Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Đặtvấnđề1. Tạisaocầnmôhìnhhóa?2. Côngcụmôhìnhhóa3. Môhìnhvậtlý4. Môhìnhtoándiễnbiếnbờbiển
• Tổngquanvềmôhình• Hệphươngtrìnhcơbản• Điềukiệnbiên• Sốliệuchomôhình
153
CHƯƠNG6:MÔHÌNHHÓADIỄNBIẾNBỜBIỂN
1. Bờbiểnthayđổi,đôikhikhôngtheomongmuốndotựnhiên&hoạtđộngkinhtế-xãhội.
2. Kỹthuậtbờbiểnsửdụngcácgiảiphápcôngtrìnhhoặcphicôngtrìnhđểgiảiquyếtcácvấnđềcóliênquantớicácbiếnđổikhôngmongmuốn.
3. Phươngphápmôhìnhhóađượcsửdụngnhưmộtcôngcụđểđưaracácdựbáovềsựpháttriểncủađườngbờtheothờigian.Haynói1cáchkhácvới1tổhợpchọnlọccủatựnhiênsẽcó1loạiđườngbờđặctrưngmàtacóthểmôhìnhhóađượcchohiệntạivàtươnglai.
4. Môhìnhcòncóthểđánhgiáđượchiệuquảvàảnhhưởngcủacôngtrìnhlàmthayđổibờbiểntrongtươnglai.
5. Cácloạimôhìnhbaogồm(i)Môhìnhvậtlývà(ii)Môhìnhtoán
154
Cácvấnđềởbờbiển(xóilở,ngậplụt,ônhiễm..)
Đánhgiácácgiảiphápbảovệbờbiển
Kinhnghiệm Môhìnhhóa
Môhìnhvậtlý Môhìnhtoán
Giảitích Môhìnhsố
155
• Dựavàokếtquảcáchoạtđộngthựctiễnđểđềxuấtnhữnggiảipháphạnchếcácảnhhưởngxấutớicửasôngvàđớibờ.Hạnchế
• Thiếutínhhệthống• Khôngkhảthiđốivớihệthốngquáphứctạphoặcxemxétvấnđềquáđơn
giản• Rủirocao/quyhoạchvàgiảiphápbịchiphốibởiýkiếnchủquan.
Phươngphápkinhnghiệm
Môhìnhvậtlý(tỉlệ)
• Môhìnhvậtlýgồmhaidạng:lòngcứng(cốđịnh)vàlòngđộng.• Môhìnhlòngcứngmôphỏngcáchiệntượngdiễnraởbờbiểnmàkhôngxéttớisựbiếnđổiđịahìnhđáytrongquátrìnhmôphỏng,lòngdẫnđượccoilàcốđịnhtrongtoànbộthờigianmôphỏng.
(Nghiêncứusóng,dòngchảy,phânnướccácnhánhsông)
• Môhìnhlòngđộngmôphỏngcácquátrìnhdiễnbiếnbờbiểncóxéttớitácdụngvậnchuyểnbùncátởvenbờdotácđộngcủasóngvàdòngchảy,lòngdẫncủamôhìnhthayđổitrongquátrìnhmôphỏng.
(Biếnđổimặtcắt,đườngbờbiểntạicácthờiđiểmkhácnhau)
• Vớiđặctínhtrênmỗimôhìnhsẽcóphạmviápdụngvànghiêncứuriêng,tùythuộcvàotínhnăngcủamôhình.
• Khônggianthựclớn(đôikhilàrấtlớn)nênphảidùngtỉlệ• Trongphòngcóbểsóng,mángsóng;ngoàitrờicóbãithínghiệm
156
• Nếuchếtạomôhìnhbằngđúngvớinguyênmẫu:Môhìnhtỉlệ1:1.• Trườnghợptổngquát,tỉlệvềkíchthướclà1:Lr.HệsốtỉlệLr=Lp/Lm(nguyênhình/môhình).
• Thựctếcácthuỷvựcthườngrộngvànôngnênphảidùnghailoạitỉlệdài:ngangvàđứng.→môhìnhbiếndạng,Lr>hr.
