chiếm ưu thế (Hình 2a). Trong khi đó, dòng chảy theo
hướng Tây và Tây-Nam lại chiếm ưu thế trong mùa đông (Hình 2b). Độ lớn dòng chảy
tại Rạch Gốc nằm trong khoảng từ 0,1 - 0,5m. Trong đó, dòng chảy có độ lớn từ 0,3 -
0,4m chiếm tỷ lệ tương đối lớn. Tại Sông Đốc, ảnh hưởng của gió không còn rõ nét
như tại Rạch Gốc, tuy nhiên cũng xuất hiện một số xu thế: vào mùa hè, dòng chảy theo
hướng Đông-Bắc chiếm ưu thế hơn (Hình 4a); còn trong mùa đông, dòng chảy theo
hướng Tây-Nam có phần nhỉnh hơn (Hình 4b). Tuy nhiên, có thể thấy rằng ảnh hưởng
của gió đến chế độ dòng chảy tại trạm này là không lớn. Độ lớn dòng chảy tại Sông
Đốc khá nhỏ, nằm trong khoảng từ 0 - 0,3m.


Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 269

4. Kết luận
Dòng chảy khu vực Biển Cà Mau đưa ra trong báo cáo này được mô phỏng bởi
mô hình ROMS trong khoảng thời gian một năm. Dòng chảy biến động theo mùa và
theo không gian. Nguyên nhân gây ra những biến động này được xác định là do các
yếu tố triều và gió. Với tác động của triều, dòng chảy tại bờ Đông và bờ Tây mang
những đặc tính khác biệt rõ rệt, gây ra những dòng trái chiều giữa hai bờ. Bên cạnh
đó, dòng chảy gió là tác nhân gây ra biến động dòng chảy theo mùa. Phía bờ Đông, với
vị thế tiếp giáp Biển Đông, gió tác động đến vùng biển này là tương đối lớn, làm cho
dòng chảy biến động lớn theo mùa. Trong khi đó, phía bờ Tây, với không gian biển
hẹp, tác động của gió đến khu vực này là không lớn, dẫn đến dòng chảy tại khu vực
này không biến động nhiều trong năm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.
2. John C.Warner, Christopher R.Sherwood , Richard P.Signell , Courtney K. Harris,
Hernan G. Arangoc (2010), “Development of a three-dimensional, regional,
coupled wave, current, and sediment-transport model”, Ocean Modelling xxx
(2010) xxx–xxx.
3. Shchepetkin, A.F. McWiliams, J. C (2005), “The regional oceanic modeling
system (ROMS): a split-explicit, free-sureace, topography-following-coordinate
oceanic model” Ocean Model 9, 347-404.
4. Zuo Xue, Ruoying He, J.Paul Liu, John C.Warner (2012) “Modeling transport and
deposition of the Mekong River sediment”, Continental Shelf Research 37 (2012)
66–78.

CURRENT SIMULATION USING ROMS MODEL – A CASE STUDY OF
CAMAU COASTAL ZONE
Tran Thuy Nhung, Duong Hong Son, Le Van Quy
Institute of Meteorology Hydrology and Environment

Ca Mau is a low land with three sides adjacented to the sea, strongly affected by the
processes of coastal hydrodynamics. The hydrodynamics processes have caused coastal
erosion, threatening to the life and activities of people surrounding. This study presents
current simulation using ROMS model. The current is dominated by the tidal current and
wind – include current with seasonal characteristics and spatial variation. Complex tidal
regime and the different influence of wind on different places have caused the current
variation in this area.