ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC...
Transcript of ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC...
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------o0o---------
Nguyễn Thị Khang
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWASH TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG VÀ
DÒNG CHẢY PHÁT SINH DO SÓNG VEN BỜ PHỤC VỤ TÍNH TOÁN
DÒNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DO SÓNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2019
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------o0o---------
Nguyễn Thị Khang
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWASH TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG VÀ
DÒNG CHẢY PHÁT SINH DO SÓNG VEN BỜ PHỤC VỤ TÍNH TOÁN
DÒNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DO SÓNG
Chuyên ngành: Hải dương học
Mã số: 8440228.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Cán bộ hướng dẫn
PGS.TS. Phùng Đăng Hiếu
Hà Nội - 2019
Lời cảm ơn
Với lòng biết ơn sâu sắc và tình cảm chân thành cho phép em gửi lời cảm ơn
tới thầy, cô giáo trong Bộ môn Khoa học và công nghệ biển cũng như các thầy, cô
giáo trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học
Tự nhiên đã dạy, hướng dẫn và hỗ trợ em trong những năm học qua. Đặc biệt, em xin
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Phùng Đăng Hiếu - giáo viên hướng dẫn -
người đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình
học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài nghiên cứu này.
Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Lãnh đạo Viện Nghiên cứu
biển và hải đảo, lãnh đạo phòng Khoa học biển và Biến đổi khí hậu – nơi em đang
công tác - đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập. Cảm ơn gia đình, bạn bè
và đồng nghiệp đã luôn khích lệ, động viên và giúp đỡ em học tập và nghiên cứu.
Cảm ơn đề tài TNMT.2016.06.09 “Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán
trường động lực khu vực trong vùng sóng đổ phục vụ đánh giá dòng chảy nguy hiểm
ven bờ; áp dụng thí điểm cho bãi biển Cửa Lò – Nghệ An” đã cung cấp số liệu để học
viên hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng bài luận văn không tránh khỏi những thiếu
sót; em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô, các
nhà khoa học và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng năm 2019
Học viên
Nguyễn Thị Khang
i
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................. iv
Mở đầu ........................................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................................... 2
1.1 Sóng và dòng chảy sóng ven bờ ........................................................................................ 2
1.2 Vận chuyển bùn cát ............................................................................................................. 3
1.3 Mô hình mô phỏng sóng ven bờ ........................................................................................ 5
CHƯƠNG 2. CƠ SƠ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SWASH VÀ MỘT SỐ THỬ
NGHIỆM .................................................................................................................................... 8
2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH ..................................................................................... 8
2.1.1 Giới thiệu mô hình SWASH ........................................................................... 8
2.1.2 Phương trình tiến triển và điều kiện biên ....................................................... 9
2.2 Một số ứng dụng thử nghiệm ........................................................................................... 13
2.2.1 Lựa chọn các điều kiện mô phỏng ................................................................ 14
2.2.2 Tính toán mô phỏng và kết quả .................................................................... 15
2.2.3 Đánh giá ........................................................................................................ 26
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CHO BÃI BIỂN CỬA LÒ-NGHỆ AN........ 27
3.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu ....................................................................................... 27
3.1.1 Vị trí địa lý .................................................................................................... 27
3.1.2 Địa hình địa mạo ........................................................................................... 28
3.1.3 Điều kiện khí tượng hải văn ......................................................................... 29
3.2 Số liệu và phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 32
3.2.1 Số liệu ........................................................................................................... 32
ii
3.2.2 Phương pháp ................................................................................................. 35
3.3 Ứng dụng mô hình SWASH tính toán trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng cho
khu vực Cửa Lò - Nghệ An .................................................................................................... 37
3.3.1 Miền tính và lưới tính toán ........................................................................... 37
3.3.2 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình .................................................................... 38
3.3.3 Kịch bản tính toán ......................................................................................... 40
3.3.4. Kết quả tính toán .......................................................................................... 40
Kết luận và kiến nghị .............................................................................................................. 49
Tài liệu tham khảo ................................................................................................................... 50
iii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.Chi tiết trạm đo sóng..................................................................................... 33
Bảng 2. Thống kê sóng nhiều năm tại Nghệ An (1979-2017) .................................. 40
Bảng 3. Kịch bản tính toán ........................................................................................ 40
Bảng 4. Kết quả tính toán bùn cát vận chuyển qua các mặt cắt ................................ 48
iv
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Mô tả thí nghiệm của Ting và Kirby (1994) ................................................ 16
Hình 2. So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thí nghiệm trong thí nghiệm sóng lan
truyền qua bãi nghiêng thoải (Ting và Kirby 1994).................................................. 17
Hình 3. Mô tả thí nghiệm của Van Gent và Doorn (2000) ....................................... 18
Hình 4. So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thực đo trong thí nghiệm sóng lan truyền
trên bãi thoải có sự xuất hiện của bar ngầm (Van Gent và Doorn 2000).................. 19
Hình 5. Mô tả thí nghiệm của Haller và nnk (2002) ................................................. 20
Hình 6. Kết quả phân bố trường dòng chảy (Haller và nnk 2002)............................ 22
Hình 7. Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x =
10m ............................................................................................................................ 23
Hình 8. Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x =
11,2 m ........................................................................................................................ 23
Hình 9. Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x =
12,2 m ........................................................................................................................ 24
Hình 10. Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x =
13m ............................................................................................................................ 24
Hình 11. Bản đồ hành chính tỉnh Nghệ An ............................................................... 27
Hình 12. Khu vực biển Cửa Lò - Nghệ An ............................................................... 28
Hình 13. Hoa sóng tháng 1 (theo số liệu sóng NOAA) ............................................ 31
Hình 14. Hoa sóng tháng 7 (theo số liệu sóng NOAA) ............................................ 31
Hình 15. Khu vực đo địa hình chi tiết ....................................................................... 33
Hình 16. Trạm đo sóng .............................................................................................. 34
Hình 17. Trạm số liệu sóng NOAA .......................................................................... 34
v
Hình 18. Khu vực tính toán ....................................................................................... 37
Hình 19. Kết quả hiệu chỉnh mô hình ....................................................................... 39
Hình 20. Kết quả kiểm định mô hình ........................................................................ 39
Hình 21. Trường sóng kịch bản sóng hướng NE ...................................................... 41
Hình 22. Trường sóng kịch bản sóng hướng E ......................................................... 42
Hình 23. Trường sóng kịch bản sóng hướng SE ....................................................... 43
Hình 24. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng NE ............................................. 44
Hình 25. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng E ................................................ 45
Hình 26. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng SE .............................................. 46
Hình 27. Mặt cắt tính toán vận chuyển bùn cát ........................................................ 47
1
Mở đầu
Sóng biển là một trong những quá trình động lực có vai trò rất quan trọng trong
sự biến đổi địa hình khu vực ven bờ. Đặc biệt, trong khu vực phía trong vùng sóng
đổ, trường động lực diễn ra rất phức tạp do động lực của chuyển động sóng được
chuyển đổi sau khi sóng đổ hình thành hệ thống dòng chảy phát sinh do sóng bao
gồm các dòng chảy dọc bờ và dòng chảy ngang bờ. Chính hệ thống dòng chảy phát
sinh do sóng này là nguồn lực mang vật chất ven bờ dịch chuyển và tạo nên các khu
vực bồi tụ và xói lở phức tạp. Do đó, việc mô phỏng chính xác trường sóng và dòng
chảy phát sinh do sóng khu vực ven bờ là điều kiện quan trọng để tính toán vận
chuyển bùn cát phục vụ đánh giá sự biến động đường bờ.
Để mô phỏng chính xác trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng khu vực
ven bờ, mô hình cần thiết phải mô phỏng được các quá trình chủ đạo trong khu vực
này. Là một mô hình được phát triển dựa trên hệ phương trình nước nông phi thủy
tĩnh với mục đích tính toán cho khu vực ven bờ, mô hình SWASH có thực sự tốt hay
không? Có phù hợp để tính toán và có khả năng ứng dụng vào thực tiễn hay không?
Để trả lời cho câu hỏi đó, luận văn lựa chọn và sẽ tiến hành kiểm nghiệm mô hình
SWASH thông qua những bài toán chuẩn, sau đó, ứng dụng mô hình SWASH để tính
toán trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng cho khu vực Cửa Lò - Nghệ An.
Luận văn được cấu trúc gồm phần mở đầu, kết luận và ba chương như sau:
Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH và một số thử nghiệm
Chương 3: Ứng dụng thực tiễn cho bãi biển Cửa Lò - Nghệ An
2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Sóng và dòng chảy sóng ven bờ
Đối với sóng ngoài khơi để phát triển nhờ năng lượng của gió thì có ba nhân
tố của trường gió phải thỏa mãn đó là: Tốc độ gió lớn hơn một giá trị tới hạn nào đó,
khoảng đà gió và thời gian gió thổi phải đủ dài. Sau khi dời khỏi vùng gió tác động,
sóng gió đã phát triển truyền đi trên biển, phân tán ra mọi phía và một phần nhỏ năng
lượng bị mất đi do ma sát nhớt. Khi các sóng tiếp cận tới các vùng bờ chúng chuyển
thành sóng lừng có dạng hai chiều với chu kỳ đồng đều và các đỉnh sóng tạo thành
luống.
Do độ sâu giảm đi theo hướng vào bờ, các sóng lừng mang đặc tính của sóng
nước nông tương tự như các sóng có chu kỳ không đổi. Vùng nước nông được xem
là bắt đầu khi sóng cảm nhận được nền đáy và đáy biển ảnh hưởng lên quá trình
truyền sóng, ngược lại, đáy biển cũng chịu ảnh hưởng tác động từ chuyển động sóng.
Nếu trường gió tác động thổi qua vùng bờ thì mặt biển nổi sóng gồm nhiều đỉnh sóng
không đồng đều tiến vào bờ, khi đó sự biến dạng sóng vùng nước nông là rất phức
tạp.
Những đặc tính nổi bật của quá trình chuyển hóa sóng ở vùng nước nông là
biến dạng sóng và khúc xạ sóng. Khúc xạ sóng là kết quả của sự thay đổi tốc độ tuyền
sóng như là hàm của độ sâu nước, tốc độ dòng chảy và chu kỳ sóng. Các sóng bị khúc
xạ thay đổi hướng lan truyền làm cho các dải đỉnh sóng có xu thế song song với các
đường đẳng sâu. Biến dạng sóng là kết quả thay đổi tốc độ truyền của dòng năng
lượng sóng, độ sâu càng nông thì tốc độ dòng năng lượng càng giảm đi, do độ cao
sóng tỷ lệ thuận với căn bậc hai của năng lượng sóng nên độ cao sóng phải tăng lên
khi sóng tiến đến vùng nước nông hơn để đảm bảo năng lượng sóng được bảo toàn
và cuối cùng sóng bị vỡ tại điểm mà độ cao sóng xấp xỉ bằng độ sâu. Điểm này được
gọi là điểm sóng đổ. Nhìn chung, điểm đổ của một chuỗi sóng không phải là một
điểm cụ thể mà là một vùng bởi vì điểm sóng đổ bị dịch chuyển theo từng sóng tới
do sự không nhất của sóng tới và sự phản xạ của bờ.
3
Theo các nghiên cứu thì ảnh hưởng của đáy lên chuyển động sóng quan sát
được khi tỷ lệ giữa độ sâu và độ dài sóng nước sâu nhỏ hơn 0,5, tức là khi độ sâu nhỏ
hơn ½ độ dài sóng. Như thế, khi sóng lan truyền vào vùng bờ, dưới tác động ảnh
hưởng của nền đáy như độ dốc, sự giảm độ sâu, độ gồ ghề của đáy, sóng bị thay đổi
các đặc trưng của nó. Trên thực tế, khi sóng truyền vào vùng nước nông thì xảy ra
các hiện tượng: biến dạng sóng, khúc xạ sóng, tán xạ sóng, phản xạ sóng, phá hủy
sóng và tiêu tán năng lượng.