• VídụcầnnghiêncứusóngtruyềndọcMCNbãibiểncóchiềudàiLp=5000m;độsâunướctốiđahp=4m.Nếulấytỉlệ1:10thìmôhìnhphảicóLm=500m;vàhm=0.4m.Tỉlệchiềuđứngcóthểđápứngđược,nhưngtỉlệngangthìkhôngphùhợpdokhônggianphòngthínghiệmquábé.Khiđótacóthểchọntỉlệngang1:100vàtỉlệđứng1:10vàmôhìnhgọilàbiếndạng.
• Lưuýhệsốtỉlệthờigiantr=√Lr.→ảnhhưởngđếnchukìsóngcầnphátsinhtrongmáng/bểsóng.
157
• KhibàitoáncóquánhiềubiếnphụthuộclẫnnhauvàchúngcóthểmôphỏngbằngcácPTtoánhọc(cácPTviphântrongbàitoánthuỷđộnglực–hìnhthái).
• Khigiảiđượctrongcáctrườnghợpđơngiản→môhìnhgiảitích.Trườnghợpkhácphảisaiphânhóa→môhìnhsố.
• Ứngdụngđể:• Pháthiệncácquiluật• Dựbáoxuthếpháttriển• Lậpcácdựánvềcửasông,biểnvàđớibờ
• Ràngbuộcvềquymôhìnhthái
Tạisaocầnsửdụngcácmôhìnhtoán?
158
Thờigian
Khônggian
Cácloạimôhìnhtoán
A-MÔHÌNHTHỦYĐỘNGLỰCHỌC• Môhìnhdòngchảy(1,2,3D)• Môhìnhsóng• Môhìnhtriềuv.v…
B-MÔHÌNHHÌNHTHÁI• Môhình1D,2D,3D→Môhìnhhìnhđườngđơn(1D)
Phânloạitheomụcđích• Môhìnhtoánphụcvụthiếtkế• Môhìnhtoánnghiêncứuhìnhthái
159
NhằmDựbáođặctrưngbờbiển(địnhlượng)MôhìnhđơngiảnhayPhứctạp?
Việclựachọnmôhìnhcầncăncứvào+Yêucầucủaviệcmôhìnhhoá(độchitiết,chínhxác)+Tínhnăngcủamôhình+Cácyêucầukhác(sốliệuđầuvào,phầncứng,kỹnăngsửdụngmôhình…)
MôhìnhhoáMCNtheolýthuyếtđườngđơn
Môhìnhhoátheolýthuyếtđườngphức
160
d
( ) dydxddtdSSdtS xxx =+−Phươngtrìnhliêntụcbùncát
d :độdàycủalớpbêntrênnơixảyrasựbiếnđổiSx :lượngbùncátvậnchuyểndọcbờbiểntạivịtríxSx+dSx:lượngbùncátvậnchuyểndọcbờbiểntạivịtríx+dxCânbằngbùncátvào,ravàlượngbùncátluỹtích:
xx
SdS dx
x∂
=∂
ydy dtt∂
=∂
0xS yd
x t∂ ∂
+ =∂ ∂
161
(KíhiệuSxthaychoQLtronghệtoạđộhìnhvẽ)
Hệphươngtrìnhcơbảncủalýthuyếtđườngđơn(Pelnard-Considère,1956)
Phươngtrìnhchuyểnđộng
• Biểudiễnsựbiếnđổibùncátdọcbờbiển∂Sx/∂x• Phươngtrìnhchuyểnđộngcódạng
• sx(m3/s)làhằngsốbờbiển(coastalconstant)
• Dùngquytắcchuỗiviphân
• Góctạogiữađườngđỉnhsóngtạiđộsâuhvàđườngbờtứcthờitạithờigiant
(giảthiết∂y/∂xnhỏ,đườngbờgầnnhư//đườngcơsở)• Nhưvậy:
sx =∂Sx∂ϕ
x xS Sx x
ϕϕ
∂ ∂ ∂=
∂ ∂ ∂
2
2
yx xϕ∂ ∂=−
∂ ∂
' yx
ϕ ϕ∂
= −∂
162
TừPTc.động:vàhệthứcsx =∂Sx∂ϕ
x xS Sx x
ϕϕ
∂ ∂ ∂=
∂ ∂ ∂
2
2
yx xϕ∂ ∂=−
∂ ∂Ápdụngquytắcchuỗiviphâncho∂Sx/∂xtacó:
→∂Sx∂x
=− sx∂2 y∂x2
ThếvàoPTliêntụctacó: −sx∂2 y∂x2
+d ∂y∂t= 0
G ∂2 y∂2x
−∂y∂t
= 0Viếtdướidạngchuẩn(PTparabolic):
G=sxd=QLϕ 'd
Phươngtrìnhviphân
163
VớiG:hệsốkhuếchtánđườngbờ(coastlinediffusivity)
Đơnvịm2/s,độlớnnhỏ,cỡ10-3m2/s.
