ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ … · ĐẠi hỌc quỐc gia hÀ nỘi trƯỜng ĐẠi hỌc khoa hỌc tỰ nhiÊn trần văn mỹ nghiÊn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Trần Văn Mỹ

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ

TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------------------

Trần Văn Mỹ

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ

TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG

Chuyên ngành: Hải dương học

Mã số: 60440228

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Nguyễn Kim Cương TS. Jean-Pierre Lefebvre

Hà Nội - 2015

i

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Kim Cương và TS.

Jean-Pierre Lefebvre đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian em thực hiện luận

văn. Các thầy đã chỉ dạy cho em những kiến thức quý báu và giúp đỡ em về số liệu

và công cụ tính toán.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS. TS. Đinh Văn Ưu và PGS. TS.

Nguyễn Trung Việt chủ nhiệm đề tài: “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận

chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển Vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” –

Chương trình KH&CN nghị định thư cấp Nhà nước đã cung cấp cho em những số

liệu và những kiến thức bổ ích.

Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Khoa học và công

nghệ biển nói riêng và trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học nói chung,

ban giám đốc và các cán bộ Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường đã tạo

điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn.

Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc không tránh khỏi những thiếu sót, em

rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để em có thể bổ sung và

hoàn thiện hơn cho các nghiên cứu tiếp theo.

Em xin chân thành cảm ơn!

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i

MỤC LỤC .................................................................................................................. ii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................... v

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN .. 2

1.1. Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone) ................................................ 2

1.1.1. Giới thiệu chung .................................................................................. 2

1.1.2. Các khu vực gần bờ ............................................................................. 4

1.1.3. Sóng và sóng gây ra sóng tràn ............................................................ 5

1.1.4. Chu kỳ sóng tràn .................................................................................. 7

1.1.5. Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn ................................... 10

1.2. Tình hình nghiên cứu ............................................................................... 11

1.3. Mục tiêu luận văn ..................................................................................... 13

Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN

................................................................................................................................... 14

2.1. Phương pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sát ..................................... 14

2.1.1. Khảo sát thực địa............................................................................... 14

2.1.2. Phương pháp xử lý số liệu Vectrino .................................................. 15

2.1.3. Phương pháp đồng bộ số liệu Vectrino và số liệu Video .................. 18

2.2. Mô hình Dam-Break ................................................................................ 22

2.2.1. Lý do chọn mô hình Dam-break ........................................................ 22

2.2.2. Giới thiệu mô hình Dam-break ......................................................... 22

2.2.3. Mô hình dòng chảy nước nông .......................................................... 24

2.3. Tổng quan khu vực vịnh Nha Trang ........................................................ 29

iii

2.3.1. Vị trí địa lí ......................................................................................... 29

2.3.2. Đặc điểm gió ..................................................................................... 29

2.3.3. Đặc điểm dòng chảy .......................................................................... 30

2.3.4. Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước ..................................... 31

2.3.5. Đặc điểm chế độ sóng ....................................................................... 31

Chương 3 – KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG .................... 34

3.1. Kết quả phân tích trường dòng chảy trong vùng sóng vỡ và sóng tràn ... 34

3.2. Phân bố năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn ....................... 39

3.3. Mối quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi và chiều cao bore sóng tràn .. 49

3.4. Mô phỏng vận tốc bore nước bằng mô hình số Dam-break ..................... 50

KẾT LUẬN ............................................................................................................... 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 57

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1. 1. Khoảng tần số trong vùng sóng tràn [Short, 1999] ................................... 7

Bảng 2. 1. Bảng tần suất hướng sóng khu vực nghiên cứu......................................32

Bảng 2. 2. Bảng tần suất độ cao sóng khu vực nghiên cứu....................................... 33

Bảng 3. 1. Các trường hợp mô phỏng bore nước bằng mô hình Dam-break………51

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. 1. Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào bờ. ............................. 2

Hình 1. 2. Đặc điểm chính của một bãi biển (bên trái) và của phần đất bồi ở

biển (bên phải) (Masselink & Hughes 2003). ................................................... 3

Hình 1. 3. Phân loại các khu vực sóng gần bờ. ................................................. 4

Hình 1. 4. Đại diện của dao động sóng tần số cao. ........................................... 6

Hình 1. 5. Đại diện của một sóng dài cưỡng bức bởi hai thành phần sóng của

nhóm sóng ngắn. ............................................................................................... 6

Hình 1. 6. Sơ đồ mô phỏng chu kỳ sóng tràn trên bãi biển bằng mô hình Xbeach

........................................................................................................................... 8

Hình 1. 7. Đo đạc thực địa của vận tốc dòng chảy ngang bờ (đường nét liền) và

độ sâu của nước (đường nét đứt) cho một chu kỳ sóng tràn, đo ở vị trí nửa giữa

giới hạn đi lên và đi xuống của nước [Hughes cùng cộng sự, 1997]. ............... 9

Hình 1. 8. Hình thái bãi biển. .......................................................................... 11

Hình 2. 1. Triển khai đo Vectrino II (Nortek) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và sơ

đồ nguyên tắc đo……………………………………………………………...........14

Hình 2. 2. Biểu đồ tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam cao và thấp trong quá trình đo. . 16

Hình 2. 3. Lựa chọn một đoạn dữ liệu (đoạn màu đỏ) trong chuỗi dữ liệu. ............. 16

Hình 2. 4. Độ lớn vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) trung bình

trên 1 micro-profile (đồ thị trên cùng), biểu diễn dao động của vận tốc (đồ thị giữa),

khoảng cách sensor – đáy (đồ thị phía dưới). ........................................................... 17

Hình 2. 5. Năng lượng rối TKE ước tính trong micro-profile. ................................. 18

Hình 2. 6. Đo đồng bộ máy Vectrino và máy quay Video. ....................................... 19

Hình 2. 7. SNR (màu đen), dữ liệu được lựa chọn trước (màu xanh) và cực tiểu của

SNR (màu đỏ). .......................................................................................................... 19

Hình 2. 8. Lựa chọn một đoạn dữ liệu tốt (màu đỏ) trong một chuỗi dữ liệu. .......... 20

Hình 2. 9. Đồ thị 1: Vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) của dòng

chảy; đồ thị 2: Thành phần ngang của dòng chảy (hướng lên trên bờ); đồ thị 3: độ sâu

vi

đo được từ các cảm biến (đường màu đỏ tương ứng với vị trí của các cell đo được);

đồ thị 4: Năng lượng rối trung bình các cell đo được. .............................................. 21

Hình 2. 10. Năng lượng rối (TKE) trong 3,5cm micro-profile. ................................ 22

Hình 2. 11. Sơ đồ vecto thông lượng qua các bề mặt. .............................................. 25

Hình 2. 12. Ngoại suy tuyến tính bên trái và bên phải. ............................................. 27

Hình 2. 13. Lưới Cartesian. ....................................................................................... 28

Hình 2. 14. Lưới Non-Cartesian. ............................................................................... 29

Hình 2. 15. Hoa gió tại trạm quan trắc khí tượng Nha Trang. .................................. 30

Hình 2. 16. Hoa sóng khu vực ngoài khơi vùng biển Khánh Hòa. ........................... 32

Hình 3. 1. Hình ảnh trường dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày

29/5/2013…………………………………………………………………………..34

Hình 3. 2. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày 29/5/2013 .. 35






Hình 3. 8. Hai dòng chảy với vận tốc trung bình theo thời gian khác nhau (iu ) nhưng

có thành phần rối tương đương (ui') .......................................................................... 40

Hình 3. 9. Phổ năng lượng rối Kolmogorov-Obukhov ............................................. 40

Hình 3. 10. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn

lúc 08h48 ngày 29/5/2013 ......................................................................................... 41

Hình 3. 11. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày

29/5/2013 ................................................................................................................... 42


lúc 08h49 ngày 29/5/2013 ......................................................................................... 42


29/5/2013 ................................................................................................................... 43

vii


lúc 16h35 ngày 29/5/2013 ......................................................................................... 43


29/5/2013 ................................................................................................................... 44


lúc 16h54 ngày 29/5/2013 ......................................................................................... 45


29/5/2013 ................................................................................................................... 45


lúc 08h54 ngày 30/5/2013 ......................................................................................... 46


30/5/2013 ................................................................................................................... 46


lúc 09h04 ngày 30/5/2013 ......................................................................................... 47


30/5/2013 ................................................................................................................... 47


lúc 09h40 ngày 30/5/2013 ......................................................................................... 48


30/5/2013 ................................................................................................................... 49

Hình 3. 24. Đường quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi với chiều cao bore sóng tràn

................................................................................................................................... 50

Hình 3. 25. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy xuất

từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 1. .... 52

Hình 3. 26. So sánh năng lượng rối trung bình tke đo đạc (đường nét đứt) với vận tốc

dòng chảy từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường

hợp 1. ......................................................................................................................... 53

Hình 3. 27. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy mô

hình xuất ra (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 3. 53

viii



hợp 3. ......................................................................................................................... 54


hình xuất ra (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 8. 55



hợp 8. ......................................................................................................................... 55

1

MỞ ĐẦU

Việt Nam có bờ biển dài khoảng 3260 km và nằm ở phía tây biển Đông nên

chịu ảnh hưởng trực tiếp của các điều kiện khí tượng thủy văn biển Đông. Trường

sóng trên biển Đông là một trong các yếu tố động lực biển quan trọng tác động lên

tàu thuyền, các công trình và mọi hoạt động trên biển. Khi sóng lan truyền vào vùng

ven bờ thì trường sóng vùng ven bờ cũng là nguyên nhân chính gây xói lở bờ biển,

biến đổi đáy biển vùng ven bờ tác động đến các công trình bảo vệ bờ, công trình cảng

và luồng ra vào cảng.

Sóng biển lan truyền về phía bờ sẽ biến dạng, đổ vỡ khi chiều cao sóng đạt tới

một giá trị tới hạn so với chiều sâu nước. Sau khi sóng đổ, chuyển động sóng thành

chuyển động rối, đặc trưng bởi các xoáy cuộn có kích thước khác nhau. Do chuyển

động rối này, năng lượng sóng truyền từ khơi vào sẽ bị tiêu hao trong vùng sóng vỡ.

Dưới ảnh hưởng của chuyển động rối do sóng vỡ tạo nên, chuyển động của chất lỏng

trong vùng sóng vỡ và sóng tràn vô cùng phức tạp. Việc nghiên cứu và mô phỏng

sóng vỡ và sóng tràn trong vùng nước nông là vấn đề cần phải nghiên cứu hiện nay

của lĩnh vực nghiên cứu biển nhưng do quy mô diễn ra nhỏ và bao gồm nhiều quá

trình tương tác phức tạp nên vẫn chưa được tập trung nghiên cứu.

Luận văn này trình bày những tổng quan cơ bản về các quá trình vật lý của

hiện tượng sóng tràn sau quá trình tiêu tán năng lượng do sóng đổ. Luận văn đã thu

thập số liệu đo đạc trong vùng sóng tràn bằng thiết bị đo đạc quy mô nhỏ, tần số cao

Vectrino ADV tại bãi biển Nha Trang và đưa ra các phân tích đặc trưng của quá trình

lan truyền sóng trên bãi biển. Các kỹ thuật xử lý số liệu, xử lý ảnh hiện đại đã được

ứng dụng để phân tích số liệu. Mô hình số cũng đã được ứng dụng để mô tả số quá

trình lan truyền sóng sau khi sóng đổ. Các kết quả mô phỏng của mô hình đã được so

sánh với kết quả đo đạc tại bãi biển Nha Trang và đã chỉ ra khả năng ứng dụng của

mô hình vỡ đập (dambreak model) cho nghiên cứu hiện tượng lan truyền sóng sau

đới sóng đổ.