Khi sóng truyền vào vùng ven bờ, do biến đổi không đồng nhất của địa hình
đáy đã gây ra khúc xạ, phản xạ sóng cũng như tiêu tán năng lượng sóng xảy ra không
đồng đều, do đó, dòng động năng của sóng tại các điểm khác nhau là khác nhau; thêm
vào đó là sự đổ nhào của các sóng tại vùng sóng đổ đã dồn một lượng nước vào vùng
gần bờ tạo ra các ứng suất không đồng nhất trong dải ven bờ này. Chính những nguyên
nhân trên đã tạo ra các dao động mực nước có chu kì dài hơn nhiều chu kì của các
sóng tới và tạo nên hệ thống dòng chảy phức tạp trong vùng ven bờ gọi là dòng chảy
sóng. Trên thực tế, dòng chảy phát sinh do sóng đóng vai trò quan trọng trong việc di
chuyển trầm tích đáy và lơ lửng và làm thay đổi đáng kể địa hình bờ [10].
1.2 Vận chuyển bùn cát
Trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, việc tính toán vận chuyển bùn cát ở vùng
ven bờ là nội dung hết sức quan trọng, vì bùn cát chính là yếu tố trung gian trong quá
trình gây nên hiện tượng xói lở hay bồi lấp ở bờ biển. Biết được lượng vận chuyển
bùn cát ven bờ thì mới có thể dự báo được sự biến đổi của đường bờ trong điều kiện
tự nhiên cũng như đánh giá được ảnh hưởng của các công trình xây dựng sau này.
Việc tính toán vận chuyển bùn cát ở biển rất phức tạp do quá trình vận chuyển bùn
cát ở biển không những chịu tác động của dòng chảy mà còn chịu ảnh hưởng của các
dao động mực nước do thủy triều, các tác động của sóng và vô số các lực tạo thành
dòng chảy khác nhau và liên tục biến đổi.
Trong biển cát có thể chuyển động bởi dòng chảy (do thủy triều, gió hoặc
sóng) hoặc bởi sóng, hoặc thông thường nhất là cả sóng và gió tác động cùng nhau.
4
Cát được vận chuyển bởi các quá trình cơ bản là cuốn theo, dịch chuyển và lắng đọng.
Ba quá trình này xảy ra đồng thời và có thể tác động tương hỗ với nhau: Sự cuốn theo
xảy ra là kết quả của ma sát tác động lên đáy biển bởi dòng chảy và/hoặc sóng, với
việc khuyếch tán rối có thể mang hạt lên trạng thái lơ lửng; Sự dịch chuyển xảy ra do
hạt lăn, nhảy và trượt dọc theo đáy thích ứng với ma sát, và trong trường hợp đáy dốc
là do trọng lực. Nó được biết đến như dòng di dáy, và là hình thức vận chuyển chủ
đạo đối với các dòng chảy chậm và/hoặc các hạt lớn. Nếu dòng chảy đủ nhanh (hoặc
sóng đủ lớn) và hạt đủ mịn, cát sẽ bị đưa đi vào trạng thái lơ lửng ở độ cao vài mét
trên đáy và được dòng chảy mang đi. Hình thức vận chuyển này được biết đến như
dòng lơ lửng và thường lớn hơn rất nhiều so với dòng di đáy; Lắng đọng xảy ra khi
hạt nằm trong dòng di đáy hoặc ra khỏi trạng thái lơ lửng. Trong hầu hết thời gian,
sự cuốn theo của một số hạt vào trạng thái lơ lửng và sự chìm lắng của một số hạt
khác xuống đáy do trọng lượng của chúng có thể xảy ra đồng thời.
Di đáy là phương thức chủ đạo của vận chuyển đối với lưu lượng nhỏ và/hoặc
kích thước hạt lớn. Cát thô và cuội sỏi chủ yếu được vận chuyển như dòng di đáy.
Đối với dòng chảy mạnh vượt quá ngưỡng lơ lửng, dòng di đáy vẫn sẽ xảy ra, nhưng
số lượng cát được mang vào trạng thái lơ lửng thường sẽ lớn hơn nhiều so với được
mang đi bởi dòng di đáy, đặc biệt đối với cát mịn.
Trong tự nhiên, sóng đóng vai trò chủ đạo trong việc khuấy trầm tích lên khỏi
đáy biển, cũng như tạo ra các dòng chảy chuyển động ổn định như dòng chảy dọc bờ,
dòng sóng dội, vận tốc vận chuyển khối lượng làm cho trầm tích vận chuyển. Sự bất
đối xứng của vận tốc dưới đỉnh sóng và chân sóng là một nguồn khác của sự vận
chuyển trầm tích ròng. Vận chuyển trầm tích mạnh nhất trong vùng ven bờ thường
thấy dưới các sóng đổ, hoặc trong vùng sóng đổ trên bãi hoặc trên bờ cát. Sóng gây
ra vận chuyển trầm tích bằng một số cơ chế:
- Sóng cuốn theo trầm tích nhiều hơn so với dòng chảy và khuếch tán chúng
thông qua lớp biên sóng. Khi có mặt dòng chảy, rối do dòng chảy sinh ra làm khuếch
tán trầm tích lơ lửng lên cao hơn và mang chúng đi với dòng chảy ròng;
5
- Khi bị vỡ trên bãi sóng phát sinh dòng chảy dọc bờ, dòng này vận chuyển
trầm tích dọc theo bờ;
- Vận tốc quỹ đạo dưới đỉnh sóng lớn hơn dưới chân sóng và do đó cuốn theo
nhiều trầm tích hơn. Chúng gây ra vận chuyển trầm tích ròng theo hướng lan truyền
sóng (nói chung hướng vào bờ);
- Vận chuyển khối lượng nước theo hướng lan truyền sóng được sản sinh trong
lớp biên sóng, mang trầm tích theo hướng sóng;
- Trong vùng sóng đổ, sóng sản sinh vận tốc dòng sóng dội sát đáy hướng ra
khơi, mang trầm tích ra xa bờ.
Sóng vỗ bờ, đặc biệt là sóng bão có thể phá hủy bờ gây xói lở tạo ra vật liệu
vụn cơ học cuốn ra ngoài theo dòng ngược chiều sát đáy và lắng đọng ở bãi triều và
ở sườn bờ ngầm theo nguyên lý phân dị cơ học: gần bờ hạt thô, càng xa bờ độ hạt
càng mịn. Sóng vỗ bờ thường ít khi vuông góc với bờ do hướng gió quy định. Vì vậy
trong quá trình sóng vỗ bờ đã tạo ra sự di chuyển vật liệu trầm tích dọc bờ theo một
đường đi ziczac. Sóng đóng vai trò dồn đẩy vật liệu từ đáy biển nông xa bờ vào sát
bờ thường tạo nên các thể trầm tích đặc trưng: đê cát ven bờ, bar cát ngầm.
1.3 Mô hình mô phỏng sóng ven bờ
Việc nghiên cứu trường sóng đã được thực hiện từ rất sớm. Có thể kể đến việc
nghiên cứu và phát triển mô hình từ hệ phương trình Mild Slope. Việc tính toán bằng
phương trình này khá phổ biến tuy nhiên việc mô tả lan truyền sóng dựa trên lý thuyết
sóng tuyến tính sẽ không được đảm bảo tại khu vực ven bờ khi mà sóng lan truyền
vào bờ thì tính phi tuyến của sóng càng tăng lên.
Việc nghiên cứu mô phỏng được hệ thống dòng chảy phát sinh do sóng rất có
ý nghĩa thực tiễn. Thông thường, mô phỏng dòng chảy sóng được thực hiện thông
qua việc giải hệ phương trình nước nông thủy tĩnh truyền thống với nguồn lực là
trường ứng suất sóng ven bờ được tính toán theo lý thuyết sóng tuyến tính (sóng biên
độ nhỏ) thông qua phân bố độ cao sóng và hướng sóng trong khu vực sóng đổ ven
6
bờ. Việc mô phỏng này còn nhiều vấn đề chưa được thỏa đáng do hệ phương trình sử
dụng là thủy tĩnh thuần túy. Trong khi đó, sóng tồn tại trong khu vực ven bờ với địa
hình biến đổi đáng kể thì tính thủy tĩnh của phân bố áp suất không còn chủ đạo mà
tính phi thủy tĩnh tăng lên đáng kể. Thêm vào đó, việc mô phỏng bằng hệ phương
trình Mild Slope thiếu vắng việc mô phỏng tương tác giữa sóng với sóng và giữa sóng
với dòng chảy, bỏ qua phản xạ. Chính điều này đã làm cho việc mô phỏng sóng và
dòng chảy do sóng còn nhiều hạn chế và chưa tiếp cận được với việc mô phỏng hệ
thống dòng chảy ven bờ thực tiễn [2].
Trên thế giới các nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu phát triển mô hình
toán mô phỏng sóng ven bờ dựa trên hệ phương trình Boussinesq trong nhiều thập kỉ
qua. Các nghiên cứu phát triển mô hình dựa trên hệ phương trình Boussinesq tiêu
biểu có thể kể ra như Schaffer và nnk (1993) [18], Madsen và nnk (1997a,b) [16, 17],
Kennedy và nnk (2000) [14] và một số tác giả khác. Thành công từ các nghiên cứu
phát triển các mô hình số đó đã đưa ra các mô hình mã nguồn mở cho cộng đồng khoa
học biển trên khắp thế giới sử dụng thí dụ như bộ chương trình FUNWAVE do Kirby
và cộng sự phát triển, PCOULWAVE của Mỹ, hay mô hình của Madsen và cộng sự
đã được phát triển tiếp để trở thành mô đun BW trong bộ phần mềm thương mại
MIKE21. Các nghiên cứu sử dụng hệ phương trình Boussinesq mở rộng tiếp tục được
quan tâm và cải tiến bởi cộng đồng các nhà khoa học về thủy động lực biển ven bờ
trên khắp thế giới. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào cải tiến sơ đồ số để tăng
tính ổn định và giải quyết các vấn đề khác như tiêu tán sóng đổ tốt hơn...Tuy nhiên,
mô hình Boussinesq phụ thuộc mạnh vào hệ số bán kinh nghiệm nhân tạo cho sóng
đổ, do đó, sẽ rất khó để mô phỏng tốt đối với các trường hợp thực tế nơi mà sóng đổ
rất phức tạp. Một vấn đề gặp phải với mô hình Boussinesq đó là tốc độ tính toán. Nếu
như mô hình dựa trên hệ phương trình Mild Slope tính toán với tốc độ nhanh hơn
nhưng kết quả có sự sai khác với thực tế thì mô hình Boussinesq cho kết quả tốt hơn
nhưng thời gian tính toán tăng lên rất nhiều.
Để giải quyết vấn đề nêu trên và tạo một công cụ hữu hiệu cho việc mô phỏng
và dự báo hệ thống dòng chảy ven bờ do sóng làm cơ sở xác định được mức độ tác
7
động của sóng đến biến động xói lở bãi biển, việc ứng dụng hệ phương trình nước
nông phi thủy tĩnh dần trở nên phổ biến. Trong khoảng 10 năm trở lại đây, trào lưu
của các nhà khoa học trên thế giới là sử dụng hệ phương trình nước nông phi thủy
tĩnh để mô phỏng sóng trong vùng ven bờ vì hệ phương trình này đơn giản hơn hệ
phương trình Boussinesq, tốc độ tính toán nhanh hơn, mở ra khả năng tính toán trên
miền tính lớn. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là việc sử dụng hệ phương trình này có thực
sự tốt không? Có phù hợp với thực tiễn hay không? Để trả lời câu hỏi đó, học viên
lựa chọn mô hình SWASH được phát triển từ hệ phương trình nước nông phi thủy
tĩnh để sử dụng trong luận văn này.
8
CHƯƠNG 2. CƠ SƠ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SWASH VÀ MỘT SỐ THỬ
NGHIỆM
2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH
2.1.1 Giới thiệu mô hình SWASH
SWASH (từ viết tắt của Simulating WAves till SHore) là chương trình mã
nguồn mở do Zijlema và cộng sự phát triển và xuất bản năm 2011. Đây là mô hình
dựa trên hệ phương trình phi thủy tĩnh cho phép mô phỏng sự biến đổi của sóng bề
mặt phân tán từ ngoài khơi đến bãi biển bao gồm động lực vùng sóng đổ, lan truyền
sóng và nhiễu động tại các cảng, bến cảng. Ngoài ra, SWASH có thể mô phỏng được
lũ lụt ven biển do vỡ đê, sóng thần và sóng lũ, dòng chảy mật độ trong vùng ven biển,
hoàn lưu biển quy mô lớn, thủy triều và nước dâng do bão [20].