Nghiệmsốtrị:
ĐKổnđịnh:
yit+Δt = yi +G
ΔtΔx2
yi−1 − 2yi + yi+1( )
https://repl.it/B6mz/4G ΔtΔx2
≤12
Xâydựngđậpmỏhànnhưhìnhvẽ,đánhgiábồilắngsaukhixây.
Điềukiệnbanđầu:y=0tạit=0
Điềukiệnbiên:x=–∞→Sx=QLvớimọit
x=0� Sx=0vớit>0
'yx
ϕ∂
→ =∂
x=0vớit>0
y (t) = ϕ ' 4Gtπ
e−u2
−uθ π⎡⎣⎢
⎤⎦⎥Nghiệmcủabàitoán:
Trongđó:, (hàmbùsaisố)u =− x
4Gtθ =
2π
e−u2
u
∞
∫ du = erfc(u)
Bàitoánmôphỏngbồitụtrướcđậpmỏhàn
164
KhôngphảisốShields!
Vịtríbồixanhấtlàtạiđập(u=0): L(t) =max y(t) =ϕ ' 4Gtπ
= 2ϕ 'QLπd
t
Nhậnxét:Hướngđườngbờởsátđậpthìvuônggócphươngtruyềnsóng:
Tạiu=0,dy/dx=φ’
Mộtsốgiátrịcủaθ=erfc(u)và[exp(–u2)– uθ]=F(u)đượctrìnhbàyởbiểuđồbên.
Vớiu>2,5,θ≈0và[exp(–u2)– uθ]<10-4(lượngbồilắngnhỏhơn0.01%đốivớithểtíchbồilắngởgầnđậpphásóng).
Từcóthểđiđếnkếtluậnrằng,đậpphásóngcóảnhhưởngrấtnhỏtớiđoạnbờcáchnókhoảng>5vềphíathượnglưu.Gt
165
Bàitoánmôphỏngbồitụtrướcđậpmỏhàn(2)
Nhậnxétvềphạmvibồi:K.ca'ch OB 'K.ca'ch OC
ϕ≈
K.ca'ch 2.5 4.43K.ca'ch
OAOC
π≈ =
TrongthựctếbồitụkhôngxảyrabênngoàiđiểmADiệntíchbềmặtcủaOCBvàOAB:Dovậy,64%tổnglượngbồitíchsẽđượcgiữlạiởphầndiệntích(OCB)đượcgạchchéotrênhình.
OCB→ 2π
QLtd
OAB→QLtd
166
Thờigiancầnthiếtđểbồitụbắtđầuvượtrakhỏiđầuđập:
t1 =πL2d4QLϕ '
=0.785 L2d
QLϕ '
Bồitụvàxóilởở2phíađậpvớidạnggầnnhưđốixứngnhauBồivượtrangoàiđầuđập:
Với bờ biển ban đầu thẳng,một cửa sông chạy vuông góc với lưulượngbùncátđổrabiểnbằngQR,bỏquaảnhhưởngcủasóng.Cóthểcoilượngbùncátnàyđượcchiađềusang2bêncửasônggâybồi.
Điềukiệnbanđầu:y=0tạit=0
Điềukiệnbiên:x=±∞→Sx=0vớit>0
x=0� Sx=±QR/2vớit>0
'yx
ϕ∂
→ =∂
x=0vớit>0
y (t) = ϕ ' 4Gtπ
exp(−u2 )−uθ π⎡⎣⎢
⎤⎦⎥Nghiệmcủabàitoán:
Vẫnvới:,(hàmbùsaisố)u =− x
4Gtθ =erfc(u)
Bàitoánpháttriểncửasôngchâuthổ
167
Nhưngφ’đượclấytheobiểuthức: ϕ ' = arcsinQR2Gd
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
Khoảngcáchbồilớnnhấtbằngbaonhiêu?