2

Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN

1.1. Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone)

1.1.1. Giới thiệu chung

Vùng sóng tràn (swash zone) là một bộ phận của biển mà khoảng rộng từ giới

hạn sóng bắt đầu vỡ cho đến giới hạn cao nhất mà nước biển có thể đi lên. Đây là một

khu vực rất biến động và phức tạp, nơi xảy ra các quá trình thủy động lực học và hình

thái học khác nhau.

Hình 1. 1. Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào bờ.

Đới sóng tràn là nơi tiếp giáp trực tiếp giữa đất liền và biển. Đây là dải hẹp và

nhiều biến động cũng như rất phức tạp của các quá trình thủy động lực học. Tuy

nhiên, sự thay đổi đường bờ, bãi biển chính là kết quả của các quá trình rối, quá trình

vận chuyển trầm tích... cũng như các tác động trực tiếp của sóng. Chính sự thay đổi

này định hình nên địa mạo của các bãi biển.

Do gia tăng sự tương tác giữa chuyển động của các hạt nước và đáy đã tạo ra

sự thay đổi đặc điểm của sóng trong quá trình truyền sóng về phía bờ biển. Vùng sóng

vỡ và sóng tràn phụ thuộc vào điều kiện của thủy triều và sóng. Khu vực nằm giữa

vùng sóng vỡ cho đến giới hạn cao nhất mà nước biển có thể đi lên bao gồm hai vùng:

- Vùng sóng vỡ: Từ vị trí sóng bắt đầu đổ khi truyền vào bờ đến vùng được giới

hạn bởi mép nước biển (thay đổi theo mực nước thủy triều), thông thường ở

độ sâu từ 5 ÷ 10 m.

3

- Vùng sóng tràn: Là vùng sóng tác động lên vùng bờ dưới dạng dao động mực

nước, nó nằm giữa mép nước biển (thay đổi theo mực nước thủy triều) với

vùng sóng tràn và sóng rút.

Hình 1. 2. Đặc điểm chính của một bãi biển (bên trái) và của phần đất bồi ở biển

(bên phải) (Masselink & Hughes 2003).

Vùng sóng tràn là một phần đặc biệt của bãi biển mà liên tục khô và ướt do

hiện tượng dao động mực nước của biển. Theo Short (1999) định nghĩa vùng sóng

tràn là một phần của bãi biển nằm giữa giới hạn thấp của pha nước đi xuống và giới

hạn trên của pha nước đi lên trên bãi biển.

Short (1999) đã mô tả hai đặc điểm bổ sung làm cho hình thái động lực vùng

sóng tràn độc đáo so với phần còn lại của bãi biển. Đầu tiên có một thực tế là độ sâu

nước trong sóng tràn có thể rất nhỏ, đặc biệt trong pha nước đi xuống, dẫn đến một

tình huống dòng chảy phức tạp. Thứ hai, một phần của đáy trong vùng sóng tràn là

không bão hòa gây nên sự xâm nhập của nước ở phía dưới đáy, đây là một khía cạnh

quan trọng liên quan đến vận chuyển bùn cát.

Các nhà khoa học trên thế giới đã chứng minh rằng vùng sóng tràn là khu vực

biến động nhất trong khu vực gần bờ, và nó được đặc trưng bởi dòng chảy mạnh và

không ổn định, mức biến động cao, vận chuyển bùn cát diễn ra mạnh mẽ gây thay đổi

hình thái bãi biển trong một khoảng thời gian nhỏ [Butt & Russell, 1999; Masselink

& Puleo, 2006; Bakhtyar et al, 2009].

4

Trong vùng sóng vỡ và sóng tràn năng lượng sóng tiêu hao mạnh mẽ gây ra

bởi hiện tượng phi tuyến (sóng vỡ, sự sụp đổ của bore nước, dòng chảy rối), vì vậy

các quá trình vận chuyển trầm tích ven bờ hầu hết đều xảy ra trong hai vùng này và

cuối cùng hình thành hình thái bãi biển.

1.1.2. Các khu vực gần bờ

Khi sóng tiếp cận bờ biển, sẽ có một vị trí mà tại đó độ sâu của nước đã giảm

đến một mức độ làm cho vận tốc truyền sóng (cg) giảm. Trước khi sóng vỡ, thông

lượng của năng lượng sóng được bảo toàn trong lan truyền sóng [ví dụ: Holthuijsen,

2007]:

P = Ecg = constant (1.1)

Trong đó E là năng lượng sóng và cg là vận tốc (nhóm) sóng. Theo định luật

bảo toàn năng lượng, năng lượng sóng tăng thì vận tốc lan truyền sẽ phải giảm. Khi

năng lượng sóng tăng thì làm cho chiều cao sóng tăng lên. Hiện tượng này được gọi

là hiệu ứng nước nông. Sau khi sóng vỡ thì một khối nước lan truyền như một bore

nước qua vùng sóng vỡ. Và một lớp nước mỏng sẽ đi lên (chạy lên) trên bãi biển và

đi xuống (chạy xuống) trong một khu vực được gọi là vùng sóng tràn. Một chuỗi pha

nước đi lên và pha nước đi xuống được gọi là chu kỳ sóng tràn. Trong hình 1.3 một

sự khái quát của khu vực gần bờ được đưa ra.

Hình 1. 3. Phân loại các khu vực sóng gần bờ.

5

1.1.3. Sóng và sóng gây ra sóng tràn

Sóng có thể bắt nguồn từ gió (sóng gió, sóng lừng, sóng mao dẫn), lực hấp dẫn

giữa Mặt trời, Mặt trăng và Trái đất (sóng triều), chấn động biển (sóng thần) hoặc có

thể được gây ra bởi sóng khác (sóng tần số thấp). Các chu kỳ sóng có thể khác nhau

từ nhỏ hơn 0.1 s của sóng mao dẫn đến hơn 24 giờ của sóng triều.

Ba loại sóng đặc biệt quan trọng đối với vùng sóng tràn: sóng triều, sóng tần

số cao (sóng ngắn) và sóng tần số thấp (sóng dài). Quy mô thời gian và không gian

của thủy triều là lớn hơn nhiều so với quy mô vùng sóng tràn, ảnh hưởng của thủy

triều trong vùng sóng tràn có thể được biểu diễn như là một sự thay đổi mực nước,

chứ không phải là một dao động của sóng.

a, Sóng tần số cao

Sóng gió là sóng tạo ra bởi gió và quy mô của các sóng này phụ thuộc vào tốc

độ gió, thời gian gió thổi, đà gió (chiều dài mà gió tương tác với mặt biển) và độ sâu

của nước. Chu kỳ của chúng thường lớn hơn 0.25 s và nhỏ hơn 30 s, và nó được gọi

là sóng trọng lực bề mặt, sóng ngắn hoặc sóng tần số cao. Sóng gió tương đối ngắn,

và bao gồm các chuyển động khá ngẫu nhiên và không thường xuyên.

Sóng có thể lan truyền với một quãng đường dài, nhưng do quá trình phân tán

tần số (nơi mà những sóng được sắp xếp theo tần số sóng của chúng do sự khác biệt

trong dao động của sóng), chuỗi sóng sẽ trở nên đều đặn hơn (gọi là sóng lừng). Một

tác dụng của tần số phân tán, đó là những sóng có xu hướng di chuyển trong nhóm

sóng (hình 1. 4). Trong vùng nước nông, nơi mà sóng biển đang hoàn toàn thay đổi

bởi quá trình vỡ, sóng tách nhóm.

Trong hình 1. 4 các đường nét liền tượng trưng cho sự chuyển động sóng tần

số cao, các đường nét đứt đại diện cho nhóm sóng ngắn hình bao và đây là các hình

dạng tổng thể của nhóm sóng lan truyền trong không gian.

6

Hình 1. 4. Đại diện của dao động sóng tần số cao.

b, Sóng tần số thấp

Bên cạnh đó sóng cao tần chuyển động có thể đạt được một chu kỳ sóng đến

năm phút (với tần số 0,003÷0,03 Hz). Những sóng có bước sóng dài hơn, nhưng biên

độ thường nhỏ hơn nhiều so với sóng tần số cao, và được liên kết với các nhóm sóng

ngắn. Trong văn liệu chúng được gọi là sóng dài, sóng tần số thấp, sóng vỡ nhịp hay

sóng trọng lực thấp. Có hai loại sóng tần số thấp: sóng dài và sóng tự do.

Hình 1. 5. Đại diện của dao động sóng dài cưỡng bức bởi hai thành phần sóng của

nhóm sóng ngắn.

7

Trong hình 1. 5 một dao động sóng dài là sơ đồ đại diện cho hai thành phần

sóng của nhóm sóng ngắn.

Trong hình 1. 5 các đường nét liền đại diện cho sóng tần số cao, trong khi các

đường nét đứt đại diện cho sóng dài.

1.1.4. Chu kỳ sóng tràn

Khi sóng lan truyền vào đến bờ tạo ra một chuyển động theo chu kỳ của pha

nước đi lên và đi xuống. Hiện tượng đi lên và đi xuống của pha nước do sóng được

gọi là chu kỳ sóng tràn. Một chu kỳ sóng tràn bao gồm hai giai đoạn riêng rẽ, mỗi

một giai đoạn có đặc trưng riêng [Bakthtyar cùng cộng sự, 2009]. Quá trình đi lên

của nước trên bãi biển là quá trình nước chuyển đến dồn lên. Trong khoảng dồn lên

của nước trên bãi biển thì vận tốc dòng chảy sẽ giảm đi (vì do ma sát đáy và trọng

lực) cho đến khi vận tốc bằng 0. Trong một thời gian ngắn nước di chuyển lên bãi

biển đến vị trí cao nhất mà nước biển có thể đi lên và sau đó nước sẽ bắt đầu di chuyển

xuống. Sau khi nước di chuyển xuống thì vận tốc dòng chảy tăng thêm lần nữa, nhưng

lúc này hướng dòng chảy ra ngoài khơi, cho đến khi gặp chu kỳ sóng tràn tiếp theo.

Sự đi xuống của nước trên bãi biển hướng ra biển là chuyển động nước cuộn ngược.

Trong hình 1. 6 biểu diễn một chu kỳ sóng tràn trên bãi biển.

Chu kỳ sóng tràn nói chung có thể được phân thành ba dải tần số và được thể

hiện trong bảng 1. 1.