Mô hình SWASH được xây dựng và phát triển nhằm cung cấp một mô hình
nhanh và hiệu quả cho phép mô phỏng các hiện tượng sóng bề mặt và dòng chảy nước
nông được áp dụng trong môi trường phức tạp trong quy mô không gian và thời gian
lớn. Phương trình tiến triển là hệ phương trình nước nông phi tuyến bao gồm áp suất
phi thủy tĩnh và tùy chọn các phương trình bảo toàn chuyển động của độ muối, nhiệt
độ và trầm tích lơ lửng. Ngoài ra, phân tán rối theo phương thẳng đứng của động
lượng và khuếch tán muối, nhiệt và tải trầm tích được mô hình hóa bằng mô hình rối
tiêu chuẩn k-ε. Các phương trình vận chuyển được kết nối với phương trình động
lượng thông qua số hạng lực chính áp, trong khi phương trình trạng thái được sử dụng
(mật độ liên quan đến độ muối nhiệt độ và trầm tích) [25].
Các quá trình vật lý được tính đến trong mô hình bao gồm: Lan truyền sóng,
phân tán tần số, nước nông, khúc xạ và nhiễu xạ; Tương tác sóng phi tuyến; Độ sâu
giới hạn sóng phát triển bởi gió; Sóng vỡ; Sóng leo và sóng rút; Di chuyển đường bờ;
Ma sát đáy; Phản xạ một phần; Tương tác sóng với công trình đá nổi; Tương tác sóng
với vật thể trôi; Tương tác sóng dòng chảy; Dòng chảy phát sinh do sóng; Xáo trộn
rối theo phương thẳng đứng; Rối quy mô dưới lưới; Bất đẳng hướng của rối; Giảm
sóng gây ra bởi thực vật thủy sinh; Dòng chảy biển đổi nhanh; Sóng thủy triều; Dòng
9
chảy gió; Gió biến đổi theo không gian và áp suất không khí; Dòng chảy mật độ; Vận
chuyển thành phần lơ lửng cho trầm tích kết dính [25].
2.1.2 Phương trình tiến triển và điều kiện biên
Phương trình được sử dụng trong mô hình SWASH dựa trên phương trình
nước nông phi tuyến bao gồm áp suất phi thủy tĩnh có thể được suy ra từ phương trình
Navie Stokes với giả thiết không nén. Bằng việc sử dụng khai triển Reynolds (chia
vận tốc thành 2 thành phần: phần trung bình và phần nhiễu động 𝑢 = �̅� + 𝑢′) và
trung bình hóa, nhận được phương trình Navie-Stokes trung bình Reynold (RANS).
SWASH giải hệ phương trình RANS (cùng với phương trình liên tục) bằng cách lấy
trung bình theo phương thẳng đứng cho mỗi lớp thẳng đứng. Phương trình trung bình
theo độ sâu được đưa ra trong các phương trình (1-3) (Zijlema et al., 2008) [24].
𝜕𝜉
𝜕𝑡+
𝜕ℎ𝑢
𝜕𝑥+
𝜕ℎ𝑣
𝜕𝑦= 0 (1)
𝜕𝑢
𝜕𝑡+ 𝑢
𝜕𝑢
𝜕𝑥+ 𝑣
𝜕𝑢
𝜕𝑦+ 𝑔
𝜕𝜉
𝜕𝑥+
1
ℎ∫
𝜕𝑞
𝜕𝑥
𝜉
−𝑑
𝑑𝑧 + 𝑐𝑓
𝑢√𝑢2 + 𝑣2
ℎ=
1
ℎ(
𝜕ℎ𝜏𝑥𝑥
𝜕𝑥+
𝜕ℎ𝜏𝑥𝑦
𝜕𝑦) (2)
𝜕𝑣
𝜕𝑡+ 𝑢
𝜕𝑣
𝜕𝑥+ 𝑣
𝜕𝑣
𝜕𝑦+ 𝑔
𝜕𝜉
𝜕𝑦+
1
ℎ∫
𝜕𝑞
𝜕𝑦
𝜉
−𝑑
𝑑𝑧 + 𝑐𝑓
𝑣√𝑢2 + 𝑣2
ℎ=
1
ℎ(
𝜕ℎ𝜏𝑦𝑥
𝜕𝑥+
𝜕ℎ𝜏𝑦𝑦
𝜕𝑦) (3)
trong đó: t là thời gian, x và y nằm ở mực nước tĩnh và trục z hướng lên trên, 𝜉(x, y,
t) là độ cao bề mặt được đo từ mực nước tĩnh, d(x,y) là độ sâu của nước tĩnh được đo
từ bề mặt nước tĩnh đến đáy, h = 𝜉+d là độ sâu nước (tổng độ sâu), u(x, y, t) và v(x,
y, t) là vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu tương ứng trong hướng x và hướng
y, q(x, y, z, t) là áp suất phi thủy tĩnh (được chuẩn hóa bởi mật độ), g là gia tốc trọng
trường, cf là hệ số nhám đáy không thứ nguyên và 𝜏𝑥𝑥, 𝜏𝑥𝑦, 𝜏𝑦𝑥, 𝜏𝑦𝑦 là số hạng ứng
suất rối theo phương ngang.
Tích phân của gradient áp suất phi thủy tĩnh so với độ sâu nước trong phương
trình (2) có thể được biểu thị như sau (Stelling and Zijlema 2003) [19]:
10
∫𝜕𝑞
𝜕𝑥
𝜉
−𝑑
𝑑𝑧 =1
2ℎ
𝜕𝑞𝑏
𝜕𝑥+
1
2𝑞𝑏
𝜕(𝜉 − 𝑑)
𝜕𝑥 (4)
với qb là áp suất phi thủy tĩnh tại đáy. Biểu thức tương tự cho thành phần áp suất phi
thủy tĩnh trong phương trình (3).
Do thêm vào thành phần áp suất phi tuyến qb nên cần bổ sung thêm một số
phương trình để đảm bảo khép kín hệ phương trình. Độ chính xác của phân tán tần số
đối với sóng ngắn có thể được thiện bằng cách áp dụng phương pháp Kellerbox (Lam
and Simpson, 1976) [15]:
𝑞|𝑧=𝜉 − 𝑞|𝑧=−𝑑
ℎ= −
𝑞𝑏
ℎ=
1
2
𝜕𝑞
𝜕𝑧|𝑧 = 𝜉 +
1
2
𝜕𝑞
𝜕𝑧|𝑧 = −𝑑 (5)
Áp suất thủy tĩnh phi thủy tĩnh tại bề mặt tự do bằng không.
Phương trình động lượng cho thành phần theo phương thẳng đứng:
Trong đó, cả hai số hạng bình lưu và khuếch tán được bỏ qua vì chúng thường
nhỏ hơn so với gia tốc theo phương thẳng đứng được giả định là được xác định bằng
gradient áp suất phi thủy tĩnh.
Kết hợp (5) và (6) nhận được
𝜕𝑤𝑠
𝜕𝑡=
2𝑞𝑏
ℎ−
𝜕𝑤𝑏
𝜕𝑡 (7)
Vận tốc theo phương thẳng đứng tại đáy, 𝑤𝑏, có thể được tìm thấy thông qua
điều kiện động lực:
𝑤𝑏 = −𝑢𝜕𝑑
𝜕𝑥− 𝑣
𝜕𝑑
𝜕𝑦 (8)
Cuối cùng, sự bảo toàn của khối lượng:
11
𝜕𝑢
𝜕𝑥+
𝜕𝑣
𝜕𝑦+
𝑤𝑠 − 𝑤𝑏
ℎ= 0 (9)
Khi sóng truyền qua một khoảng cách tương đối dài vài kilomet, ảnh hưởng
của ma sát đáy trở nên rõ rệt hơn. Hơn nữa, nó có thể ảnh hưởng đến các sóng dài
gần bờ như sóng trọng lực và hoàn lưu gần bờ. Mặc dù, có nhiều biểu thức cho hệ số
ma sát đáy cf, trong mô hình sử dụng biểu thức dựa trên hệ số nhám Manning n, như
sau:
𝑐𝑓 =𝑛2𝑔
ℎ1/3 (10)
Ứng suất rối được cho bởi:
𝜏𝑥𝑥 = 2𝑣𝑡
𝜕𝑢
𝜕𝑥, 𝜏𝑥𝑦 = 𝜏𝑦𝑥 = 𝑣𝑡 (
𝜕𝑣
𝜕𝑥+
𝜕𝑢
𝜕𝑦) , 𝜏𝑦𝑦 = 2𝑣𝑡
𝜕𝑣
𝜕𝑦 (11)
với 𝑣𝑡(x, y, t) độ nhớt xoáy theo phương ngang do sóng vỡ và rối quy mô dưới lưới.
Một mô hình rối cần được sử dụng để xấp xỉ xáo trộn rối và tiêu tán do sóng vỡ. Mặc
dù sự tiêu tán là ẩn trong trình bày bore, nhưng độ nhớt là yếu tố xác định quy mô mà
tại đó sự tiêu tán diễn ra. Như vậy, chuyển động rối quy mô lớn trong cuộn sóng bề
mặt có thể được mô hình hóa hiệu quả thông qua độ nhớt xoáy 𝑣𝑡, theo đó, rối được
giả định là ở trạng thái cân bằng cục bộ. Với lý do này, lý thuyết độ dài xáo trộn
Prandtl được sử dụng và được đưa ra bởi:
𝑣𝑡 = 𝑙𝑚2 √2 (
𝜕𝑢
𝜕𝑥)
2
+ 2 (𝜕𝑣
𝜕𝑦)
2
+ (𝜕𝑣
𝜕𝑥+
𝜕𝑢
𝜕𝑦)
2
(12)
trong đó lm là độ dài xáo trộn được lấy tỷ lệ với chiều cao sóng điển hình; hoặc độ
cao sóng cho sóng đều hoặc độ cao sóng có nghĩa cho sóng không đều. Cần lưu ý
rằng loại mô hình này không chỉ được coi là mô hình xáo trộn bên mà còn là mô hình
trao đổi động lượng dọc xảy ra trong bore rối di chuyển.
12
Để khép kín hệ thống các phương trình, các điều kiện biên thích hợp cần được
áp đặt tại các vị trí biên mở của miền lưới tính toán. Tại biên ngoài khơi sóng đều và
sóng không đều được giới thiệu bằng cách xác định một phân bố vận tốc cục bộ. Để
mô phỏng sóng đi vào mà không có phản xạ tại biên, một điều kiện phản xạ yếu cho
phép sóng đi ra được áp dụng (Blayo and Debreu, 2005) [11]:
𝑢𝑏 = ∓√𝑔
ℎ(2𝜉𝑏 − 𝜉) (13)
Giả sử rằng sóng đều và đi ra là vuông góc với biên. Loại điều kiện biên bức
xạ này đã được chứng minh là dẫn đến kết quả tốt với điều kiện sóng gần bờ. Ở đây,
ub là tốc độ dòng chảy tại biên và 𝜉𝑏 là kí hiệu độ cao bề mặt của sóng tới. Kí hiệu
trong phương trình (13) phụ thuộc vào vị trí của biên. Dấu cộng chỉ một vận tốc dòng
chảy tại biên phía Tây và phía Nam, dấu trừ cho vận tốc dòng chảy ở biên phía Đông
và phía Bắc. Đối với sóng đều, kí hiệu sóng tới có thể là chuỗi thời gian hoặc chuỗi
Fourier được đưa ra bởi:
𝜉𝑏 = 𝑎𝑜 + ∑ 𝑎𝑗cos (𝜔𝑗𝑡 − 𝜑𝑗)
𝑁
𝑗=1
(14)
Sóng không đều thường có thể được dễ dàng mô tả bằng định nghĩa của chuỗi
Fourier (Holthuijsen, 2007) [13]. Sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính, vận tốc tại một
độ sâu được tìm thấy bằng sự chồng chất tuyến tính của N sóng điều hòa có biên độ
được xác định bằng cách lấy mẫu phổ mật độ phương sai và pha được chọn ngẫu
nhiên cho mỗi lần thực hiện:
𝑢𝑏(𝑧, 𝑡) = ∑ 𝑎𝑗 [𝜔𝑗
𝑐𝑜𝑠ℎ𝑘𝑗(𝑧 + 𝑑)
𝑠𝑖𝑛ℎ𝑘𝑗ℎ+ √
𝑔
ℎ] cos(𝜔𝑗𝑡 − 𝛼𝑗) − √
𝑔
ℎ𝜉
𝑁
𝑗=1
(15)
trong đó, kj và aj lần lượt là số sóng và pha ngẫu nhiên của mỗi tần số ωj. Hơn nữa,
dải tần số được giải quyết đồng đều với khoảng tần số ∆ω, tức là j = j∆ω. Số sóng và
13
tần số có liên quan bởi mối quan hệ phân tán ω2 = gk tanh (kh), trong khi pha ngẫu
nhiên tại mỗi tần số được phân bố đồng đều giữa 0 và 2π. Điều kiện biên (15) được
tăng cường với điều kiện bức xạ để giảm thiểu phản xạ tại biên ngoài khơi.