Vớibờbiểnbanđầuthẳng,thựchiệnnuôibãivớilượngcáttrênmặtbằnglàhìnhchữnhật(kíchthước2ℓdọcbờ×Yngangbờ).Hãytínhdiễnbiếnmặtbằngbờbiển.
Điềukiệnbanđầu:tạit=0:
y=0với|x|>ℓ
y=bvới|x|≤ℓ
Điềukiệnbiên:x=±∞→Sx=0vớit>0
y (t) = Y2erf ℓ− x
2 Gt
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟+ erf
ℓ+ x
2 Gt
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥Nghiệmcủabàitoán:
với:erflàhàmsaisố(trađồthịslide…)
Bàitoánnuôibãi
168
Dobảnchấtkhuếchtánnênvùngnuôibãibị“bẹt”đi.
Vịtríđườngbờnhôranhất(ítbịbẹtđinhất)làđiểmgiữavùngnuôibãi(x=0)vớiymax(t)=?
http://bit.ly/2ugpQXk
Cácgiảthiếtcủalýthuyếtđườngđơn1. Hìnhdạngmặtcắtngangcốđịnh2. Nănglượngsinhrakhisóngvỡ
tạothànhdòngchảycótácdụngVCBC
3. Mặtcắtngangbãibiểndịchhuyểntronggiớihạnchotrước(B+h*)
4. Khôngxéttớidòngtuầnhoànởvenbờdocôngtrìnhtạora
5. Biểuthịxuthếdiễnbiếnđườngbờtrongthờiđoạndàimộtcáchrõrệt
6. Gócđườngbờnhỏ(hạnchếđốivớitrườnghợpđườngbờbiếndạngnhiềusovớiđườngcongcơsởbanđầu).
169
Hạnchếkháccủalýthuyếtđườngđơnriêngvớibàitoánđậpliềnbờ1.Giảthiếtgócϕ’nhỏchưađúngvớithựctế
2.Đườngbờtínhtoánphảilàđườngbờthẳngvàcógiátrịbằng(4,43/ϕ')lầnchiềudàicủađậpphásóng.Giảsửϕ'=10°=0.175radvàLđậpphásóng=1000m,thìđoạnbờthẳngtheogiảthiếtkéodàiđến25km!!
3.Giảthiếtđộdốcđáybiểnkhôngđổidọcdảibờtrongsuốtquátrìnhtínhtoánlàkhôngthựctếvìquátrìnhbồiđộdốcthayđổicảphíabồivàphíaxói(Hìnha).
4.Cànggầnđậpmỏhànlưutốcdòngchảygiảmdần,nhưnglạixuấthiệnthànhphầnhướngngangchảyrangoàikhơi.Hiệntượngnàykhôngđượcxéttới(Hìnhb).
5.Chưaxéttớiảnhhưởngcủadòngtriều(Hìnhc).
6.Ảnhhưởngcủacửasông?
Hình a
Hình b
Hình c
170
GiớithiệumôhìnhGENESIS(1D)• Tínhtoánbiếnđổiđườngbờdochênhlệchbùn
cátvậnchuyểndọcbờtheokhônggianvàthờigian• Phạmvitínhtoándọcbờ:từ1-300km• Giớihạntínhtoántheokhônggian:từ1-30năm
171
• TínhnăngGENESIS:• Môphỏngvớiđiềukiệnsóngphứchợp(biếnđổitheothờigian)
• Biểudiễnđượcmộttậphợpcáccôngtrìnhnhiềuchủngloại,xếptuỳýbaogồm:mỏhàn,đêchắnsóng,tườngbiển,cácphươngánnuôibãi,chuyểncát.
• Cáchiệntượngkhúcxạsóng,nhiễuxạsóng,truyềnquacôngtrình.