Bảng 1. 1. Khoảng tần số trong vùng sóng tràn [Short, 1999]

Tần số (Hz) Chu kỳ (s)

Tần số cao 0,07 - 0,2 5 - 15

Tần số trung bình 0,03 - 0,07 15 - 30

Tần số thấp 0,003 - 0,03 30 - 300

8

Hình 1. 6. Sơ đồ mô phỏng chu kỳ sóng tràn trên bãi biển bằng mô hình Xbeach

Trên hình 1.6 biểu diễn sự lan truyền của sóng tràn trên bãi biển được trích

xuất từ quá trình mô phỏng của mô hình Xbeach. Trong hình (A) một bore sóng lan

truyền về phía bãi biển. Trong hình (B) chiều cao bore giảm (sụp đổ) và thay đổi

thành một lớp nước mỏng vẫn đi lên bãi biển (dồn lên). Trong hình (C) vận tốc đang

giảm do ma sát đáy và (chủ yếu) lực hấp dẫn. Trong hình (D) và (E) các rửa ngược

9

được thực hiện; nước di chuyển từ bãi biển về phía biển. Trong hình (F) sóng tràn

gặp các bore tiếp theo do đó sẽ tạo ra một chu kỳ sóng tràn mới.

Chu kỳ sóng tràn bất đối xứng

Sự khác biệt trong hiện tượng dồn lên và rửa ngược trong một chu kỳ sóng

tràn được gọi là sóng tràn bất đối xứng. Trong hình 1. 7 thể hiện một chuỗi thời gian

của mực nước và vận tốc đo được trong vùng sóng tràn, nơi mà sóng tràn bất đối

xứng có thể được quan sát thấy. Ngược lại với hiện tượng rửa ngược, thì hiện tượng

dồn lên diễn ra trong thời gian ngắn và tốc độ mạnh. Ngoài ra mực nước dồn lên sẽ

cao hơn mực nước rửa ngược. Khi vận tốc dồn lên lớn và mực nước dồn lên cao sẽ

tạo ra lưu lượng trong quá trình dồn lên lớn hơn trong quá trình rửa ngược.

Hình 1. 7. Đo đạc thực địa của vận tốc dòng chảy ngang bờ (đường nét liền) và độ

sâu của nước (đường nét đứt) cho một chu kỳ sóng tràn, đo ở vị trí nửa giữa giới

hạn đi lên và đi xuống của nước [Hughes cùng cộng sự, 1997].

Với trường hợp trên một bãi biển; sẽ có hai khía cạnh được xem xét. Khía cạnh

đầu tiên là sự khác biệt trong thời gian dồn lên và rửa ngược; trong hình 1. 7 thời gian

dồn lên là ngắn hơn so với thời gian rửa ngược. Khía cạnh thứ hai là dòng chảy ngầm.

Nước xâm nhập bãi biển (khô) trong dồn lên và sẽ thoát ra trong rửa ngược, do đó

10

một phần của nước đưa lên bãi cát bởi sự dồn lên là vẫn còn lại trong khoảng rửa

ngược.

Cả hai quá trình dồn lên và rửa ngược có nhiều quá trình thủy động lực diễn

ra mà có ảnh hưởng đến vận chuyển bùn cát trong vùng sóng tràn.

1.1.5. Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn

a, Hình thái bãi biển

Theo Wrigh & Short [1984] bãi biển có thể được phân thành ba loại hình thái:

- Bãi biển phản xạ: Đó là những bãi biển khá dốc mà có vùng sóng vỡ và sóng tràn

hẹp. Chuyển động của sóng trên bãi biển phản xạ là hiện tượng lao lên đến sụp đổ

của các sóng vỡ hoặc sóng không vỡ và sau đó được phản xạ. Các loại trầm tích tại

các bãi biển này là tương đối thô và không có bar chắn sóng vỡ [Short, 1999]. Do sự

phân tán năng lượng sóng thấp, các bãi biển phản xạ thường được gọi là bãi biển có

năng lượng thấp.

- Bãi biển khuếch tán: Đó là những bãi biển tương đối bằng phẳng với một vùng sóng

vỡ và sóng tràn rộng và có nhiều bar chắn sóng vỡ hiện diện trong profile ngang bờ

[Short, 1999]. Chuyển động của sóng trên bãi biển khuếch tán là hiện tượng sóng vỡ

sau đó tràn lên bãi biển và các trầm tích trên bãi biển là tương đối mịn [Short, 1999].

Các chuyển động sóng tràn chính bao gồm bore nước sụp đổ đi lên và đi xuống bãi

biển. Do tiêu tán một phần lớn năng lượng sóng nên các bãi biển khuếch tán thường

được gọi là bãi biển có năng lượng cao.

- Bãi biển trung gian: Những bãi biển có sự kết hợp các đặc điểm của hai hình thái

bãi biển phản xạ và khuếch tán, có thể được xem như là bãi biển bán khuếch tán (hoặc

bán phản xạ).

11

Hình 1. 8. Hình thái bãi biển.

b, Sự thống trị của sóng tần số cao và thấp

Một số thí nghiệm đã được tiến hành để nghiên cứu sự khác biệt các quá trình

trong vùng sóng tràn cho một bãi biển khuyếch tán và phản xạ [ví dụ: Masselink &

Russell, 2006; Miles et al., 2006]. Trên bãi biển phản xạ các sóng tần số thấp được

phản xạ, còn sóng tần số cao hơn bị vỡ khá đột ngột (lao dốc hoặc bị sụp đổ), làm cho

các sóng tần số cao hơn chiếm ưu thế hơn trong vùng sóng tràn. Trên bãi biển khuếch

tán, do độ dốc bãi biển tương đối thoai thoải nên tăng cường phát triển sóng tần số

thấp hơn. Do hiện tượng tiêu tán của sóng tần số thấp và sóng tần số cao, nên bãi biển

khuếch tán chi phối đến chuyển động của sóng tần số thấp [Wright & Short, 1984;

Short, 1999].

1.2. Tình hình nghiên cứu

a, Trên thế giới

+ Sự hiểu biết về hoạt động sóng tràn

Cơ chế sóng tràn chịu ảnh hưởng bởi các đặc điểm của khu vực nghiên cứu

(độ dốc bãi biển, phân bố kích thước hạt, chế độ sóng) (Masselink và Puleo, 2006).

+ Đo đạc trong vùng sóng tràn

12

Bởi vì vùng sóng tràn không ổn định, năng lượng rối lớn, thủy triều chi phối,

dòng chảy hẹp, rất khó khăn để có được các dữ liệu chính xác trong vùng sóng tràn.

Các nghiên cứu trước đã tiến hành bằng cách sử dụng thiết bị đo dòng chảy tần số

cao (ADV) và cảm biến quang tán xạ ngược (Hugues et al. 1997; Hughes and Turner,

1999; Puleo et al. 2000; Baldock, 2004; Masselink et al. 2005). Gần đây, các kỹ thuật

mới (ADV, Video) đã được thử nghiệm thành công (Vousdoukas et al, 2014;

Lefebvre et al. 2014).

+ Vận chuyển trầm tích

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của dòng chảy trong vùng sóng tràn đến quá trình

vận chuyển bùn cát ven bờ (Horn and Mason, 1994; Puleo et al. 2000; Pritchard and

Hogg, 2005; Barnes et al. 2009); Steenhauer et al. 2012; Shanehsazzedeh and

Holmes, 2013; Liu 2013).

+ Mô phỏng tại các phòng thí nghiệm

Để tránh các khó khăn của điều kiện tự nhiên, quá trình sóng tràn đã được

nghiên cứu trong điều kiện kiểm soát ở trong phòng thí nghiệm (Erikson et al. 2005;

Lobovsky et al. 2013; Kikkert et al. 2013).

+ Mô hình

Nghiên cứu mô phỏng quá trình lan truyền sóng trong đới sóng tràn bằng mô

hình mô phỏng sự sụp đổ của một bore nước tương tự như một cơ chế vỡ đập (Holland

and Puleo, 2001; Puleo et al. 2002; Hugues and Baldock, 2004; Brocchini and

Baldock, 2008) và đã khẳng định khả năng ứng dụng của dạng mô hình này khi mô

phỏng trường dòng chảy trên bãi biển.

b, Trong nước:

Rất ít các điều tra đã thực hiện về chủ đề này ở Việt Nam. Nguyễn Thế Duy

cùng cộng sự (2002) đã mô hình hóa dòng chảy được tạo ra bởi một sóng vỡ và mở

rộng cho dòng chảy cả vùng sóng vỡ và sóng tràn trong máng sóng.

13

1.3. Mục tiêu luận văn

Từ việc xử lý và phân tích số liệu khảo sát trong hai đợt khảo sát tháng 5 và 12

năm 2013 tại bãi biển Nha Trang, tác giả sẽ đưa ra được bức tranh trường dòng chảy

và phân bố năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trên bãi biển Nha Trang.

Trong quá trình xử lý và phân tích số liệu sóng của máy AWAC tại vị trí có độ

sâu 10 m và dữ liệu ảnh của camera để tìm ra mối liên hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi

với chiều cao của bore nước trong vùng sóng tràn.

Song song với quá trình xử lý và phân tích số liệu khảo sát còn kết hợp với phát

triển, ứng dụng và kiểm chứng mô hình vỡ đập (dambreak model) cho mô phỏng hiện

tượng lan truyền sóng sau đới sóng đổ.

14

Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG

TRÀN

2.1. Phương pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sát

2.1.1. Khảo sát thực địa

Trong hai đợt khảo sát tại bãi biển Nha Trang theo đề tài “Nghiên cứu chế độ

thủy động lực học và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển Vịnh Nha Trang,

tỉnh Khánh Hòa” – Chương trình KH&CN nghị định thư cấp Nhà nước do tác giả của

luận văn này đã tiến hành đo dòng chảy trong vùng sóng tràn bằng máy Vectrino II

trong tháng 5 và tháng 12 của năm 2013.

Vì vùng sóng tràn thay đổi theo dao động của mực nước thủy triều nên khi tác

giả tiến hành đo dòng chảy trong vùng sóng tràn bằng máy Vectrino II cũng phải dịch

chuyển vị trí đặt máy theo dao động của mực nước thủy triều. Do đó phải chọn vị trí

đặt máy Vectrino II trong vùng sóng vỡ và sóng tràn sao cho đầu sensor ngập trong

nước nhiều nhất. Khoảng cách từ đầu sensor tới đáy phải lớn hơn 8 cm, khoảng đo

cách đầu sensor 4 cm và đo trong khoảng 3,5 cm với 35 cell, khoảng cách mỗi cell là

1mm, tần số đo là 0,015 s (hình 2.1). Các số liệu đo đạc của máy Vectrino được hỗ

trợ bởi một trạm đo sóng ngoài khơi bằng máy AWAC tại độ sâu 10 m.

Hình 2. 1. Triển khai đo Vectrino II (Nortek) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và sơ

đồ nguyên tắc đo.

15

2.1.2. Phương pháp xử lý số liệu Vectrino

Từ chuỗi số liệu đo đạc tác giả đã tiến hành xử lý bằng một chương trình Matlab.

Để một chương trình đọc dữ liệu một cách tốt thì tác giả đã xây dựng sơ đồ dữ

liệu:

a, Chuyển đổi dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab

Dữ liệu thô là các số, ký tự được mã hóa bởi chương trình của máy Vectrino.