Đối với phổ sóng E(ω) nhất định, chuỗi thời gian (15) có thể được tổng hợp
bằng cách tính biên độ cho mỗi sóng điều hòa như sau:
𝑎𝑗 = √2𝐸(𝜔𝑗)∆𝜔 (16)
Phổ có thể nhận được từ các quan sát cho trạng thái biển mong muốn hoặc
bằng việc xác định hình dạng tham số phổ, chẳng hạn như phổ Jonswap nổi tiếng cho
điều kiện đà giới hạn trong nước sâu. Phổ đà giới hạn khác được gọi là phổ TMA
được sử dụng để tạo đặc trưng sóng xảy ra tại nước nông hơn (Holthuijsen, 2007)
[13].
2.2 Một số ứng dụng thử nghiệm
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính đã cung cấp một số lượng
lớn các mô hình được sử dụng để giải quyết các vấn đề thủy động lực khu vực ven
biển. Kỹ thuật số có thể dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp sai
phân hữu hạn, phương pháp phần tử biên, phương pháp thể tích hữu hạn và phương
pháp Euler-Lagrange; Thuật toán bước thời gian có thể là ẩn, bán ẩn, hiện...; Mô hình
có thể đơn giản hóa trong các không gian khác nhau: một chiều (1D), hai chiều (2D),
mô hình tích phân theo độ sâu, mô hình 3 chiều (3D)… Có thể thấy rằng, mỗi một
mô hình được xây dựng trên các cơ sở toán học khác nhau, lý thuyết khác nhau, sơ
đồ sai phân khác nhau. Về lý thuyết, mô hình có thể đúng về mặt toán học, điều này
chỉ có thể nói lên việc mô hình đúng cho các quá trình mà được đại diện trong lý
thuyết của bài toán, vì vậy, trước khi ứng dụng vào thực tiễn, mô hình phải được kiểm
nghiệm thông qua những bài toán tuy đơn giản nhưng thể hiện được các quá trình chủ
đạo. Thông thường các thí nghiệm vật lý được thực hiện với những điều kiện đơn
giản nhưng kết quả là nghiệm đúng của quá trình. Do vậy, nếu mô hình đã mô phỏng
tốt các điều kiện trong phòng thí nghiệm thì các quá trình tương tự chủ đạo ở ngoài
14
thực tế cũng đã được mô phỏng. Thực tế, các quá trình ở trong tự nhiên có thêm sự
xuất hiện của các quá trình nhiễu, tuy nhiên, việc mô phỏng tốt các quá trình chủ đạo
là điều kiện để khẳng định sự phù hợp và khả năng ứng dụng của mô hình trong thực
tế.
Trong nội dung này, các điều kiện mô phỏng trong phòng thí nghiệm được lựa
chọn và được mô phỏng lại bằng mô hình SWASH, sau đó, so sánh và đánh giá với
số liệu thí nghiệm để đánh giá mức độ phù hợp, khả năng ứng dụng thực tế của mô
hình với các dạng địa hình và điều kiện tính toán khác nhau.
2.2.1 Lựa chọn các điều kiện mô phỏng
Với nhiều mục đích khác nhau, các thí nghiệm trong các bể sóng được thiết
lập khác nhau. Với khá nhiều các mô phỏng hiện nay, để đánh giá được trường sóng
và dòng chảy chảy phát sinh do sóng luận văn lựa chọn các thí nghiệm sau:
- Thí nghiệm về lan truyền sóng trên bãi nghiêng của Ting and Kirby (1994)
[21]
Bãi nghiêng thoải là dạng địa hình khá phổ biến trên thực tế. Sóng lan truyền
trên bãi nghiêng là một trong những mô phỏng cơ bản nhất trong mô phỏng sóng.
Sóng lan truyền đến vùng nước nông sẽ gặp phải những hiệu ứng như biến dạng, phản
xạ, khúc xạ… Do đó, để mô phỏng tốt trường sóng ven bờ cần mô phỏng tốt những
hiệu ứng này. Nhằm mục đích mô tả quá trình lan truyền sóng trên bãi nghiêng và
sóng đổ, thí nghiệm của Ting và Kirby được thực hiện tại bể sóng hai chiều tại phòng
thí nghiệm kỹ thuật biển tại trường Đại học Delaware. Dựa trên những kết quả về lan
truyền sóng và sóng vỡ để đánh giá kết quả mô phỏng của mô hình
- Thí nghiệm về lan truyền sóng qua bãi biển nông có bar ngầm của Van Gent
và Doorn (2000) [22]
Bãi biển nông có bar ngầm là một dạng địa hình phổ biến trong thực tế khi mà
sóng đánh vào bờ làm xói bờ biển và mang cát ra ngoài sau đó lắng đọng tạo thành
bar ngầm phía ngoài. Có thể nói đây là thí nghiệm với địa hình có quy mô giống với
15
thực tế. Nhằm đánh giá khả năng lan truyền sóng qua bãi biển nông có bar ngầm trong
điều kiện bão, thí nghiệm được Van Gent và Doorn thiết lập với địa hình dựa trên
nguyên mẫu là bãi biển khu vực phòng thủ biển Petten ở bờ biển Hà Lan.
- Thí nghiệm về dòng chảy sóng của Haller (2002) [12]
Địa hình bãi biển có xuất hiện các cồn ngầm là dạng địa hình khá phổ biến.
Trên thực tế, do các quá trình tác động khác nhau, vật liệu bờ khác nhau dẫn đến địa
hình đường bờ cũng khác nhau. Bãi biển thực tế luôn tồn tại những bar ngầm do các
quá trình động lực khác nhau gây ra, là nguyên nhân gây ra dòng rip nguy hiểm cho
người tắm biển. Với địa hình ngoài thực tế, việc đo đạc gặp nhiều khó khăn do thiết
bị thường thiết kế cho những khu vực có độ sâu tương đối, thiết bị bị di chuyển do
quá trình sóng đổ, do vậy, việc tiêu chuẩn hóa những điều kiện ngoài thực tế đưa vào
phòng thí nghiệm trở nên phổ biến. Với mục đích kiểm nghiệm dòng chảy phát sinh
do sóng qua cồn ngầm, Haller và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm trên bể sóng tại Đại
học Delaware và xuất bản công trình nghiên cứu về dòng chảy phát sinh do sóng vào
năm 2002. Trong thí nghiệm này các điều kiện về các cồn ngầm được tiêu chuẩn hóa,
nếu như trong thực tế các cồn ngầm xuất hiện là không đều nhau thì khi đưa vào trong
phòng thí nghiệm các cồn ngầm được thiết kế đồng đều để kiểm chứng được sự xuất
hiện của dòng rip. Thí nghiệm này là một trong những thí nghiệm nổi tiếng được cộng
đồng các nhà khoa học thế giới về động lực học ven bờ đón nhận như một trong
những điều kiện tiêu chuẩn để nghiên cứu đánh giá khả năng mô phỏng dòng chảy
đặc biệt là dòng rip của mô hình toán.
2.2.2 Tính toán mô phỏng và kết quả
Với các điều kiện thử nghiệm được lựa chọn, việc chuẩn bị số liệu, đặc biệt là
số liệu địa hình là công việc quan trọng hàng đầu. Nếu như ở các tính toán cho các
trường hợp thực tế, số liệu địa hình được sử dụng là số liệu thực đo hoặc sử dụng
những số liệu đã có thì trong các tính toán mô phỏng cho các bài toán trong phòng
thí nghiệm, địa hình tính toán được tạo thông qua các mô tả về thí nghiệm vật lý bằng
các chương trình được viết trên ngôn ngữ Fortran. Sau khi có được file địa hình và
16
xác định được các điều kiện tính toán tiến hành mô phỏng bằng mô hình số. Trong
quá trình tính toán mô phỏng các tham số mô hình được thay đổi để đưa ra được kết
quả tốt nhất. Thông qua việc này cũng đánh giá được độ nhạy của các tham số đối
với từng trường hợp cụ thể từ đó làm cơ sở để áp dụng vào thực tế.
a. Lan truyền sóng trên bãi thoải (Ting và Kirby 1994)
Điều kiện tính toán
Thí nghiệm về lan truyền sóng trên bãi nghiêng thoải được tiến hành tại bể
sóng hai chiều trong phòng thí nghiệm Kỹ thuật Đại dương tại Đại học Delaware. Thí
nghiệm được mô tả ngắn gọn như sau: bãi biển thoải có độ dốc 1/35 được thiết lập
trên bể sóng có với chiều dài 40m, chiều rộng 0,6m và chiều cao 1m. Bãi biển thoải
nối với vùng nước có đáy ngang ở độ sâu 0,4m, khoảng cách từ bờ đến vị trí có độ
sâu 0,38m là 15,5m. Khoảng cách từ chân bãi nghiêng đến máy tạo sóng bằng chiều
dài sóng. Trục x hướng từ bảng tạo sóng vào bờ. Sóng tới được tạo ra có chu kì 2s,
độ cao sóng 0,125m. Sau bảng tạo sóng có một lớp hấp thụ sóng có độ rộng bằng 1-
1,5 lần độ dài sóng.
Hình 1. Mô tả thí nghiệm của Ting và Kirby (1994)[21]
Điều kiện thí nghiệm của Ting và Kirby (1994) về sóng truyền trên bãi thoải
được đưa vào để thử nghiệm mô phỏng số và so sánh với kết quả thí nghiệm vật lý
về phân bố độ cao sóng trên bãi nghiêng. Trong mô phỏng này, sóng tới được cho
dạng sóng đều với độ cao 0,125m, chu kì 2s. Mô phỏng sử dụng lưới đều ∆𝑥 = ∆𝑦 =
0,05𝑚 , bước thời gian 0,005s.
Kết quả
17
Khi sóng lan truyền từ ngoài khơi vào vùng nước nông, bước sóng giảm khi
độ sâu giảm do hệ quả của quan hệ phân tán. Chu kì sóng cố định; bước sóng và do
đó vận tốc sóng giảm khi gặp nước nông. Một hiệu ứng khác của thay đổi bước sóng
trong vùng nước nông là sự tăng độ cao sóng. Đây là hệ quả của bảo toàn năng lượng,
khi lan truyền vào vùng nước nông động năng của sóng giảm, thế năng tăng lên, độ
cao sóng tăng lên trong khi đó bước sóng giảm. Độ sâu càng nông thì tốc độ dòng
năng lượng càng giảm đi, do độ cao sóng tỉ lệ với căn bậc hai của năng lượng sóng
nên độ cao sóng phải tăng lên khi sóng tiến đến vùng nước nông hơn để đảm bảo
năng lượng sóng được bảo toàn. Điều này làm cho đỉnh sóng có xu hướng chuyển
động nhanh hơn làm cho con sóng dốc và gây ra hiện tượng sóng đổ.
Trên thực tế khi truyền vào vùng nước nông, độ cao sóng tăng dần lên khi độ
sâu giảm đi. Độ sâu càng giảm thì độ cao sóng càng tăng nhanh và đạt đến một giá
trị cực đại, sau đó, sóng bị đổ nhào và năng lượng của nó tiêu tán đáng kể do quá
trình đổ nhào này.