Đườngcơsở(baseline)vàsơđồhóađườngbờ
172
PhânôvàcácthànhphầnVCBCtại1ôlướitínhtoán
173
CácPTcơbảntrongmôhìnhGENESIS
174
QL = (H2Cg )b a1 sin 2αb − a2 cosαb
∂H∂x
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟b
∂y∂t+
1DB +DC
∂QL∂x
− q⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟= 0
• Hạnchếcơbảncủalýthuyếtđườngđơn• Tínhtoánsựbiếnđổimựcnướctriềugiántiếp• Khôngxéttớisóngphảnxạtừcôngtrình• Mộtsốhạnchếkhibốtrícôngtrìnhtrênmôhình
HạnchếcủamôhìnhGENESIS
a1 =K1
16Δ(1− n)(1.416)2.5
a2 =K2
8Δ(1− n) tanβ (1.416)3.5
DC =
Yêucầuchungsốliệuđầuvàocủamôhình- Vịtríđườngbờ(trong3thờiđiểmkhácnhauđểhiệuchỉnhthôngsố&kiểmđịnhmôhình)
- Chuỗisốliệusóng(H,T, θ)
- Mặtcắtngangbãibiểnvàđịahìnhđáyởvùngvenbờ
- ĐườngkínhbùncáttrungvịD50
- Cáchoạtđộngdiễnraởlâncậnbờbiển(côngtrình,nuôibãi,khaitháccát,v.v.):vịtrí,thờigian,đặcđiểm.
- Vậnchuyểnbùncáttrongkhuvực(dòngvenbờ,đườngVCBC,cânbằngbùncát)
- Địachấttrongkhuvực(sources&sinksofsediments);phânbốđườngkínhbùncát,xuthế
diễnbiếnđườngbờtrongkhuvực,hiệntượngsụtlúnvàhiệntươngdânglêncủaMNB.
- Mựcnước(biênđộtriềuvàcaotrìnhMNsovớicaotrìnhbờbiển)
- Cáchiệntượngthờitiếtbấtthường(sóng,nướcdâng,côngtrìnhhưhỏng,hiệntượnglấp,mởcửabiển,độngđấtv.v.)
- Cáchiệntượngkhác(vùngkhuấtsóngdoảnhhưởngđịahình,dòngchảymạnhởbờbiển)
175
Cânbằngbùncátvàtácđộngcủasóng,dòngchảy1.Xácđịnhcânbằngbùncáttrongmiềntínhcủamôhìnhtừtấtcảcácnguồn:Mặtcắtdọcbãibiển,nuôibãi,nạovét,khaitháccát,côngtrìnhchắngiữbùncát(đập,cửabiển),diễnbiếnđườngbờtrongquákhứ,xóilởđụncát,váchbờ…
176
2.Đánhgiáphânphốibùncáttừcácnguồnđốivớiquátrìnhdiễnbiếndọcbờ
3.Kếthợpcáctácđộngdosóngvàdòngtriềugâyrađốivớicânbằngbùncátdọcbờ
Lựachọnchuỗisốliệuđườngbờ,hiệuchỉnhthôngsốvàkiểmđịnhmôhình
- Chọncácvịtríđườngbờtrongquákhứởcùng1thờiđiểmhoặccùng1mùatrongnăm
- Xácđịnhcácxuthếdiễnbiếnđườngbờtươngđốiđồngnhất(khôngnênhiệuchỉnhmôhìnhtronggiaiđoạnxóilởđườngbờvàkiểmđịnhmôhìnhtronggiaiđoạnđườngbờđượcbồi!)
- Nênhiệuchỉnhthôngsốmôhìnhtrongthờiđoạnngắn(từ3-10năm)
- Nênkiểmđịnhmôhìnhchothờiđoạndài(từ5-20năm)
177
Môphỏngdiễnbiến2Dtrênmặtbằng
• PTExner
• Phânchiaôlướitínhtoán• Kèmthêmtínhthuỷđộnglực(sóng,triều)• Vídụ:môhìnhXBeachwww.xbeach.org• Hìnhbên:bảnđồmàubiểudiễnđịahình
đáycùngvớivectơvậntốcdòngchảykhicócôngtrìnhđêchắnsóng.
• Đểđịnhlượngbồixóingườitacòndùngbảnđồ“biếnđổicaotrình”sovớibanđầu:
178
∂zb∂t
= −∂h∂t=11− n
∂qx∂x
+∂qy∂y
⎛
⎝⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟
Δz = zb(t ) − zb(t=0)