Để chuyển đổi dạng dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab

đọc được thì trong phần mềm Nortek Vectrino II, có tool Export Matlab để xuất số

liệu sang dạng *.mat. Nhưng để số liệu xuất ra đúng theo thời gian thực đo thì cần

kết hợp giữa file configuration tương ứng với dữ liệu cần xuất.

b, Đọc thời gian trong file *.mat

Trong file số liệu có chứa thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc đo. Để thuận

tiện cho việc xử lý và phân tích số liệu sau này, thì tác giả đã thay đổi tên file thành:

Vectrino dd-mm-yyyy start time_end time.mat.

c, Trích xuất một đoạn số liệu từ một chuỗi số liệu đo đạc

Trong quá trình đo máy Vectrino thì tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam là một

điều kiện tiên quyết cho bất kỳ phép đo và chúng ta cần SNR Beam tốt để đảm bảo

có đủ tán xạ trong nước và công suất phát là đủ cao để tạo ra một phản xạ mạnh.

Trong điều kiện đo đạc phức tạp tại bãi biển vì vậy dữ liệu đo về cần phải có quá trình

xử lý loại bỏ các đoạn số liệu bị nhiễu, số liệu chất lượng kém do SNR Beam thấp

hơn 20db.

Nha Trang

Vectrino Processed

NT1 NT2

Vectrino Raw

nts day 1 day 2

16

Tiến hành xử lý và phân tích số liệu bằng việc phân tích các chuỗi số liệu SNR

Beam. Tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam) (hình 2. 2) biểu diễn cho các cực đoan cục

bộ. Các chấm đen trong hình thể hiện đầu sensor của máy Vectrino nổi lên khỏi mặt

nước.

Hình 2. 2. Biểu đồ tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam cao và thấp trong quá trình đo.

Để có số liệu dòng chảy tốt thì tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam phải tốt. Để loại

bỏ các đoạn số liệu bị nhiễu và chọn ra các đoạn số liệu tốt thì ta click vào hai điểm

để chọn một chuỗi. Việc lựa chọn xuất hiện trong đoạn màu đỏ trên biểu đồ.

Hình 2. 3. Lựa chọn một đoạn dữ liệu (đoạn màu đỏ) trong chuỗi dữ liệu.

17

Khi đã chọn được đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam thì chúng ta tiến hành

phân tích số liệu dòng chảy tương ứng với đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam mà ta

đã chọn và được thể hiện trên hai hình dưới đây:

Hình 2. 4. Độ lớn vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) trung

bình trên 1 micro-profile (đồ thị trên cùng), biểu diễn dao động của vận tốc

(đồ thị giữa), khoảng cách sensor – đáy (đồ thị phía dưới).

Năng lượng rối theo từng cell và theo thời gian được ước tính:

18

Hình 2. 5. Năng lượng rối TKE ước tính trong micro-profile.

Dựa vào đồ thị khoảng cách sensor – đáy cho ta thấy tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR

Beam tốt thì chưa chắc số liệu dòng chảy đã tốt. Vì theo nguyên tắc đo của máy

Vectrino (hình 2. 1), để có số liệu dòng chảy tốt thì đầu sensor phải ngập trong nước

và khoảng cách từ sensor – đáy phải lớn hơn hoặc bằng 7,5 cm.

Từ đó, cần phải kết hợp với số liệu của máy quay để loại bỏ các đoạn số liệu

khi đầu đo nổi trên không khí.

2.1.3. Phương pháp đồng bộ số liệu Vectrino và số liệu Video

Do sự thay đổi của độ cao mực nước thủy triều, nên khi tiến hành đo máy

Vectrino trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và do đó số liệu ghi lại sẽ bị sai khi đầu đo

đã nổi lên khỏi mặt nước. Các dữ liệu có được khi đầu đo Vectrino đã nằm trong vùng

sóng tràn sẽ được lựa chọn từ sự đồng bộ hóa giữa các đoạn video và số liệu Vectrino

theo thời gian thực.

19

Hình 2. 6. Đo đồng bộ máy Vectrino và máy quay Video.

Dữ liệu tương ứng để mức nước cao hơn đầu sensor (tức là độ sâu lớn hơn 7,5 cm

dưới các cảm biến) được phát hiện bằng cách xử lý các tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam).

Bộ dữ liệu có tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam) cao nhất và đầu sensor nằm trong nước

được vẽ bằng màu xanh lá cây (hình 2. 7).

Hình 2. 7. SNR (màu đen), dữ liệu được lựa chọn trước (màu xanh) và cực tiểu của

SNR (màu đỏ).

20

Từ đó chúng ta chọn những đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR màu xanh đã loại

bỏ số liệu bị nhiễu do đầu sensor nằm trên không khí hoặc khoảng cách giữa đầu

sensor tới đáy nhỏ hơn 7,5 cm. Tiến hành chọn đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR màu

xanh tốt (đoạn dữ liệu màu đỏ trong hình 2. 8).

Hình 2. 8. Lựa chọn một đoạn dữ liệu tốt (màu đỏ) trong một chuỗi dữ liệu.

Khi đã chọn được đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR tốt thì chúng ta tiến hành phân

tích số liệu dòng chảy, năng lượng rối tke tương ứng với đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu

SNR mà ta đã chọn và được thể hiện trên hai hình 2.9 và 2.10.

Điều kiện dòng chảy tương ứng với đoạn dữ liệu được lựa chọn (màu đỏ) trong

vùng sóng vỡ và sóng tràn được trình bày trên hình 2.9.

21

Hình 2. 9. Đồ thị 1: Vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) của

dòng chảy; đồ thị 2: Thành phần ngang của dòng chảy (hướng lên trên bờ); đồ thị 3:

độ sâu đo được từ các cảm biến (đường màu đỏ tương ứng với vị trí của các cell đo

được); đồ thị 4: Năng lượng rối trung bình các cell đo được.

Năng lượng rối (TKE) bên trong các cell đo được hiển thị trên hình 2.10 dưới

đây.

22

Hình 2. 10. Năng lượng rối (TKE) trong 3,5 cm micro-profile.

2.2. Mô hình Dam-Break

2.2.1. Lý do chọn mô hình Dam-break

- Vì quá trình lan truyền nước trong vùng sóng tràn là sự sụp đổ của bore nước

tương tự như quá trình vỡ đập.

- Kiểm chứng mô hình xem mô hình có thực sự mô phỏng được quá trình lan

truyền sóng trong vùng sóng tràn không.

2.2.2. Giới thiệu mô hình Dam-break

Mô hình thủy lực tính toán bằng việc sử dụng các mô hình toán học để hiểu

khái niệm cơ chế chuyển động của nước trong không gian và thời gian.

Phương trình sai phân hữu hạn (PDE - Partial Differential Equation) sử dụng

cho các mô hình mô phỏng dòng chảy bề mặt tự do dựa trên quy luật bảo tồn khối

lượng và động lượng.

a, Các phương pháp số:

Ba loại phương pháp số sẽ được sử dụng để giải quyết vấn đề của phương

trình sai phân hữu hạn:

1- Phương pháp sai phân hữu hạn.

2- Phương pháp phần tử hữu hạn.

23

3- Phương pháp thể tích hữu hạn.

Phương pháp sai phân hữu hạn là một phương pháp đại số dựa trên các khai

triển của Taylor, đó là một phương pháp xấp xỉ các nghiệm bằng cách giải phương

trình sai phân hữu hạn.

Để giải quyết vấn đề này, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể

tích hữu hạn có thể là giải pháp.

Phương pháp phần tử hữu hạn có nguồn gốc từ lĩnh vực phân tích kết cấu, nó

sau đó đã được áp dụng cho cơ chất lỏng, phương pháp phần tử hữu hạn là phức tạp

hơn so với phương pháp sai phân hữu hạn tuy nhiên nó cung cấp kỹ thuật đa năng

cho các vấn đề phức tạp với hình học.

Phương pháp phần tử hữu hạn xem xét các nghiệm có phù hợp với liên kết các

số hữu hạn của các yếu tố phân tử và các phương trình sai phân hữu hạn được biến

đổi đến phương trình đồng thời tuyến tính hoặc không tuyến tính.

Các vấn đề liên tục được đơn giản hóa bằng cách làm giảm đi miền tính thành

các phần tử nhỏ như vậy đại lượng vô hạn không biết sẽ bị biến thành đại lượng hữu

hạn không biết tại một nút nào đó.

Phương pháp thể tích hữu hạn là một phiên bản tinh tế của phương pháp sai

phân hưu hạn vì nó cung cấp một tính chất bảo tồn tuyệt vời và giải thích vật lý rõ

ràng. Các miền tính được chia ra thành một tập hợp các thể tích kiểm soát.

Phương pháp thể tích hữu hạn là phương pháp xác định nghiệm trong một cell

do sự trao đổi (thông qua các luồng) tại bề mặt với tất cả các cell lân cận.

b, Phương pháp thể tích hữu hạn Godunov:

Chương trình Godunov là một phương pháp phân tích thể tích hữu hạn giải bài

toán Riemann.

Bài toán Riemann sử dụng các giá trị mặt của các biến dòng chảy ở hai bên

của bề mặt (trạng thái Riemann).

24

Chương trình Godunov có thể tính toán sự trao đổi giữa các dòng chảy ngay

cả khi các nghiệm là không liên tục.

Chương trình này cũng có thể mô phỏng các hiện tượng phức tạp của nước

nông với các loại khác nhau của các tình huống (siêu tới hạn, dưới tới hạn, bề mặt

khô ướt).

2.2.3. Mô hình dòng chảy nước nông

a, Phương trình nước nông 1D

Các phương trình nước nông hay còn gọi là phương trình Saint Venant là một

loại của phương trình phi tuyến hyperbolic. Nó có nguồn gốc từ tích hợp phương trình

Navier - Stokes trong đó quy mô chiều dài ngang lớn hơn chiều sâu chất lỏng. Đối

với điều này, nó được giả định rằng vận tốc thẳng đứng của nước là cực kỳ nhỏ. Dạng

ma trận của phương trình nước nông 1-D là:

qUS

x

F

t

U

)2(2

1 2

bzguq

qF

x

zg

S b

0 (2.1)

Trong đó:

t: thời gian, U: vector chứa các dòng chảy được bảo toàn;

x: tọa độ Decartes; F: vector thông lượng trong x-hướng;

S: vector nguồn; η và zb là độ cao bề mặt nước, độ cao đáy so với mốc;

h = η - zb; q = uh: lưu lượng đơn vị chiều rộng;

g: gia tốc do trọng lực; u: vận tốc trung bình theo độ sâu;

𝜕𝑧𝑏 / 𝜕𝑥: độ dốc đáy

b, Phương pháp thể tích hữu hạn

Sự tích hợp của phương trình nước nông 1-D theo thời gian và thể tích kiểm soát

là:

25

tt

t CV

tt

t CV

tt

t CV

iii dVdtSdVdt

x

FdVdt

t

U

tt

t CV

tt

t

tt

t CV

i

S

ii dVdtSdSdtFdVdt

t

U

tt

t CV

tt

t

tt

t CV

iiwiei dVdtSdtAFAFdVdt

t

U)(

(2.2)

trong đó: Δx và Δt là độ dài của các cell và bước thời gian, n là mức thời gian,

Fiw và Fie là vectơ thông lượng qua các bề mặt trái và phải như thể hiện trong hình 2. 11.