Hình 2. So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thí nghiệm trong thí nghiệm sóng lan
truyền qua bãi nghiêng thoải (Ting và Kirby 1994)
Trong thí nghiệm vật lý, sóng lan truyền đến vị trí có độ sâu khoảng 0,22m độ
cao sóng bắt đầu tăng lên, đến vị trí độ cao sóng khoảng 0,15m tương ứng với độ sâu
0,19m sóng bắt đầu đổ, sau đó độ cao sóng giảm. So sánh kết quả tính toán và số liệu
18
thí nghiệm cho thấy sự khá phù hợp giữa tính toán và thực đo, đặc biệt phía sau vùng
sóng đổ, độ cao mô phỏng khá sát với thực tế. Trong mô hình, vùng đỉnh sóng được
mô phỏng thấp hơn trong thực tế do phương pháp tiêu tán rối ở vùng sóng đổ, tuy
nhiên, phía sau vùng sóng đổ phân bố độ cao sóng rất phù hợp với thực tế. Phía sau
vùng sóng đổ là nơi quá trình dòng chảy phát sinh do sóng rất phức tạp, chính dòng
chảy này và quá trình tiêu tán năng lượng là nguồn lực gây nên vận chuyển bùn cát
và làm biến đổi đáy, do vậy, mặc dù mô hình có thể không tính tốt tại điểm sóng đổ
nhưng phía sau vùng sóng đổ kết quả mô phỏng cho kết quả phù hợp với thực tế, điều
này mở ra khả năng mô phỏng tốt dòng chảy và vận chuyển cát.
b. Lan truyền sóng trên bãi có bar ngầm (Van Gent và Doorn 2000)
Điều kiện tính toán
Thí nghiệm của Van Gent và Doorn được thực hiện với mục đích mô phỏng
sự lan truyền sóng qua một bãi nông có một bar ngầm. Thí nghiệm được thực hiện
dựa trên nguyên mẫu là bãi biển tại khu vực phòng thủ biển Petten ở bờ biển Hà Lan.
Đây là một bãi biển thoải có độ dốc 1/30 có sự xuất hiện của một bar ngầm (chi tiết
về bar ngầm được thể hiện trên hình 3), Độ sâu nước trong thí nghiệm là -24m. Các
giá trị về độ cao sóng được đo tại các vị trí phía ngoài bar ngầm, tại đỉnh bar ngầm,
tại rãnh, tại bãi thoải phía trong và tại chân mái dốc. Điều kiện sóng mô phỏng tương
đương với sóng xảy ra trong bão với độ cao sóng 6m, chu kì 9s, mực nước 4,7m
Hình 3. Mô tả thí nghiệm của Van Gent và Doorn (2000) [22]
19
Mô phỏng số được thực hiện với địa hình được xây dựng cùng tỉ lệ, sử dụng
kích thước lưới 1m, bước thời gian 0,02s và tính toán cho 2 lớp.
Kết quả
Hình 4. So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thực đo trong thí nghiệm sóng lan
truyền trên bãi thoải có sự xuất hiện của bar ngầm (Van Gent và Doorn 2000)
Trong thực tế với địa hình có bar ngầm ở phía ngoài, sóng có thể bị đổ tại bar
ngầm ở phía ngoài khi mà độ cao sóng bằng khoảng 0,78 lần độ sâu nước trước khi
tiếp tục lan truyền và đổ ở khu vực phía trong. Các quá trình sóng đổ khác nhau sẽ
gây ra sự vận chuyển bùn cát khác nhau làm cho địa hình bị biến đổi. Với điều kiện
sóng bão, sự biến đổi đường bờ diễn ra phức tạp và nhanh chóng hơn. Nếu như các
quá trình động lực thông thường gây nên sự biến đổi đường bờ trong thời đoạn dài
thì trong bão đường bờ có thể bị biến đổi nhanh chóng do những tác động mãnh liệt
của sóng bão. Chính năng lượng sóng lớn khi sóng cập bờ là nguyên nhân phá hủy
bờ sau mỗi trận bão. Do vậy, việc mô phỏng tốt trường sóng trong bão là cơ sở để
tính toán lượng vận chuyển bùn cát nhằm đánh giá diễn biến đường bờ trong điều
kiện bất thường.
Kết quả mô phỏng độ cao sóng bằng mô hình SWASH và so sánh với số liệu
thí nghiệm được thể hiện trên Hình 4. Có thể nhận thấy rằng kết quả mô phỏng sóng
trong bão bằng mô hình SWASH cho kết quả phù hợp với thực tế. Một lần nữa, việc
20
mô phỏng sóng bằng mô hình này cho kết quả tốt, đặc biệt là phía trong vùng sóng
đổ.
c. Dòng chảy sóng (Haller 2002)
Điều kiện tính toán
Thí nghiệm của Haller và cộng sự có thể được mô tả ngắn gọn như sau: Bãi
biển thoải độ dốc 1/30 được thiết lập trên bể sóng có độ rộng 18,2m chiều dài bể 19m.
Bãi biển thoải nối với vùng nước có đáy ngang phẳng ở độ sâu 0,373m. Trên bãi thoải
có ba cồn ngầm thiết lập tạo thành hai khoảng cách hở giữa ba cồn ngầm, mỗi khoảng
hở rộng 1,82m. Độ sâu tại chân phía ngoài của cồn ngầm là 0,1m, độ sâu tại đỉnh cồn
ngầm là 0,048m, độ rộng chân cồn ngầm là 1,2m. Bảng tạo sóng tại x = 0m (trục x
hướng từ bảng tạo sóng vào bờ, trục y song song với bờ) , chân cồn ngầm phía ngoài
tại x = 11,1m, đỉnh cồn ngầm xấp xỉ tại vị trí x = 12m, chân cồn ngầm phía bờ xấp xỉ
tại x = 12,3m. Từ đường mép nước đến mép chân ngoài của cồn ngầm xấp xỉ 3m.
Sóng tới được tạo ra có chu kỳ 1,0s, độ cao sóng 0,0475m. Các thành phần vận tốc
trung bình độ sâu tại các mặt cắt x = 10m (mc1); 11,2m (mc2); 12,2m (mc3) và 13m
(mc4) được đo đạc để đánh giá vận tốc dòng chảy phía trong cồn ngầm, tại khe hở và
phía ngoài cồn ngầm.
Hình 5. Mô tả thí nghiệm của Haller và nnk (2002)[12]
21
Trong nghiên cứu mô phỏng bằng mô hình SWASH, điều kiện thí nghiệm
tương tự như thí nghiệm của Haller và nnk (2002) được thiết lập với đúng tỉ lệ trong
phòng thí nghiệm. Kích thước ô lưới ∆𝑥 = ∆𝑦 = 0,04𝑚, bước thời gian 0,01s. Các
giá trị vận tốc dòng chảy tại các mặt cắt tương ứng được xuất ra để đánh giá khả năng
mô phỏng của mô hình.
Kết quả
Với dạng địa hình có sự xuất hiện của công trình (cồn ngầm), phía sau công
trình tồn tại nhiều quá trình như sóng phản xạ từ bờ, sóng nhiễu xạ qua công trình,
tác động phi tuyến giữa sóng và dòng chảy, do vậy, việc mô phỏng trường dòng chảy
tại đây là hệ quả của sự tương tác phi tuyến hết sức phức tạp là cực kỳ khó. Một mô
hình toán muốn mô phỏng tốt trường dòng chảy này phải là một mô hình mô phỏng
được đầy đủ các tương tác phi tuyến đã nêu trên thì mới có thể đưa ra được kết quả
phù hợp với số liệu thực đo.
Hình 6 trình bày kết quả mô phỏng trường dòng chảy phát sinh do sóng bằng
mô hình SWASH. Có thể nhận thấy rõ sự xuất hiện của dòng ríp tại khe hở giữa các
cồn ngầm, tại đây sóng trực tiếp tác động đến bờ, bùn cát bị sóng khuấy lên, nước bị
dồn sang hai phía, dòng chảy phát sinh do sóng phân kì sang hai bên tạo nên dòng
uốn men theo cồn ngầm và chảy ra phía ngoài. Phía sau công trình do có sự che chắn,
tác động của sóng yếu, độ cao sóng nhỏ, dòng chảy yếu, dòng trầm tích sinh ra do
sóng khi cập bờ sẽ chuyển sang quá trình lắng đọng hình thành tombolo hay salent
tùy thuộc vào tỷ lệ giữa chiều dài công trình và khoảng cách từ bờ đến công trình.
22
Hình 6. Kết quả phân bố trường dòng chảy (Haller và nnk 2002)
Để đánh giá mức độ chính xác của việc mô phỏng, giá trị của thành phần vận
tốc dọc bờ và vận tốc ngang bờ được trích xuất tại các mặt cắt và so sánh đánh giá
với giá trị thực đo trong phòng thí nghiệm. Kết quả mô phỏng tại các mặt cắt được
được trình bày tại các hình 7-10.
Hình 7 trình bày phân bố vận tốc dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại vị trí x =
10m. Đây là mặt cắt song song song với bờ cách cồn ngầm khoảng 2m. Từ số liệu thí
nghiệm cho thấy tại mặt cắt này thành phần dòng chảy u và v đều nhỏ, dòng chảy
ngang bờ gần như bằng không. Kết quả mô phỏng cho thấy có sự phù hợp giữa kết
quả tính toán thành phần vận tốc ngang bờ bằng mô hình so với số liệu thí nghiệm tại
các vị trí phía ngoài cồn ngầm, tại vị trí khe hở giá trị mô phỏng lớn hơn so với thực
tế. Vận tốc dòng chảy dọc bờ tại mặt cắt này có sự khá tương đồng giữa kết quả tính
toán và số liệu thực đo.
23
Hình 7. Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x =
10m
Hình 8. Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x =
11,2 m
Hình 8 trình bày kết quả thành phần vận tốc tại vị trí x = 11,2m chính là vị trí
tại gần sát chân cồn ngầm phía ngoài. Tại mặt cắt này có sự phù hợp giữa kết quả tính
toán và thực đo. Tại vị trí khe hở giữa 2 cồn ngầm, tồn tại một dòng chảy từ bờ ra
24
khơi (dòng ríp) khá rõ ràng và mạnh. Kết quả mô phỏng khá chính xác độ rộng và độ
lớn của dòng chảy này. Thành phần vận tốc v tại mặt cắt này khá nhỏ.
Hình 9. Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x =
12,2 m
Hình 10. Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x
= 13m
25
Tại mặt cắt x = 12,2m, đây là mặt cắt ngay phía rìa trong của chân cồn ngầm,
có thể nói đây chính là chân của dòng rip tại khu vực khe hở giữa hai cồn ngầm. Tại
vị trí này có thể thấy giá trị vận tốc khá phù hợp tại khe hở, tuy nhiên, tại vị trí sát
công trình giá trị vận tốc có sự sai khác đáng kể.
Tại mặt cắt x = 13m có sự phù hợp giữa số liệu thí nghiệm và mô phỏng, cả
thành phần vận tốc u và v đều cho xu thế rất phù hợp với kết quả thí nghiệm.
Từ các kết quả trên cho thấy: việc mô phỏng bằng mô hình SWASH đã mô
phỏng được các quá trình rất phức tạp phía sau công trình trong vùng nước nông như
nhiễu xạ qua công trình, hiệu ứng nước nông, khúc xạ do độ sâu biến đổi, tương tác
sóng dòng chảy… những quá trình mà không được mô phỏng tốt bằng các mô hình
dựa trên hệ phương trình cân bằng năng lượng hay hệ phương trình elliptic mild slope,
hệ phương trình parabolic mild slope như kết quả đã được công bố của học viên cùng
nhóm nghiên cứu [8]. Theo kết quả đã được công bố, việc mô phỏng trường dòng
chảy với ứng suất sóng được tính bằng mô đun SW của mô hình Mike 21, do không
tính đến phản xạ sóng, không tính đến hiệu ứng nước nông phi tuyến và tác động của
sóng đổ cũng như tương tác giữa sóng với sóng nên đã ước lượng không tốt ứng suất
sóng, dẫn đến kết quả tính dòng chảy phát sinh do sóng khu vực phía sau công trình
có xu thế nhỏ hơn thực tế. Trong khi với ứng suất sóng được tính từ mô đun PMS và
EMS, mô hình có tính đến phản xạ sóng, nhiễu xạ sóng và hiệu ứng nước nông nhưng
không tính được tương tác phi tuyến sóng với dòng chảy cũng như tương tác sóng
với sóng, hiệu ứng sóng đổ không được mô phỏng tốt nên dẫn đến nhiều sai khác về
tính toán ứng suất sóng dẫn đến kết quả tính toán tuy có tốt hơn việc sử dụng ứng
suất sóng tính từ mô đun SW nhưng vẫn có sai khác khá lớn về độ lớn cũng như xu
thế dòng chảy so với thí nghiệm vật lý.
Việc mô phỏng dòng chảy phát sinh do sóng bằng mô hình SWASH cho kết
quả tốt tại tất cả các mặt cắt, điều mà mô hình khác chưa làm được. Tại mặt cắt phía
ngoài hầu hết các mô hình đều cho kết quả mô phỏng tốt, do các quá trình xẩy ra tại
đó tương đối đơn giản, tuy nhiên, khi lan truyền vào phía bờ với dạng địa hình có
26
công trình việc mô phỏng trở nên khó khăn hơn. Đối với dòng chảy phát sinh do sóng,
nếu không mô phỏng tốt trường sóng thì đối với các khu vực có địa hình phức tạp tồn
tại tương tác phi tuyến mạnh, tồn tại công trình và đặc biệt có hệ thống dòng chảy
phức tạp thì việc mô phỏng khó cho kết quả tốt.