Hình 2. 11. Sơ đồ vecto thông lượng qua các bề mặt.

c, Chương trình bậc hai

Chương trình bậc hai chính xác được xây dựng với sự kết hợp của độ dốc giới

hạn và tích phân thời gian Runge-Kutta để có được độ chính xác bậc hai trong thời

gian, kết quả là:

iiwie

n

i

n

i tSFFx

tUU

)(1 ))()((

2

1 *1 UKUKtUU i

n

i

n

i

n

i (2.3)

)(* n

i

n

i UtKUU (2.4)

trong đó: 𝑲𝒊 = -𝑭𝒊𝒆-𝑭𝒊𝒘 / Δ𝒙 + 𝑺𝒊; là hệ số Runge Kutta

𝑼* là biến lưu lượng trung gian.

iiwie

n

i

n

i tSFFx

tUU

)(1

26

d, Giải pháp Harten-Lax-Van Leer Riemann

Chương trình Godunov mô tả các vấn đề Riemann, giải pháp Harten-Lax-Van

Leer Riemann sau đó được sử dụng để giải quyết cho các thông lượng bề mặt. Xấp

xỉ cho các cell thông lượng đạt được trực tiếp vì nó chỉ gồm ba trạng thái liên tục

cách nhau bằng hai sóng (Toro, 2009). Các thông lượng Harten-Lax-Van Leer tương

ứng cho phương pháp Godunov được cho bởi:

R

RL

L

R

LR

LRRLRLLR

L

i

Sif

SifS

Sif

FFF

UUSSFSFSF

F

0

0

0)(

2

1 (2.5)

với

)2(2

1 22

bfLL

L

L

L

L zgh

q

q

F

;

)2(2

1 22

bfRR

R

R

R

R zgh

q

q

F

(2.6)

và SL và SR là tốc độ sóng bên trái và bên phải ngay trong một cấu trúc giải pháp

Riemann:

**

**

,max(

,min(

ghughuS

ghughuS

RRR

LLL

với

bRRR

bLLL

zh

zh

RRR

LLL

hqxu

hqxu

/

/

và

2

*

*

)(4

1)(

2

11

)(2

1

RLRL

RLRL

uughghg

h

ghghuuu

(2.7)

e, Điều kiện độ dốc đáy

Bên cạnh những tính toán thông lượng, các điều kiện nguồn gốc khác không

sử dụng cho các phương trình động lực cũng cần được xác định đúng. Cách đơn giản

nhất để đánh giá chúng, là sử dụng sai số trung tâm:

𝑧𝑏 𝑖𝑒 = (𝑧𝑏 𝑖+1 + 𝑧𝑏 𝑖) /2; 𝑧𝑏 𝑖𝑤 = (𝑧𝑏 𝑖−1 + 𝑧𝑏 𝑖)/ 2 (2.8)

27

Dưới dạng ma trận:

(2.9)

f, Phương pháp sơ đồ sai phân trung tâm ngược đơn điệu cho các định luật bảo toàn

(Monotone Upstream-centered Schemes for Conservation Laws) và giới hạn độ dốc

Sơ đồ sai phân trung tâm ngược đơn điệu cho các định luật bảo toàn được giới

thiệu trong sử dụng bậc hai chính xác trong không gian. Các giá trị bề mặt của các

biến dòng chảy được tính toán bằng cách xây dựng lại tuyến tính để xác định trạng

thái Riemann. Điều này được thực hiện từ các dữ liệu lưu lượng có tại cell trung tâm

(xem hình 2. 12). Ngoại suy tuyến tính được cho bởi:

ii

L

e Ux

UU ˆ2

;

ii

R

w Ux

UU ˆ2

(2.10)

trong đó: 𝑈𝑒𝐿 và 𝑈𝑤𝑅 là những giá trị bề mặt ở phía bên trái của bề mặt đông và bên

phải của bề mặt tây, tương ứng; ∇Û𝑖 là vector gradient.

Hình 2. 12. Ngoại suy tuyến tính bên trái và bên phải.

Các giới hạn độ dốc được sử dụng để ngăn chặn sự dao động số gần gradients

dốc và chảy không liên tục. Nó cũng đảm bảo, tổng số biến thể giảm bớt "(TVD) tính

chất (Toro, 2009). Độ dốc giới hạn minmod được sử dụng và được cho bởi:

x

UU

x

UUU iiii

i11 ,modminˆ với

0

),max(

),min(

),mod(min yx

yx

yx

otherwise

yifx

yifx

0,

0,

(2.11)

x

zzg

S biwbiei

i

0

28

g, Bước thời gian và điều kiện biên

Điều kiện Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) là một điều kiện cần thiết cho sự

hội tụ của nghiệm bài toán của phương trình sai phân hữu hạn, để có được sự ổn định

cho sơ đồ rõ ràng này điều kiện CFL được áp dụng.Ý tưởng chính là để có các bước

thời gian nhỏ hơn thời gian cho dòng chảy rối di chuyển đến các điểm lưới tiếp theo.

Nó được biểu diễn bởi:

(2.12)

trong đó: C là số Courant và C= 0,75.

h, Lưới Đề các và phi Đề các

Lưới Đề các là lưới mà có các điểm lưới tuân theo các mặt phẳng x, y và z

xem hình 2. 13. Lưới không bị giới hạn hình chữ nhật nhưng mỗi thành phần của lưới

phải thực hiện theo một trong các mặt Đề các.

Hình 2. 13. Lưới Đề các.

Lưới phi Đề các là loại có các điểm lưới không tuân theo các mặt xyz. Hình 2.

14 là một đại diện của một lưới phi Đề các nhưng lưới phi Đề các là không giới hạn

chỉ là hình dạng này.

ii

ighu

xCt minmin

29

Hình 2. 14. Lưới phi Đề các.

2.3. Tổng quan khu vực vịnh Nha Trang

2.3.1. Vị trí địa lí

Vịnh Nha Trang nằm phía đông thành phố Nha Trang, thuộc tỉnh Khánh Hòa, giới

hạn phía bắc là mũi Kê Gà, phía nam là mũi Đông Ba. Với diện tích khoảng 500 km2, vịnh

Nha Trang được che chắn bởi 19 đảo lớn nhỏ, đảo lớn nhất là đảo Hòn Tre rộng

khoảng 36 km2. Các đảo này làm cho vịnh Nha Trang vừa có những nét đẹp riêng

vừa có những đặc trưng thủy động lực phức tạp.

2.3.2. Đặc điểm gió

Gió khu vực vịnh Nha Trang mang đặc trưng của đặc điểm gió ven bờ Khánh

Hòa, là chế độ gió mùa nhiệt đới (Đông bắc, Tây nam) và gió đất – biển. Mặt khác,

do địa hình đặc trưng của vùng ven biển, gió ở đây còn mang những đặc trưng của

gió địa phương (gió Tu Bông).

Sự tác động của hai hệ thống gió mùa và gió đất – biển đã tạo nên những đặc

điểm khác biệt trong biến động ngày đêm của gió trong khu vực. Vào mùa hè, gió

thổi từ đất liền ra biển với tốc độ tương đối nhỏ nhưng vào buổi tối, gió thổi từ biển

vào bờ với tốc độ tương đối lớn.

30

Hình 2. 15. Hoa gió tại trạm quan trắc khí tượng Nha Trang.

Vào các buổi chiều, từ tháng XI đến tháng I, gió thổi chủ yếu từ hướng Bắc,

từ tháng II đến tháng III gió có hướng Đông – Đông bắc nhưng từ tháng tháng IV đến

tháng X gió lại có hướng Đông – Đông nam.

2.3.3. Đặc điểm dòng chảy

Dòng chảy vịnh Nha Trang chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi ba yếu tố chính: Hệ

thống gió mùa và gió địa phương, địa hình khu vực vịnh, quá trình truyền triều từ

biển vào.

Nhìn chung, trong mùa gió đông bắc, hướng dòng chảy lớp bề mặt phần lớn

chảy theo hướng Nam – Tây nam, lệch góc so với hướng gió không quá 45°. Dọc

theo dải sát bờ và eo biển phía nam dòng chảy bị ép theo hướng dọc bờ. Vào thời kỳ

gió mùa Tây nam, dòng chảy tầng mặt thường có hướng Bắc – Đông bắc. Các phân

tích, thống kê từ các số liệu thực đo cho thấy rằng: Tốc độ dòng cực đại ghi nhận

được có thể lên đến 50 cm/s. Trong đó, thành phần dòng không triều (chủ yếu là dòng

gió kết hợp dòng quán tính) có thể đạt 25 cm/s. Khi chưa có gió mùa Đông bắc tác

động mạnh, tốc độ trung bình là 20,7 cm/s và đạt khoảng 30,3 cm/s vào giữa thời kỳ

gió mùa mạnh. Các giá trị cực đại, cực tiểu tương ứng với thời kỳ gió mùa và thời kỳ

gió mùa mạnh là 37,7 cm/s và 44,0 cm/s; 1,0 cm/s và 17,0 cm/s.

31

Với đặc điểm độ sâu trung bình trên toàn vịnh tương đối lớn, có hiện tượng

cường hóa dòng chảy theo độ sâu, tốc độ dòng ở lớp nước sâu thường lớn hơn gấp

hai đến ba lần tốc độ dòng chảy trên mặt. Hướng vector dòng xoay theo độ sâu cũng

là một hiện tượng phổ biến ở khu vực này.

2.3.4. Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước

Thủy triều trong khu vực biển Khánh Hòa mang tính chất nhật triều không

đều. Các kết quả nghiên cứu và tính toán từ số liệu mực nước tại trạm Cầu Đá Nha

Trang cho thấy rằng, giá trị của chỉ số Vaderstok là 2,6. Kết quả thống kê cùng chỉ ra

rằng: mực nước cao nhất là 235 cm, mực nước thấp nhất là 4 cm, mực nước trung bình

là 124 cm. Độ lớn thủy triều lớn nhất trong năm là 222 cm, trung bình là 212 cm.

2.3.5. Đặc điểm chế độ sóng

Số liệu quan trắc sóng ở vùng biển Việt Nam nói chung và khu vực biển Khánh

Hòa nói riêng rất hạn chế. Các trạm quan trắc hầu hết sử dụng máy ngắm sóng bằng

mắt thường đo vào ban ngày trong các giờ quan trắc: 7h, 11h, 19h và không thể đo

về đêm, ngoài ra chỉ quan trắc độ cao và hướng sóng, chu kỳ sóng không được biết.

Sử dụng số liệu sóng tái phân tích trích từ mô hình sóng biển Đông WaveWatch-III

từ năm 1988-2012 tại vùng biển Khánh Hòa cho thấy khu vực nghiên cứu có chế độ

sóng phân hóa tương đối rõ rệt theo mùa với các hướng chính: Đông Đông Bắc và

Đông Đông Nam. Hướng sóng chủ đạo của khu vực nghiên cứu là Đông Đông Bắc –

ENE (chiếm 38%), thời kỳ thịnh hành là các tháng X-XII; I-IV. Tần suất xuất hiện

các đợt sóng cao tập trung chủ yếu trong giai đoạn này; độ cao sóng trung bình ngoài

khơi khoảng 2,5 m, lớn nhất đạt 5,75 m. Từ tháng V-IX, hướng sóng thịnh hành là

Nam Đông Nam (SSE), chiếm 18%); trong thời gian này độ cao sóng dao động từ 0

- 1,5 m (hình 2. 16) (xem Bảng 2.1 và 2.2).

32

Hình 2. 16. Hoa sóng khu vực ngoài khơi vùng biển Khánh Hòa.