2.2.3 Đánh giá
Kết quả mô phỏng về lan truyền sóng trên bãi thoải trong điều kiện thường,
lan truyền sóng qua bãi có cồn ngầm trong điều kiện bất thường (có bão), và mô
phỏng dòng chảy trong địa hình có sự xuất hiện nhiều cồn ngầm cho thấy: mô hình
cho kết quả mô phỏng khá sát thực tế, các kết quả tính toán vẫn có những sai khác
nhất định, tuy nhiên, khi so sánh với những mô hình khác có thể nhận thấy rằng đây
là mô hình có khả năng mô phỏng khá tốt trong nhiều dạng địa hình và điều kiện tính
toán.
Việc mô phỏng tốt trường sóng trong các điều kiện khác nhau là cơ sở để mô
phỏng tốt dòng chảy phát sinh do sóng trong ở khu vực gần bờ. Mô hình SWASH đã
giải quyết được các hiệu ứng trong vùng nước nông, do vậy, việc mô phỏng cho kết
quả tốt. Qua đây có thể nhận định: mô hình SWASH phù hợp cho việc tính toán trong
khu vực ven bờ.
27
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CHO BÃI BIỂN CỬA LÒ-NGHỆ AN
Các mô hình được xây dựng nhằm giải quyết các bài toán thực tế, SWASH
cũng vậy, với mục đích mô phỏng các hiện tượng trong khu vực ven bờ, mô hình đã
được xây dựng có thực sự tốt hay không, khả năng ứng dụng vào thực tiễn, cụ thể là
ở Việt Nam có khả thi hay không? Để giải quyết vấn đề đó học viên lựa chọn khu
vực biển Cửa Lò Nghệ An là khu vực nghiên cứu. Trong chương này, các vấn đề
được trình bày bao gồm: Tổng quan về khu vực nghiên cứu, số liệu và phương pháp
nghiên cứu, quá trình ứng dụng mô hình vào thực tế bao gồm việc chuẩn bị miền tính,
lưới tính, hiệu chỉnh kiểm định mô hình, xác định các điều kiện tính toán và kết quả
đạt được.
3.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu
3.1.1 Vị trí địa lý
Tỉnh Nghệ An nằm ở trung tâm khu vực Bắc Trung Bộ, với diện tích 16.490,25
km2, lớn nhất cả nước; dân số hơn 3 triệu người, đứng thứ tư cả nước nơi đây hội tụ
đầy đủ các tuyến giao thông đường bộ, đường sắt, đường hàng không, đường biển,
đường thuỷ nội địa; điều kiện tự nhiên phong phú, đa dạng như một Việt Nam thu
nhỏ... Nghệ An có nhiều tiềm năng và lợi thế để thu hút đầu tư và ngày càng có nhiều
nhà đầu tư trong và ngoài nước đến tìm hiểu cơ hội đầu tư, kinh doanh tại Nghệ An
[1].
Hình 11. Bản đồ hành chính tỉnh Nghệ An
28
Thị xã Cửa Lò là một trong 19 đơn vị hành chính cấp huyện của tỉnh Nghệ An,
cách thủ đô Hà Nội 300km về phía Bắc, cách thành phố Hồ Chí Minh 1400km về
phía Nam và cách thành phố Vinh - thủ phủ của tỉnh Nghệ An 17km về phía Đông
Bắc, với toạ độ địa lý từ 18°55' đến 19°15’ vĩ độ Bắc và 105°38' đến 105°52' kinh độ
Đông. Ranh giới Thị xã:
Phía Tây giáp huyện Nghi Lộc
Phía Nam giáp huyện Nghi Xuân - Hà Tĩnh
Phía Bắc giáp xã Nghi Thiết - Nghi Lộc
Phía Đông giáp Biển Đông
Hình 12. Khu vực biển Cửa Lò - Nghệ An
Thị xã Cửa Lò gồm 7 phường: Phường Nghi Thủy, Phường Nghi Tân, Phường
Thu Thủy, Phường Nghi Hòa, Phường Nghi Hải, Phường Nghi Hương và Phường
Nghi Thu.
3.1.2 Địa hình địa mạo
Thị xã Cửa Lò chạy dọc theo bờ biển với chiều dài 12 km và chiều ngang 2,3
- 4 km. Địa hình không bằng phẳng gồm nhiều cồn cát hình lượn sóng chạy song song
29
với bờ biển, độ cao trung bình 3,5 - 3,8 m, có nơi 4,5 - 5,5 m, sát bờ biển có những
cồn cao từ 7 - 8 m so với mặt biển nên các dòng chảy bề mặt chảy về hai đầu đổ vào
sông Cấm, sông Lam trước khi chảy ra biển với tốc độ thoát nước chậm [6].
Cửa Lò thuộc vùng đồng bằng ven biển, địa hình đa dạng, có hướng dốc từ
Tây sang Đông, cao ở phía Tây, thấp xuống phía Đông, chia thành hai vùng lớn:
- Vùng bán sơn địa: phía Tây và Tây Bắc của thị xã là đồi núi có độ cao và độ
dốc chênh lệch nhiều, bị chia cắt, do có những đồng bằng phù sa sông suối xen kẽ
tương đối rộng;
- Vùng đồng bằng: nằm ở trung tâm phía Đông; Đông Nam của thị xã, có địa
hình tương đối bằng phẳng, độ cao chênh lệch từ 0,6 - 5m.
3.1.3 Điều kiện khí tượng hải văn
Khí hậu [6]
Cửa Lò nằm trong vùng khí hậu Bắc Trung Bộ, chịu ảnh hưởng của khí hậu
nhiệt đới gió mùa, với hai mùa rõ rệt: nóng bức về mùa hè và ẩm ướt về mùa đông -
Bức xạ mặt trời và số giờ nắng: Khu vực Thị xã Cửa Lò có tổng lượng bức xạ dồi
dào, trung bình hàng năm đạt 230 - 250 Kcal/cm2, số giờ nắng trong năm đạt từ 1680
- 1780 giờ, tháng thấp nhất cũng đạt trên 50 giờ. Tổng số giờ nắng từ tháng 5 đến
tháng 9 phổ biến từ 1000 – 1150 giờ.
Chế độ nhiệt [6]
Mùa hè kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, có gió Tây Nam (gió Lào) khô và
nóng, tháng 7 là tháng nắng nhất trong năm với nhiệt độ trung bình 36°C, trị số cao
nhất có thể đạt 40,9°C. Mùa đông từ tháng 11 đến tháng 2, có gió Đông Bắc lạnh và
khô hanh, tháng 1 là tháng lạnh nhất với nhiệt độ trung bình là 12°C trị số thấp nhất
có thể xuống tới 5,4°C. Nhiệt độ không khí trung bình hàng năm là 23,8°C.
Tuy nhiên, thị xã Cửa Lò nằm sát Biển Đông có khả năng điều hoà vi khí hậu
vùng rất tốt nên ở đây khí hậu tương đối dễ chịu hơn ở các địa phương khác trong
tỉnh.
30
Chế độ mưa ẩm [6]
Lượng mưa bình quân hàng năm trên 2000mm nhưng phân bố không đều theo
từng tháng và mùa trong năm. Mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 và kéo dài đến tháng 11,
lượng mưa chiếm khoảng 86,5% tổng lượng mưa cả năm. Độ ẩm không khí tương
đối trong năm bình quân 85%, thấp nhất trong các tháng 6, 7 đạt mức 75%.
Chế độ gió [6]
Trong năm, ở Nghệ An có 2 hướng gió chính thịnh hành là : mùa hè có gió
Tây Nam từ tháng 5 đến tháng 8 và gió Đông Nam từ tháng 4 đến tháng 10 với vận
tốc 1 , 5 - 6 m/s, mùa đông có gió Đông Bắc với tốc độ gió trung bình 1,2 – 4 m/s.
Những đợt gió mạnh thường xảy ra vào mùa mưa (tháng 6 - 10) với tốc độ trung bình
4,2 m/s.
Ngoài ra, do nằm sát Biển Đông nên thị xã Cửa Lò cũng chịu ảnh hưởng của
loại gió biển nhưng đặc trưng cho khu vục ven biển và duyên hải: ban ngày có gió
đất liền thổi từ lục địa ra biển, ban đêm có gió thổi từ biển vào đất liền.
Thuỷ văn [6]
Thị xã Cửa Lò nằm giữa 2 con sông Lam và sông Cấm. Sông Lam là con sông
lớn bắt nguồn từ Lào chảy qua một số huyện tỉnh Nghệ An và đổ ra biển ở Cửa Hội.
Sông Cấm được hình thành từ những khe suối nhỏ ở vùng đồi núi phía Tây và Tây
Bắc Nghệ An và đổ ra biển ở Cửa Lò. Sông Cấm chịu ảnh hưởng của chế độ thuỷ
triều, mùa mưa nước dâng cao tràn vào bờ bồi đắp phù sa cho các cánh đồng ven
sông. Nhiệm vụ chính của sông Cấm là tiêu thoát nước tự nhiên trong mùa bão lũ và
cung cấp nước tưới tiêu cho nông nghiệp
Hải văn
Chế độ sóng [5]
Vào các tháng mùa gió mùa Đông Bắc (tháng 1, 2, 11, 12) các hướng sóng
chính là NE, E, SE trong đó hướng chủ đạo là NE và nó có xu hướng tăng vào nửa
đầu mùa đông và giảm vào các tháng nửa cuối. Còn hướng SE có xu hướng giảm vào
31
nửa đầu mùa đông và tăng vào các tháng nửa cuối mùa đông. Vào thời gian này dường
như chỉ xuất hiện những sóng này, hầu như không xuất hiện các sóng hướng khác.
Hình 13. Hoa sóng tháng 1 (theo số liệu sóng NOAA)
Vào các tháng mùa gió mùa Tây Nam (tháng 5, 6, 7, 8) các hướng sóng chính
là SE, S, SW, NE; hướng chủ đạo là SE. Nửa đầu của mùa gió tây nam hướng SE,
NE có xu hướng giảm sóng hướng S tăng lên. Vào các tháng nửa cuối mùa hè hướng
NE không còn là một trong những hướng sóng chính mà thay vào đó là hướng SW.
Hình 14. Hoa sóng tháng 7 (theo số liệu sóng NOAA)
Vào các tháng chuyển tiếp từ mùa đông sang mùa hè (tháng 4, 5) các hướng
sóng chính vẫn là NE, E, SE nhưng hướng chủ đạo là hướng SE.
32
Vào các tháng chuyển tiếp từ mùa hè sang mùa đông (tháng 9, 10) thì các
hướng sóng chính tương tự các tháng chuyển tiếp từ mùa đông sang mùa hè nhưng
hướng sóng chủ đạo là hướng NE. Vào những tháng này thì các sóng hướng khác vẫn
có xuất hiện nhưng với tần suất nhỏ. Trong khi những tháng còn lại hầu như không
có sự xuất hiện của các sóng hướng khác ngoài các hướng sóng chính.
Chế độ thủy triều [9]
Tính chất, đặc điểm và diễn biến của thủy triều vùng biển Nghệ An chịu sự tác
động của nhiều nhân tố (vị trí địa lý, địa hình đáy biển, điều kiện thiên văn và một số
nhân tố khác). Trong đó, nhân tố quan trọng nhất tác động mạnh mẽ đến đặc điểm,
tính chất của thủy triều là vị trí cũng như địa hình đáy biển. Nằm trong vịnh Bắc Bộ
- một vịnh lớn, kín và phức tạp của nước ta, lại kết hợp thêm một số yếu tố địa hình
của vùng thềm lục địa Nghệ An đã tạo điều kiện cho quá trình cộng hưởng của các
sóng triều khi truyền vào đây.
Dưới sự tác động của các nhân tố trên, thủy triều vùng biển Nghệ An mang
những đặc điểm của chế độ triều hỗn hợp. Với hệ số đặc trưng thủy triều H=3,58,
thủy triều vùng biển Nghệ An được đánh giá là có chế độ nhật triều không đều. Trong
tháng có khoảng 10 - 13 ngày thủy triều có 2 lần nước lên và 2 lần nước xuống. Biên
độ triều ở đây khá lớn (2,5 - 3m vào kỳ nước cường) và giảm dần từ Bắc vào Nam.