Bảng 2. 1. Bảng tần suất hướng sóng khu vực nghiên cứu

Hướng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Tổng

N 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,32 0,33 0,32 0,33 1,28

NNE 0,05 0,03 0,07 0,11 0,11 0,00 0,00 0,00 0,07 0,09 0,05 0,01 0,60

NE 1,63 1,39 0,86 0,53 0,29 0,04 0,00 0,04 0,73 1,91 1,79 1,68 10,90

ENE 6,27 4,88 4,49 3,09 1,27 0,25 0,06 0,13 1,28 4,94 5,50 6,17 38,32

E 0,52 1,31 2,28 2,10 1,48 0,43 0,20 0,28 0,69 0,67 0,51 0,29 10,77

ESE 0,02 0,11 0,57 1,04 1,02 0,42 0,38 0,39 0,87 0,25 0,05 0,00 5,13

SE 0,00 0,03 0,16 0,76 1,10 0,73 0,82 0,83 0,73 0,16 0,00 0,00 5,31

SSE 0,00 0,00 0,05 0,52 2,04 3,63 4,41 4,92 2,59 0,13 0,00 0,00 18,29

S 0,00 0,00 0,00 0,08 1,14 2,65 2,56 1,88 0,93 0,01 0,00 0,00 9,26

SSW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,01 0,02 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,05

SW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,02 0,02 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,07

WSW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01

W 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01

WNW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

NW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

NNW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Tính toán theo số liệu sóng từ WaveWatch III

33

Bảng 2. 2. Bảng tần suất độ cao sóng khu vực nghiên cứu

Cấp sóng

(m) I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Tổng

năm

<0,25 0,03 0,01 0,00 0,14 0,19 0,20 0,28 0,26 0,51 0,41 0,32 0,33 2,67

0,25-0,5 0,05 0,33 1,17 2,30 2,91 1,58 2,10 1,76 2,21 0,78 0,14 0,01 15,32

0,5-1,5 3,44 4,42 5,61 5,52 5,28 6,42 6,10 6,42 5,38 5,35 2,97 2,02 58,93

1,5-2,5 3,65 2,35 1,48 0,24 0,09 0,01 0,01 0,04 0,12 1,71 3,43 4,13 17,27

2,5-3,5 1,26 0,62 0,19 0,02 0,02 0,00 0,00 0,00 0,00 0,18 1,18 1,52 4,99

3,5-4,5 0,04 0,01 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,16 0,43 0,74

4,5-5,5 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,02 0,05 0,07

Tính toán theo số liệu sóng từ WaveWatch III

34

Chương 3 – KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG

3.1. Kết quả phân tích trường dòng chảy trong vùng sóng vỡ và sóng tràn

Sau khi sóng đổ, năng lượng sóng bị tiêu hao một phần và phần còn lại tiếp

tục làm cho cột nước tiếp tục di chuyển lên trên bãi. Chính phần năng lượng này góp

phần khuấy và đưa các hạt bùn, cát ra khỏi vị trí và dòng chảy do sóng sẽ mang ra

khỏi vị trí ban đầu. Đây chính là cơ chế xói lở/bồi tụ làm thay đổi địa mạo bãi biển.

Theo đó, xác định vận tốc và hướng của dòng chảy trong đới sóng tràn là việc quan

trọng, góp phần xác định ảnh hưởng của sóng tới hình thái bờ biển.

Theo pha nước lên sau khi sóng đổ, các hạt nước hướng theo chiều chuyển

động của tia sóng (về phía bờ) theo quán tính và chậm dần. Sau đó, theo pha nước rút

xuống, các hạt nước chuyển động theo hướng ngược lại (hình 3.1).

Hình 3. 1. Hình ảnh trường dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày 29/5/2013

Trên hình 3. 1, dòng chảy trong vùng sóng tràn diễn ra rất nhanh chỉ khoảng

vài giây và hướng dòng chảy thay đổi liên tục trong thời gian ngắn. Trong khoảng

5,39 s, trong vùng sóng tràn có tới 5 đợt pha nước lên và rút. Vận tốc dòng chảy trong

vùng sóng tràn lớn nhất là 1,2 m/s trong khi hướng của dòng chảy thì không đối lập

35

hoàn toàn. Điều này xảy ra do sóng lan truyền không hoàn toàn vuông góc với bãi

biển dưới ảnh hưởng của địa hình bãi biển.

Hình 3. 2. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày 29/5/2013

Từ hình 3. 2, trong khoảng 6,22 s thì vận tốc dòng chảy lớn nhất trong vùng

sóng tràn là 1,76 m/s và vận tốc dòng chảy nhỏ nhất trong vùng sóng tràn là 0,0138 m/s.

Khi pha nước đi lên mái dốc của bãi biển thì vận tốc dòng chảy lớn nhất là 1,153 m/s và

khi pha nước đi xuống thì vận tốc dòng chảy lớn nhất là 1,76 m/s. Trong hình 3.2 ta thấy

dòng chảy chủ yếu là hướng ra biển có nghĩa là chủ yếu là pha nước đi xuống.

Một trong những kết quả đáng chú ý từ số liệu đo đạc đó là khẳng định về các

pha nước lên xuống sau khi sóng đổ là không đồng nhất với sự liên tiếp hoặc ngược

hướng trên bãi biển thực tế. Trên hình 3.3 dẫn ra một chuỗi phân bố dòng chảy trong

đới sóng tràn theo thời gian. Trong 3 s đầu, có 2 pha nước đi xuống và 1 pha lên trong

khoảng 1 s sau đó. Do bãi biển phân bố hai chiều nên sau khi sóng đổ, tùy theo địa

hình mà bore nước có thể đi vuông góc với bãi biển hoặc đi xiên. Khi pha lên và pha

xuống của bore nước tương tác với nhau có thể dẫn đến sự phân bố bất đối xứng của

dòng chảy giữa pha nước lên và pha nước xuống.

36


Từ hình 3. 3 cho thấy pha nước đi xuống hai lần liên tiếp trong 2,7 s do đó

trong 5,1 s thì dòng chảy trong vùng sóng tràn chủ yếu hướng ra biển. Vận tốc dòng

chảy lớn nhất đối với pha nước đi lên là 0,622 m/s và vận tốc dòng chảy lớn nhất đối

với pha nước đi xuống là 0,498 m/s. Trong 5,1 s thì vận tốc lớn nhất trong vùng sóng

tràn là 0,622 m/s và vận tốc dòng chảy nhỏ nhất trong vùng sóng tràn là 0,292 m/s.


37

Biến thiên dòng chảy trong hình 3. 4 chủ yếu là hướng vào bờ tức là chủ yếu

sóng đi lên mái dốc bãi biển. Trong thời gian 9,51 s thì pha nước đi lên có vận tốc

dòng chảy lớn nhất là 0,509 m/s và pha nước đi xuống có vận tốc dòng chảy lớn nhất

là 0,486 m/s. Trong thời gian 9,51 s, vận tốc dòng chảy lớn nhất trong vùng sóng tràn

là 0,509 m/s và vận tốc dòng chảy nhỏ nhất trong vùng sóng tràn là 0,0164 m/s.


Hình 3. 5 thể hiện sự thay đổi dòng chảy trong vùng sóng tràn, trong vòng 8,56 s

có một lần pha nước đi lên và hai lần pha nước đi xuống. Vận tốc dòng chảy lớn nhất

trong vùng sóng tràn là 0,666 m/s và nhỏ nhất là 0,0126 m/s. Vận tốc dòng chảy lớn

nhất khi pha nước đi lên tới điểm cao nhất có thể trên mái dốc bãi biển. Vận tốc của

dòng chảy lớn nhất đối với pha nước đi lên là 0,615 m/s và vận tốc lớn nhất đối với

pha nước đi xuống là 0,666 m/s.

Biến thiên dòng chảy thể hiện trong hình 3. 6 cho thấy vận tốc dòng chảy lớn

nhất trong vùng sóng tràn là 0,606 m/s và vận tốc dòng chảy nhỏ nhất trong vùng

sóng tràn là 0,0126 m/s. Trong khoảng thời 11,93 s có hai lần pha nước đi lên với vận

tốc dòng chảy lớn nhất là 0,547 m/s và hai lần pha nước đi xuống với dòng chảy lớn

nhất là 0,606 m/s.

38


Từ hình 3. 7 trong khoảng thời gian 21,44 s dòng chảy trong vùng sóng tràn

chủ yếu hướng ra biển. Vận tốc dòng chảy trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất

là 0,0986 m/s và vận tốc dòng chảy nhỏ nhất là 0,000942 m/s. Trong khoảng thời

gian 21,44 s có 5 pha nước đi lên mái dốc bãi biển với vận tốc dòng chảy lớn nhất là

0,0705 m/s và có tới 9 lần pha nước đi xuống với vận tốc dòng chảy lớn nhất là 0,0985 m/s.


39

Như vậy dòng chảy trong vùng sóng vỡ và sóng tràn diễn ra rất nhanh chỉ

khoảng vài ba giây và hướng dòng chảy thay đổi liên tục trong thời gian ngắn. Mỗi

lần pha nước đi lên với vận tốc dòng chảy lớn thì pha nước đi xuống cũng có dòng

chảy lớn và ngược lại. Nhưng có những giai đoạn có những pha nước liên tiếp đi lên

nên khoảng thời gian pha nước đi lên sẽ dài hơn khoảng thời gian pha nước đi xuống.

Hoặc có những giai đoạn có pha nước đi xuống mạnh hơn pha nước đi lên thì lúc này

pha nước đi lên sẽ bị triệt tiêu do đó khoảng thời gian pha nước đi xuống sẽ dài hơn

thời gian pha nước đi lên. Khi pha nước đi lên thì sóng sẽ leo lên mái dốc bãi biển

cho tới khi vận tốc dòng chảy bị tiêu hao hết và bị đổi hướng. Vận tốc dòng chảy

trong vùng sóng tràn lớn nhất khi pha nước đi lên tới điểm cao nhất có thể của dốc và

khi pha nước đi xuống thì vận tốc dòng chảy trong vùng sóng tràn lớn nhất khi pha

nước đi xuống tới vị trí đường bờ ở mực nước tĩnh.

3.2. Phân bố năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn

Sóng biển lan truyền từ ngoài khơi vào bờ sẽ bị vỡ khi chiều cao sóng đạt tới

một giá trị tới hạn so với độ sâu nước. Sóng vỡ sẽ biến chuyển động sóng thành

chuyển động rối, đặc trưng bởi các xoáy cuộn có kích thước khác nhau.

Đối với một cấu trúc nhất định, chúng ta có thể dự đoán được khi một dòng

chảy trở nên rối, dựa trên số Reynolds' (v

UlRe , với U là vận tốc trung bình theo

chiều sâu, v độ nhớt động học nước và l là độ dài đặc trưng của dòng chảy), rối là một

quá trình hỗn loạn, nó không phải là quan hệ tuyến tính với dòng chảy có nghĩa (không

thay đổi) (hình 3. 8).

Năng lượng rối (TKE) tương ứng với năng lượng được tạo ra bởi thành phần

rối của sự chuyển động của các hạt nước:

)'''(2

1 222 wvuk (3.1)

Giả sử rối đó là đẳng hướng (u'~v'~w'), phương trình 3.1 dẫn đến 2'2

3uk .

40

Hình 3. 8. Hai dòng chảy với vận tốc trung bình theo thời gian khác nhau (iu )

nhưng có thành phần rối tương đương (ui')

Xin lưu ý rằng bởi vì mỗi thành phần rối đã được xem xét trong phương trình

3.1, TKE thu được tương ứng với tổng TKE của dòng chảy rối.

0

)( dxEk (3.2)

Các TKE thay đổi theo kích thước của các xoáy nước được coi là đầy biến

động (3.l), từ đó chúng ta thể hiện một bước sóng l

2 ( hình 3. 9).

Hình 3. 9. Phổ năng lượng rối Kolmogorov-Obukhov

41

Các phần quán tính của phổ rối tuân theo định luật Kolmogorov-Obukhov '5/3':

3/53/2)( CE (3.3)

với ɛ: tốc độ tản TKE và C hằng số phổ Kolmogorov (C≈1,5).


lúc 08h48 ngày 29/5/2013

Trên hình 3. 10 cho thấy năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn

nhất là 96,6 m2/s2 và nhỏ nhất là 72 m2/s2. Năng lượng rối trung bình trong vùng sóng

vỡ và sóng tràn không phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy của sóng. Khi vận tốc dòng

chảy trong vùng sóng tràn tăng thì năng lượng rối trung bình cũng tăng dần lên, năng

lượng rối khi pha nước đi lên thường lớn hơn so với năng lượng rối trung bình khi

pha nước đi xuống. Nhưng năng lượng rối trung bình lớn nhất không xảy ra khi vận

tốc dòng chảy đạt giá trị lớn nhất. Do nó còn phụ thuộc vào cấu trúc phân tầng của

năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn được thể hiện trên hình 3. 11. Trong

khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) thì năng lượng rối có sự thay đổi rất lớn theo độ

sâu, ở tầng trên cùng từ 40÷42 mm thì năng lượng rối gần như bằng không còn trong

đoạn từ 42÷44 mm thì năng lượng rối dao động trong khoảng từ 50÷400 m2/s2. Và nó

tập trung ở các cell trung tâm hơn và kéo dài theo thời gian.

42


29/5/2013


lúc 08h49 ngày 29/5/2013

Trong hình 3. 12, năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là

120 m2/s2 và năng lượng rối nhỏ nhất là 91 m2/s2. Năng lượng rối trung bình lớn

43

nhất khi pha nước đang đi xuống và gặp pha nước tiếp theo đang đi lên. Vận tốc của

dòng chảy trong pha nước lên và xuống càng lớn thì gây ra năng lượng rối trung bình

càng lớn. Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) thì năng lượng rối có sự thay đổi

rất lớn theo độ sâu, năng lượng rối diễn ra mạnh ở các cell bên trên và yếu dần ở các

cell dưới đáy (hình 3.13).


29/5/2013


lúc 16h35 ngày 29/5/2013

44

Từ hình 3. 14, năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là

0,0293 m2/s2 và năng lượng rối nhỏ nhất là 0,00156 m2/s2. Năng lượng rối trung bình

lớn nhất khi pha nước đang đi xuống và gặp pha nước tiếp theo đang đi lên. Vận tốc

của dòng chảy trong pha nước lên và xuống càng lớn thì gây ra năng lượng rối trung

bình càng lớn.


29/5/2013

Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) và trong khoảng 5,1 s thì năng lượng

rối có sự thay đổi không lớn theo độ sâu mà thay đổi theo thời gian, năng lượng rối diễn

ra mạnh ở các cell bên trên và khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo (hình

3. 15).

Năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 0,15 m2/s2 và năng

lượng rối nhỏ nhất là 0,00347 m2/s2 (hình 3. 16). Năng lượng rối trung bình lớn nhất

khi pha nước đang đi xuống và gặp pha nước tiếp theo đang đi lên và khi pha nước

đi lên được tăng cường thêm từ các pha nước tiếp theo. Vận tốc của dòng chảy trong

pha nước lên và xuống càng lớn thì gây ra năng lượng rối trung bình càng lớn.

45


lúc 16h54 ngày 29/5/2013

Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) và trong khoảng 9,5 s thì năng

lượng rối có sự thay đổi không lớn theo độ sâu nhưng thay đổi theo thời gian, năng

lượng rối diễn ra mạnh ở các tầng cell bên trên khi pha nước đi xuống gặp pha nước

đi lên tiếp theo và khi pha nước đi lên được tăng cường thêm từ các pha nước tiêp

theo (hình 3. 17).


29/5/2013

46


lúc 08h54 ngày 30/5/2013

Năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 0,129 m2/s2 và

năng lượng rối nhỏ nhất là 0,000424 m2/s2 (hình 3. 18). Năng lượng rối trung bình

lớn nhất khi pha nước đi lên được tăng cường thêm từ các pha nước tiếp theo.


30/5/2013

47

Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) và trong khoảng 8,5 s thì năng

lượng rối có sự thay đổi theo độ sâu và theo thời gian, năng lượng rối diễn ra mạnh ở

các tầng cell bên dưới khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo và khi

pha nước đi lên được tăng cường thêm từ các pha nước tiếp theo (hình 3. 19).


lúc 09h04 ngày 30/5/2013


30/5/2013

48

Năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 0,133 m2/s2 và

năng lượng rối nhỏ nhất là 0,000907 m2/s2 (hình 3. 20). Năng lượng rối trung bình

lớn nhất khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo. Còn trong quá trình

pha nước đi lên hoặc đi xuống thì năng lượng rối rất nhỏ và không thay đổi nhiều.

Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) và trong khoảng 11 s thì năng lượng rối

có sự thay đổi theo thời gian, năng lượng rối diễn ra mạnh ở các tầng cell bên dưới

khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo (hình 3. 21).


lúc 09h40 ngày 30/5/2013

Năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 0,0318 m2/s2

và năng lượng rối nhỏ nhất là 0,0075 m2/s2 (hình 3. 22). Năng lượng rối trung

bình lớn nhất khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo. Trong

khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) và trong khoảng 21,44 s thì năng lượng rối

có sự thay đổi theo độ sâu và thời gian, năng lượng rối diễn ra mạnh ở các cell

bên trên khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo (hình 3. 23).

49


30/5/2013

Như vậy năng lượng rối TKE lớn nhất khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi

lên tiếp theo hoặc khi pha nước đi lên được tăng cường thêm pha nước đi lên tiếp

theo. Trong khoảng thời gian rất ngắn chỉ vài giây thì năng lượng rối TKE thay đổi

theo cả độ sâu và thời gian. Năng lượng rối TKE gây ra quá trình vận chuyển trầm

tích từ đáy và di chuyển dọc bãi của các hạt cát. Vì vậy năng lượng rối càng mạnh thì

quá trình vận chuyển trầm tích càng mạnh gây ra xói mòn bờ biển làm biến đổi đường

bờ.

3.3. Mối quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi và chiều cao bore sóng tràn

Như đã mô tả trên hình 2.6, độ cao của bore nước có thể thu được thông qua

xử lý ảnh do Camera đặt trên bãi biển thu được. Hình 3.24 thể hiện mối quan hệ giữa

độ cao bore nước và độ cao sóng ngoài khơi đo đạc bằng máy AWAC. Về cơ bản,

sóng ngoài khơi khi lan truyền vào bờ và do ảnh hưởng của địa hình bãi biển nông

nên biến dạng và đổ tạo nên các bore nước lan truyền lên trên bãi biển. Mặc dù quá

trình này tương đối phức tạp và bị ảnh hưởng của nhiều yếu tố: hướng sóng, hướng

50

gió, địa hình… nhưng dường như chúng có mối quan hệ tương đối khăng khít (hình

3.24). Có thể xem chúng là xấp xỉ tuyến tính với nhau (hình 3. 24).

Hình 3. 24. Đường quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi với chiều cao bore sóng tràn

3.4. Mô phỏng vận tốc bore nước bằng mô hình số Dam-break

Mô hình này được giải với phương pháp thể tích hữu hạn với ngôn ngữ lập

trình Matlab. Để giải được mô hình số này, các điều kiện ban đầu cần được cung cấp:

Độ cao của cột nước (bore) sau khi sóng đổ, kích thước hạt và độ dốc đáy. Độ dốc

đáy được xác định bằng việc đo đạc cao độ bởi hệ thống 21 cọc (hình 2.6). Thông

qua các hình ảnh thu được từ camera đặt ngang bãi (hình 2.6), độ cao của các bore

nước có thể xác định và làm điều kiện ban đầu cho mô hình số. Với việc sử dụng

camera độ phân giải cao như vậy hoàn toàn có thể xác định được khoảng cách từ bore

nước tới máy Vectrino để phục vụ đo đạc và kiểm chứng kết quả của mô hình. Một

trong những tham số khác đó là vận tốc ban đầu của bore nước được xác định bằng

công thức: bgHu 0 (Hughes và Baldock, 2014); trong đó g là gia tốc trọng trường;

Hb là độ cao cột nước ban đầu. Tác giả đã tiến hành mô phỏng sự lan truyền bore

nước trong vùng sóng vỡ và sóng tràn bằng mô hình số Dam-break với 21 trường hợp

và được thể hiện trên bảng 3. 1.

51

Bảng 3. 1. Các trường hợp mô phỏng bore nước bằng mô hình Dam-break

TT Ngày Giờ H_sóng ngoài khơi (m) h0_bore (m) xi (m) u0 = 0gh (m/s)

1 29/5/2013 8:36:56 0,12 0,14 0,727 1,172

2 29/5/2013 15:46:21 0,52 0,509 1,65 2,235

3 6/12/2013 8:40:10 1,076 0,909 2,27 2,986

4 30/5/2013 9:26:34 0,124 0,17 0,87 1,291

5 30/5/2013 9:30:32 0,125 0,344 0,88 1,837

6 30/5/2013 9:31:46 0,125 0,264 0,86 1,609

7 4/12/2013 12:50:16 0,905 0,753 3,04 2,718

8 4/12/2013 13:00:05 0,91 0,553 0,847 2,329

9 5/12/2013 16:26:42 1,106 0,623 2,196 2,472

10 5/12/2013 16:38:07 1,091 0,621 0,741 2,468

11 5/12/2013 13:28:47 1,144 0,686 6,251 2,594

12 6/12/2013 13:05:40 1,209 0,6 1,181 2,426

13 8/12/2013 15:20:20 0,753 0,496 2,5 2,206

14 8/12/2013 15:29:08 0,759 0,393 4,905 1,963

15 8/12/2013 17:26:17 0,729 0,4 8,83 1,981

16 8/12/2013 17:37:21 0,72 0,883 10,581 2,943

17 8/12/2013 17:37:30 0,72 0,837 9,005 2,865

18 9/12/2013 11:06:34 0,542 0,438 7,593 2,073

19 9/12/2013 11:17:26 0,545 0,736 7,314 2,687

20 29/5/2013 14:53:29 0,38 0,358 5,259 1,874

21 26/5/2013 16:01:46 0,2 0,288 2,127 1,681

52

Một số kết quả mô phỏng bore nước trong vùng sóng vỡ và sóng tràn.

Hình 3. 25. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy

xuất từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 1.