Nơi có biên độ lớn nhất là vùng vịnh Diễn Châu. Khi đi vào các cửa sông, biên độ
triều cũng có những thay đổi đáng kể. Thủy triều vùng biển Nghệ An cũng biến thiên
theo những chu kỳ nhất định.
3.2 Số liệu và phương pháp nghiên cứu
3.2.1 Số liệu
Trong nghiên cứu này các số liệu được sử dụng là sự kết hợp giữa số liệu thực
đo, số liệu thu thập và số liệu tái phân tích toàn cầu. Cụ thể:
- Số liệu địa hình: số liệu địa hình được sử dụng để xây dựng lưới tính cho mô
hình là số liệu thực đo khu vực gần bờ vào tháng 6/2018 (khu vực được thể hiện trong
33
hình 15) kết hợp với số liệu hải quân đo đạc năm 2009. Bộ số liệu được đồng bộ hóa
về hệ cao độ quốc gia, hệ tọa độ UTM48 [3].
Hình 15. Khu vực đo địa hình chi tiết
- Số liệu hiệu chỉnh kiểm định mô hình: trong luận văn sử dụng số liệu sóng
thực đo trong hai mùa tại Cửa Lò để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Trong đó, số
liệu sóng mùa gió mùa Đông Bắc được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình và số liệu mùa
gió mùa Tây Nam phục vụ kiểm định mô hình. Chi tiết các trạm đo được thể hiện
trong bảng 1 [4, 7].
Bảng 1.Chi tiết trạm đo sóng
Mùa gió mùa Đông Bắc Mùa gió mùa Tây Nam
Tọa độ trạm ngoài khơi 105046’49,90”E
18049’55,1”N
105046’53” E
18049’50” N
Tọa độ trạm ven bờ 105043’42,27”E
18048’31,49”N
105043’40,1”E
18048’30,4”N
Thời gian đo 19/3/2019-25/3/2019 17/6/2018-24/6/2018
34
Hình 16. Trạm đo sóng
- Số liệu tại biên tính toán: để xác định điều kiện sóng đầu vào tại biên của mô
hình luận văn sử dụng số liệu sóng tái phân tích toàn cầu của Cơ quan Quản lý Khí
quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ - National Oceanic and Atmospheric
Administration (NOAA) tại vị trí có tọa độ 190N, 106,50E. Số liệu sau khi thu thập
sẽ được thống kê làm cơ sở để xác định kịch bản tính toán.
Hình 17. Trạm số liệu sóng NOAA
35
3.2.2 Phương pháp
Với số liệu đã được chuẩn bị, việc tính toán được thực hiện.
Do miền tính (được trình bày chi tiết ở phần sau) là khu vực nhỏ gần bờ, trong
khi đó các số liệu được sử dụng để làm điều kiện biên lại ở vị trí xa bờ cho nên trong
tính toán sử dụng mô hình SWAN tính toán lan truyền sóng từ khu vực ngoài khơi và
trích xuất số liệu tại biên cho mô hình SWASH. Việc này được thực hiện cho cả quá
trình hiệu chỉnh kiểm định lẫn quá trình tính toán theo các kịch bản.
Trong luận văn này, số liệu sóng thực đo tại trạm ngoài khơi được sử dụng
làm biên đầu vào để tính toán lan truyền sóng, sau đó, so sánh kết quả với trạm ven
bờ để hiệu chỉnh mô hình nhằm đưa ra bộ thông số phù hợp với khu vực tính toán.
Tiến hành kiểm định với bộ số liệu thực đo mùa còn lại để khẳng định mức độ phù
hợp của bộ thông số đã xác định. Hệ số Nash được sử dụng để đánh giá kết quả của
mô hình.
Sau khi có được bộ thông số phù hợp với khu vực tính toán, tiến hành tính
toán theo các kịch bản. Các kịch bản được xây dựng dựa vào thống kê số liệu sóng
tái phân tích toàn cầu NOAA từ năm 1979 đến năm 2017. Các kịch bản được đưa ra
dựa vào sự xuất hiện của các hướng sóng chủ đạo. Trong mô hình SWASH, sóng với
các hướng khác nhau được đưa vào, tuy nhiên, cần chú ý khi tính bằng lưới Đề các,
giá trị hướng sóng là góc lượng giác tính từ gốc 0 của trục Ox đến vecto hướng sóng
theo ngược chiều kim đồng hồ. Theo đó, giá trị của các hướng sóng khi đưa vào tính
toán tương ứng là: N (2700), NE(2250), E(1800), SE(1350), S(900), SW(450), W(00),
NW(3150).
Trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, việc tính toán vận chuyển bùn cát ở vùng
ven bờ là nội dung hết sức quan trọng, vì bùn cát chính là yếu tố trung gian trong quá
trình gây nên hiện tượng xói lở hay bồi lấp ở bờ biển. Biết được lượng vận chuyển
bùn cát ven bờ thì mới có thể dự báo được sự biến đổi của đường bờ trong điều kiện
tự nhiên cũng như đánh giá được ảnh hưởng của các công trình xây dựng sau này.
36
Trên cơ sở kết quả tính toán trường sóng và trường dòng chảy tiến hành thử
nghiệm tính toán vận chuyển bùn cát qua một số mặt cắt từ số liệu sóng và dòng chảy
được xuất ra từ mô hình. Hiện nay, có khá nhiều công thức để tính toán vận chuyển
bùn cát tùy thuộc vào hình thức vận chuyển là di dáy hay lơ lửng hay dựa vào việc
vận chuyển bùn cát là do sóng hay do dòng chảy hay kết hợp giữa sóng và dòng chảy
như công thức về vận chuyển trầm tích tổng cộng do dòng chảy của Van Rijn (1984)
hay công thức của Engelund và Hansen (1972), công thức Acker và White (1973)
cũng về tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng do dòng chảy, công thức của Bailard
(1981) đối với vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng, công thức Soulsby – Van
Rijn cho vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng và dòng chảy kết hợp… Trong
nghiên cứu này, với mục đích thử nghiệm tính toán vận chuyển bùn cát do sóng, học
viên lựa chọn sử dụng công thức tính vận chuyển bùn cát di đáy của Van Rijn (2007)
[23]:
𝑞𝑏 = 𝛼𝑏𝜌𝑠𝑈ℎ(𝑑50/ℎ)1.2𝑀𝑒1.5
trong đó:
𝑞𝑏 vận chuyển di dáy (kg/s/m)
𝛼𝑏 = 0.015
𝑀𝑒 = (𝑈𝑤 − 𝑈𝑐𝑟)/[(𝑠 − 1)𝑔𝑑50]0.5 tham số chuyển động (-)
𝑈𝑒 = 𝑈 + 𝛾𝑈𝑤 vận tốc hiệu quả (effective velocity) (m/s) với 𝛾 = 0.4 cho sóng
không đều và 0,8 cho sóng đều
U vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu (m/s)
𝑈𝑤 = 𝜋𝐻𝑠/[𝑇𝑝sinh (𝑘ℎ)] vận tốc quỹ đạo phổ (m/s) dựa vào lý thuyết sóng
tuyến tính.
𝐻𝑠 độ cao sóng có nghĩa (m); 𝑇𝑝 chu kì sóng đỉnh phổ (s)
𝑈𝑐𝑟 = 𝛽𝑢𝑐𝑟,𝑐 + (1 − 𝛽)𝑢𝑐𝑟,𝑤 là vận tốc tới hạn (m/s) với 𝛽 = 𝑢/(𝑢 + 𝑈𝑤)
𝑈𝑐𝑟,𝑐 là vận tốc tới hạn (m/s) của dòng chảy dựa trên Shields (Van Rijn, 1993)
37
𝑈𝑐𝑟,𝑤 là vận tốc tới hạn (m/s) của sóng (Van Rijn, 1993)
𝑈𝑐𝑟,𝑐 = 0.19(𝑑50)0,1log (12ℎ/3𝑑90) nếu 0,0001<𝑑50<0,0005 m
𝑈𝑐𝑟,𝑐 = 8.5(𝑑50)0,6log (12ℎ/3𝑑90) nếu 0,0005<𝑑50<0,002 m
𝑈𝑐𝑟,𝑤 = 0.24[(𝑠 − 1)𝑔]0,66𝑑500,33(𝑇𝑝)
0,33 nếu 0,0001<𝑑50<0,0005 m
𝑈𝑐𝑟,𝑤 = 0.95[(𝑠 − 1)𝑔]0,57𝑑500,43(𝑇𝑝)
0,14 nếu 0,0005<𝑑50<0,002 m
3.3 Ứng dụng mô hình SWASH tính toán trường sóng và dòng chảy phát sinh
do sóng cho khu vực Cửa Lò - Nghệ An
3.3.1 Miền tính và lưới tính toán
Miền tính: Khu vực tính toán thuộc khu vực biển Cửa Lò – Nghệ An được giới
hạn như trên hình 18. Khu vực quan tâm là khu vực tính từ đảo Lan Châu xuống phía
Nam khoảng 2km, tuy nhiên, để tránh ảnh hưởng từ biên và sai số do các sóng có
hướng không vuông góc tại biên, khu vực tính toán được mở rộng lên phía Bắc và
xuống phía Nam mỗi bên khoảng 200m.
Hình 18. Khu vực tính toán
Lưới tính toán: trong tính toán sử dụng lưới đều trong hệ tọa độ Đề các với
kích thước ô lưới ∆𝑥 = ∆𝑦 = 1,5𝑚.
38
3.3.2 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình
a. Hiệu chỉnh mô hình
Trên cơ sở giá trị của các hệ số đã được sử dụng trong các tính toán ứng dụng
thử nghiệm cho các bài toán trong phòng thí nghiệm ở chương 2, tiến hành hiệu chỉnh
với bộ hệ số bao gồm: hệ số nhớt rối ngang theo công thức Smagorinsky với giá trị
trong khoảng [0,1-0,3], hệ số ma sát đáy sử dụng theo công thức số Manning với giá
trị trong khoảng [0,01-0,04], hệ số sóng vỡ 𝛼 trong khoảng [0,3-0,7], 𝛽 trong khoảng
[0,15-0,4].
Quá trình hiệu chỉnh được tiến hành như sau: giữ nguyên 3 tham số, thay đổi
tham số còn lại, đánh giá độ nhạy và xác định được giá trị phù hợp của tham số đó.
Sau khi có được giá trị của tham số đầu tiên, quá trình tiếp tục với các tham số còn
lại. Quá trình được tiếp diễn để xác định giá trị phù hợp với khu vực của từng tham
số.
Trong các tham số đã lựa chọn để hiệu chỉnh, tham số có ảnh hưởng nhiều
nhất đến kết quả mô phỏng là hệ số nhớt, tham số ít có ảnh hưởng nhất là hệ số sóng
vỡ. Việc thay đổi giá trị của hệ số sóng vỡ không làm thay đổi nhiều kết quả tính
toán, do vậy, trong tính toán này, sử dụng giá trị mặc định của mô hình do giá trị này
đã được sử dụng tại chương 2 và cho kết quả tốt đối với trường hợp địa hình có hình
dạng và kích thước gần giống với thực tế trong thí nghiệm lan truyền sóng trên bãi
có bar ngầm. Trong hai tham số còn lại, sự thay đổi giá trị của tham số sẽ làm cho kết
quả biến đổi nghịch biến, giá trị của các tham số tăng lên sẽ dẫn đến kết quả độ cao
sóng giảm xuống và ngược lại. Trong tính toán, nếu sử dụng các giá trị mặc định của
mô hình sẽ dẫn đến kết quả thiên cao, do vậy, cần tăng các giá trị của tham số. Trong
hai tham số này, tham số có ảnh hưởng nhiều đến kết quả là hệ số nhớt, việc thay đổi
giá trị của hệ số ma sát làm kết quả ít biến đổi hơn.