Từ hình 3.25 cho thấy so sánh giữa vận tốc dòng chảy từ mô hình mô phỏng

lan truyển bore nước trong vùng sóng tràn với vận tốc dòng chảy đo đạc gần trùng

khít với nhau. So sánh giữa năng lượng rối trung bình đo đạc với vận tốc dòng chảy

từ mô hình cho thấy khi pha nước đi lên thì năng lượng rối trung bình là lớn nhất và

giảm dần trong pha nước đi xuống (hình 3.26).

53



hợp 1.


hình xuất ra (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 3.

54



hợp 3.

Từ hình 3.27 cho thấy so sánh giữa vận tốc dòng chảy từ mô hình với vận tốc

dòng chảy đo đạc gần trùng khít với nhau. Trong khoảng thời gian cuối thì vận tốc

dòng chảy đo đạc không trùng khít với vận tốc từ mô hình là vì trong thực tế khi một

pha nước đang đi xuống thì lại gặp một pha nước tiếp theo đi lên nên trong khoảng

thời gian cuối độ lớn của vận tốc dòng chảy trong pha nước đi xuống không giảm,

còn trong mô hình mới chỉ mô phỏng được 1 lần pha nước đi lên và đi xuống. So sánh

giữa năng lượng rối trung bình đo đạc với vận tốc dòng chảy từ mô hình cho thấy

khi pha nước đi lên thì năng lượng rối trung bình là lớn nhất và giảm dần trong pha

nước đi xuống (hình 3.28).

55


hình xuất ra (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 8.



hợp 8.

Từ hình 3.29 cho thấy so sánh giữa vận tốc dòng chảy từ mô hình với vận tốc

dòng chảy đo đạc gần trùng khít với nhau. So sánh giữa năng lượng rối trung bình

đo đạc với vận tốc dòng chảy từ mô hình cho thấy khi pha nước đi lên thì năng lượng

rối trung bình là lớn nhất và giảm dần trong pha nước đi xuống (hình 3.30). Trong

thời gian cuối năng lượng rối trung bình tăng do pha nước đi xuống gặp pha nước

tiếp theo đi lên.

56

KẾT LUẬN

Luận văn đã trình bày các xử lý, phân tích số liệu khảo sát và mô phỏng trường

dòng chảy trong đới sóng tràn tại bãi biển Nha Trang. Các hệ thống đo đạc dòng chảy

với độ phân giải và tần số cao đã được triển khai và cho ra các kết quả rất đáng chú

ý:

- Trong một chu kỳ sóng tràn thì thời gian pha nước đi lên sẽ dài hơn thời gian

pha nước đi xuống.

- Năng lượng rối tăng trong pha nước đi lên và giảm trong pha nước đi xuống.

- Khi sóng lan truyền từ ngoài khơi vào bờ và bị tiêu tán năng lượng qua quá

trình sóng đổ, độ cao của bore nước tạo thành sau khi sóng đổ tỉ lệ thuận với độ cao

sóng ngoài khơi. Trên bãi biển thực tế, các sự kiện lên hoặc xuống của các bore nước

có thể đan xen hoặc bất đối xứng với nhau. Khi có sự giao lưu giữa pha nước lên và

xuống, năng lượng rối thường đạt cực đại. Đây chính là nguyên nhân ảnh hưởng đến

quá trình bứt lên khỏi đáy của cát biển và làm thay đổi địa mạo bãi biển.

- Mô hình toán cũng đã được ứng dụng để mô phỏng quá trình lan truyền bore

nước trên bãi biển Nha Trang. Kết quả mô phỏng dòng chảy bởi mô hình số đã được

so sánh với các kết quả đo đạc và khẳng định rằng mô hình dam-break có thể mô

phỏng cho dòng chảy trong đới sóng tràn ở các bãi biển thực tương đối đồng nhất.

Định hướng trong những nghiên cứu tiếp theo là tính sự chênh lệch giữa năng

lượng rối giữa pha nước đi lên và pha nước đi xuống từ đó tính toán lượng vận chuyển

trầm tích trong vùng sóng tràn, hình thành profile bãi biển.Và phát triển mô hình

Dam-break có thể mô phỏng nhiều bore nước liên tiếp và quá trình vận chuyển trầm

tích dấn đến biến đổi đường bờ trong vùng sóng tràn.

57

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1. Nguyễn Thế Duy (2002), “Một mô hình số cho vùng sóng vỡ trong gió bao

gồm cả lớp biên đáy và vùng sóng tràn”.

2. http://khanhhoa.gov.vn

Tiếng Anh

3. Bakhtyar, R., Barry, D. A., Li, L., Jeng, D. S., & Yeganeh-Bakhtiary, A.

(2009). “Modeling sediment transport in the swash zone: A review”. Ocean

Engineering, 36(9-10), 767-783.

4. Baldock, T. E. (2004). Dynamics of a transient wave group breaking on a

beach. Proc. 15th Aust. Fluid Mech. Conf., University of Sydney, CD-ROM.

5. Barnes, M. P., T. O’Donaghue, J. M. Alsina and T. E. Baldock, (2009). Direct

bed shear stress measurements in bore-driven swash. Coastal Engineering

56(8): 853-867.

6. Battjes, J. A. (1974). “Computation of set-up, longshore currents, run-up and

overtopping due to wind-generated waves”, Phd thesis, TU Delft, Delft

University of Technology, Delft.

7. Brocchini, M. and Baldock, T. E. (2008) Recent advances in modeling swash

zone dynamics: Influence of surf-swash interaction on nearshore

hydrodynamics and morphodynamics. Reviews of Geophysics, 46 3: 1-21.

doi:10.1029/2006RG000215.

8. Butt, T., & Russell, P. (1999). “Suspended sediment transport mechanisms in

high-energy swash”.Marine Geology, 161(2-4), 361-375.

9. Dean, R. G. (1973). “Heuristic model of sand transport in the surf zone”. Paper

presented at the Conference on Engineering Dynamics in the surf zone,

Sydney, Australia.

58

10. Erikson, L., Larson, M., & Hanson, H. (2005). Prediction of swash motion and

run-up including the effects of swash interaction. Coastal Engineering, 52(3),

285-302.

11. Gourlay, M. R. (1968). Beach and Dune Erosion Tests. Delft: Delft Hydraulics

Laboratory.

12. Guza, R. T., & Inman, D. L. (1975). Edge waves and beach cusps. Journal of

Geophysical Research, 80(21), 2997-3012.

13. Holland and Puleo (2001). Estimating swash zone friction coefficients on

a sandy beach. Coastal Engineering, 43:25-40.

14. Holthuijsen, L. H. (2007). Waves in Oceanic and Coastal Waters: Cambridge

University Press.

15. Horn, D. P., & Mason, T. (1994). Swash zone sediment transport modes.

Marine Geology, 120, 309-325.

16. Hughes, M. G., Masselink, G., & Brander, R. W. (1997). Flow velocity and

sediment transport in the swash zone of a steep beach. Marine Geology, 138(1-

2), 91-103.

17. Hughes, M.G., Turner, I., (1999). The beach face. In: Short, A.D. (Ed.),

Handbook of Beach and Shoreface Morphodynamics. Wiley, Chichester, pp.

119–144.

18. Hughes, M.G., Baldock, T.E., 2004. Eulerian flow velocities in the swash

zone: field data and model predictions. Journal of Geophysical Research 109,

C08009.

19. Hung-Chu Hsu et al (2014), “On dam-break wave propagation and its

implication to sediment erosion”, Journal of Hydraulic Research.

20. Kikkert G.A., Pokrajac D., O'Donoghue T., Steenhauer K., (2013).

Experimental study of bore-driven swash hydrodynamics on permeable rough

slopes. Coastal Engineering 79: 42–56.

21. Lefebvre J-P, Almar, Viet NT, Uu DV, Thuan DH, Binh LT, Ibaceta R, Duc

NV (2014). Contribution of swash processes generated by low energy wind

59

waves in the recovery of a beach impacted by extreme events: Nha Trang,

Vietnam. Journal of Coastal Research, SI 70:663-668.

22. Liang,Q. (2002), “Lecture notes on computational hydraulics: Finite volume

method”, Newcastle University.

23. Liu H. (2013). A simple empirical model for Shields parameter estimation in

the swash zone. Proc. Of the 7th International conf. on Coastal Dynamics

2013, Arcachon, France, 1105-1114.

24. Lobovsky L., Botia-Vera E., Castellana F., Mas-Soler J., and Souto-Iglesias

A., "Experimental investigation of dynamic pressure loads during dam break,"

Journal of Fluids and Structures, 2013.

25. Mase, H. (1995). Frequency downshift of swash oscillations compared to

incident waves. Journal of Hydraulic Research, 33, 397-411.

26. Masselink, G., and Hughes, M.G., (2003). An Introduction to Coastal

Processes and Geomorphology. Edward Arnold publishers, 354 pp.

27. Masselink, G., Russell, P., 2005. Field measurements of flow velocities on a

dissipative and reflective beach — implications for swash sediment transport.

Proceedings Coastal Dynamics, 2005, ASCE, paper on CD–ROM.

28. Masselink, G., & Puleo, J. A. (2006). Swash-zone morphodynamics.

Continental Shelf Research,26(5), 661-680.

29. Maurel, F. (2000), “Dam break wave on wet bed”, (EDH-LNH).

30. Miles, J., Butt, T., & Russell, P. (2006). Swash zone sediment dynamics: A

comparison of a dissipative and an intermediate beach. Marine Geology,

231(1-4), 181-200.

31. Pritchard, D. and Hogg, A. J. (2005). On the transport of suspended sediment

by a swash event on a plane beach. Coastal Engineering 52: 1–23.

32. Puleo J.A., Beach R.A., Holman R.A., Allen J.S. (2000). Swash zone sediment

suspension and transport and the importance of bore-generated turbulence,

JGR,105(C7):17021-17044.

60

33. Puleo, J.A., Slinn, D.N., Holland, K.T., Smith, E. and Webb, B.M., (2002).

Numerical modelling of swash zone hydrodynamics. Proceedings 28th

International Conference on Coastal Engineering, ASCE, pp. 968–979.

34. Shanehsazzadeh A., Holmes P., (2013). Coarse sediment particle motion

under highly asymmetrical waves with implications for swash zone sediment

transport. Coastal Engineering 71: 60–67.

35. Short, A. D. (1999). Handbook of beach and shoreface morphodynamics /

edited by Andrew D.Short. New York: John Wiley.

36. Steenhauer, K., Pokrajac, D. & O'Donoghue, T. (2012). 'Numerical model of

swash motion and air entrapment within coarse-grained beaches'. Coastal

Engineering, vol 64, pp. 113-126.

37. Toro, E. (2009), “Riemann solvers and numerical methods for fluid dynamics.:

A practical introduction”, Springer. 3rd edition.

38. Vousdoukas M.I, T. Kirupakaramoorthy , H. Oumeraci , M. de la Torre ,

F.Wübbold, B.Wagner , S. Schimmels, (2014). The role of combined laser

scanning and video techniques in monitoring wave-by-wave swash zone

processes. Coastal Engineering 83, 150-165.

39. Wright, L. D., & Short, A. D. (1984). Morphodynamic variability of surf zones

and beaches: A synthesis. Marine Geology, 56(1-4), 93-118.

Documents

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ … · ĐẠi hỌc quỐc gia hÀ nỘi trƯỜng ĐẠi hỌc khoa hỌc tỰ nhiÊn trần văn mỹ nghiÊn