Trên cơ sở các tính toán ở chương 2 cùng với quá trình hiệu chỉnh xác định
được bộ tham số cho khu vực Cửa Lò – Nghệ An như sau: hệ số ma sát = 0,025, hệ
số nhớt = 0,25, hệ số sóng vỡ 𝛼 = 0,6, 𝛽 = 0,3
39
Hình 19. Kết quả hiệu chỉnh mô hình
Kết quả tính toán trường sóng được hiệu chỉnh với chuỗi số liệu thực đo tại
trạm gần bờ trong thời gian từ 7h ngày 20/3/2019 đến 7h ngày 23/3/2019. Kết quả
hiệu chỉnh mô hình được đánh giá bằng chỉ số Nash, với giá trị bằng 0,74 cho thấy
mức độ phù hợp giữa số liệu thực đo và tính toán.
b. Kiểm định mô hình
Với bộ tham số đã được xác định, tiến hành tính toán kiểm định mô hình với
bộ số liệu thực đo từ 1h ngày 20/6/2018 đến 1h ngày 24/6/2018. Kết quả kiểm định
cho hệ số Nash = 0,62. Kết quả này cho thấy rằng bộ tham số là phù hợp cho khu vực
tính toán.
Hình 20. Kết quả kiểm định mô hình
40
Do bộ số liệu thực đo dòng chảy là kết quả dòng chảy tổng cộng không tách
được riêng dòng cho sóng nên quá trình hiệu chỉnh kiểm định dòng chảy không được
thực hiện, tuy nhiên, qua kết quả tính toán ở chương 2 có thể khẳng định mô hình phù
hợp để tính toán trường dòng chảy khu vực ven bờ.
3.3.3 Kịch bản tính toán
Qua thống kê số liệu sóng từ NOAA cho ngoài khơi khu vực Cửa Lò Nghệ An
thấy rằng: tại khu vực này sóng ảnh hưởng chủ yếu là sóng hướng NE (32,83%), SE
(41,94%) và E (19,88%). Do vậy, tiến hành tính toán theo các kịch bản là các hướng
sóng chính với độ cao sóng và chu kì sóng đưa vào tính toán là độ cao sóng có nghĩa
và chu kì sóng tương ứng của từng hướng.
Bảng 2. Thống kê sóng nhiều năm tại Nghệ An (1979-2017)
Hướng H1/3 (m) T1/3 (s) Tần suất (%)
N 1.42 4.89 0.77
NE 1.57 6.89 32.83
E 0.98 5.72 19.88
SE 0.95 5.72 41.94
S 0.66 3.47 1.25
SW 0.62 3.32 2.52
W 0.56 3.18 0.47
NW 0.60 3.12 0.36
Kịch bản tính toán được đưa ra như trong bảng 3.
Bảng 3. Kịch bản tính toán
Kịch bản Hướng Độ cao (m) Chu kì (s)
1 NE 1,57 6,89
2 E 0,98 5,72
3 SE 0,95 5,72
3.3.4. Kết quả tính toán
Với bộ tham số phù hợp cho khu vực tính toán, các kịch bản, điều kiện tính
toán được đưa ra, tiến hành mô phỏng và nhận được kết quả như sau:
41
Kết quả tính toán trường sóng
Hình 21. Trường sóng kịch bản sóng hướng NE
Với kịch bản hướng sóng đầu vào là hướng NE, khi sóng lan truyền từ ngoài
khơi vào vùng ven bờ độ cao sóng tương đối lớn do không có sự cản trở của đảo hay
công trình, khu vực nhỏ sát bờ độ cao sóng nhỏ, trong quá trình lan truyền sóng bị
phân tán tạo nên như vực sóng không đều. Tại khu vực uốn gần đảo Lan Châu độ cao
sóng nhỏ, khi sóng hướng NE lan truyền đến đảo Lan Châu do đây là khu vực bờ đá,
đón sóng trực tiếp nên độ cao sóng tại khu vực này khá lớn vào khoảng 0,6-0,7m, với
kịch bản hướng sóng này cũng xuất hiện những khu vực nhỏ lặng sóng dọc bờ biển,
đây chính là những nơi có nguy cơ xảy ra dòng rip gây nguy hiểm cho người tắm
biển. Với hướng sóng có xu hướng vuông góc với bờ sẽ tạo ra những vùng hội tụ và
phân kì năng lượng năng lượng sóng là nguyên nhân gây ra dòng rip.
42
Hình 22. Trường sóng kịch bản sóng hướng E
Đối với sóng hướng E, việc tính toán cho kết quả có sai số do hướng sóng
không vuông góc với biên là nhỏ nhất. Tương tự như đối với kịch bản sóng hướng
NE, khu vực ven bờ độ cao sóng nhỏ. Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào
làm xuất hiện những vệt sóng có độ cao lớn nhỏ xen kẽ nhau. Độ cao sóng trong kịch
bản này tương đối nhỏ vào khoảng 0,5m.
Với kịch bản sóng hướng SE, khi sóng lan truyền từ ngoài khơi vào độ cao
sóng giảm, hướng sóng có xu hướng chuyển thành sóng hướng E do đảo Hòn Ngư
chắn ở phía ngoài. Độ cao sóng tương đối nhỏ trong kịch bản này.
43
Hình 23. Trường sóng kịch bản sóng hướng SE
Có thể thấy kết quả tính toán bằng mô hình SWASH cho kết quả trường sóng
khá khác so với mô hình thường dùng trước đây như mô hình Mike 21 SW. Nếu như
quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào vùng ven bờ được tính bằng mô hình
Mike độ cao sóng suy giảm theo độ sâu, thì khi tính bằng mô hình SWASH do phân
tán tần số, độ cao sóng suy giảm trong quá trình truyền sóng tạo nên những những
con sóng có độ cao lớn nhỏ xen kẽ nhau. Nhiều quá trình được tính đến làm cho kết
quả mô phỏng sát với thực tế hơn.
Trong cả ba kịch bản tính toán, khu vực sát bờ đều có độ cao sóng nhỏ, khu
vực mũi đảo Lan Châu có độ cao sóng tương đối lớn do đây là khu vực đón sóng trực
tiếp, khu vực uốn cong chỗ gần đảo Lan Châu do là vùng khuất sóng nên đây là chỗ
sóng khá nhỏ trong tất cả các trường hợp
Kết quả tính toán trường dòng chảy
Các hướng sóng khác nhau lan truyền vào bờ có tác động khá khác nhau đến
khu vực bãi tắm Cửa Lò, Nghệ An. Với sóng NE, sóng lan truyền trực tiếp vào khu
44
vực bãi tắm, hiệu ứng nước nông và khúc xạ có tác động chính đến phân bố trường
sóng vùng gần bờ. Các hướng sóng E, SE bị tác động chắn của đảo Hòn Ngư nên bị
suy giảm độ lớn khá nhiều khi tiếp cận bãi biển. Các quá trình khúc xạ, nhiễu xạ, biến
dạng có ý nghĩa lớn trong việc phân bố trường sóng khu vực ven bờ. Do đó, trường
dòng chảy ven bờ của các sóng hướng E, SE sẽ khác so với trường dòng chảy do sóng
hướng NE gây ra.
Hình 24. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng NE
Đối với sóng hướng NE, trường dòng chảy có sự biến đổi mạnh, dòng chảy có
xu thế men theo sườn phía nam đảo Lan Châu, dọc bờ biển xuất hiện những dòng
ngang bờ.
45
Hình 25. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng E
Với kịch bản sóng hướng E và SE, dòng chảy chủ yếu là dòng dọc bờ, dòng
ven bờ đều có hướng đi từ Nam lên Bắc men theo bờ biển và tồn tại trong khoảng
phía trong vùng sóng đổ là chủ yếu. Duy có khu vực khúc uốn gần đảo Lan Châu, do
có sự hội tụ của hai dòng chảy phía đầu đảo đi xuống và dòng dọc bờ đi lên dẫn đến
khu vực này thường tồn tại dòng tách bờ khá nguy hiểm. Dòng này hướng ra khơi về
phía các đảo đá nhỏ chắn phía ngoài và có độ lớn vận tốc cỡ 0,5m/s.
46
Hình 26. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng SE
Thử nghiệm ứng dụng kết quả của mô hình SWASH để tính toán vận
chuyển bùn cát
Quá trình vận chuyển trầm tích đóng một vai trò hết sức quan trọng trong ổn
định bờ biển. Rất nhiều vấn đề liên quan tới xây dựng các công trình bờ đòi hỏi cung
cấp các số liệu tính toán định lượng về bồi tụ, xói lở và ổn định đường bờ. Sóng, dòng
chảy cùng với các tính chất vật lý của vật liệu đáy là những nhân tố quan trọng quyết
định cho các quá trình trên. Việc tính toán vận chuyển bùn cát ở biển rất phức tạp do
quá trình vận chuyển bùn cát ở biển không những chịu tác động của dòng chảy mà
còn chịu ảnh hưởng của các dao động mực nước do thủy triều, các tác động của sóng
và vô số các lực tạo thành dòng chảy khác nhau và liên tục biến đổi.
Trong tự nhiên, sóng đóng vai trò khuấy trầm tích lên và tạo dòng chảy mang
vật chất đi. Vận chuyển bùn cát do sóng thường tạo thành biến đổi địa hình, đối với
đường bờ, sự di chuyển bùn cát dọc bờ có vai trò quan trọng trong sự biến động đường
bờ. Trong luận văn này, học viên chỉ sử dụng kết quả của mô hình SWASH để thử
nghiệm tính toán lượng bùn cát vận chuyển qua một số mặt cắt để chứng minh cho
47
việc có thể sử dụng kết quả của mô hình SWASH cho việc tính toán dòng vận chuyển
bùn cát mà chưa đi sâu nghiên cứu biến động đường bờ.
Để phục vụ tính toán vận chuyển bùn cát, số liệu sóng và dòng chảy tại một
số mặt cắt đại diện được trích xuất. Kết quả tính toán về lượng bùn cát vận chuyển
qua các mặt cắt được thể hiện trong bảng 4.
Hình 27. Mặt cắt tính toán vận chuyển bùn cát
Tại khu vực bãi biển Cửa Lò – Nghệ An với các sóng có hướng chủ đạo là
hướng SE và E, dòng chảy chủ yếu hướng từ Nam lên Bắc làm cho dòng bùn cát cũng
có xu hướng vận chuyển từ Nam lên Bắc. Có thể thấy với kịch bản sóng hướng E, do
tần suất xuất hiện nhỏ nhất nên lượng vận chuyển bùn cát qua các mặt cắt theo hướng
này tương đối nhỏ. Chủ yếu gây ra vận chuyển bùn cát đối với khu vực này là sóng
hướng SE và NE. Nếu như sóng hướng NE có xu hướng làm bùn cát vận chuyển
xuống phía Nam thì sóng hướng SE có xu hướng làm bùn cát vận chuyển lên phía
Bắc. Có thể thấy định lượng về lượng bùn cát vận chuyển lên phía Bắc có xu hướng
lớn hơn phía Nam. Từ kết quả tính toán có thể nhận thấy rằng dòng bùn cát có xu
hướng vận chuyển lên phía Bắc.
48
Bảng 4. Kết quả tính toán bùn cát vận chuyển qua các mặt cắt
Hướng Q (m3/năm) Ghi chú
MC1
NE -29.88
43.54
(+) hướng lên
phía bắc
(-) hướng
xuống phía
Nam
E -1.83
SE 75.25
MC2
NE 332.68
350.53 E -0.03
SE 17.88
MC3
NE -249.61
-120.25 E -4.50
SE 133.85
MC4
NE -33.71
-33.69 E 0.02
SE 0.00
MC5
NE -190.96
287.76 E 0.14
SE 478.58
Bùn cát có xu hướng vận chuyển từ phía Nam lên phía Bắc, trong quá trình di
chuyển, những hạt có kích thước lớn không bị di chuyển hoặc di chuyển một quãng
đường nhỏ sẽ bị lắng đọng lại, những hạt mịn hơn sẽ tiếp tục bị di chuyển do tác động
của sóng và dòng chảy, quá trình tiếp tục diễn ra. Tại khu vực uốn gần đảo Lan Châu
nơi có dòng chảy yếu, quá trình vận chuyển bùn cát di đáy ít diễn ra. Bùn cát từ phía
nam di chuyển lên thường sẽ lắng đọng tại vị trí này. Tại đây, cát thường là cát mịn
có độ chọn lọc cao, do những hạt lớn đã bị lắng đọng trong quá trình di chuyển, đến
tại vị trí này tạo thành bãi cát mịn. Điều này làm cho nhiều du khách chọn vị trí này
làm nơi vui chơi tắm biển. Tuy nhiên, tại vị trí uốn cong gần đảo Lan Châu có sự hội
tụ của dòng chảy từ phía Nam đi lên và dòng chảy từ phía đầu đảo đi xuống thường
tạo dòng tách bờ rất nguy hiểm, chính dòng này cuốn người tắm biển đi gây nhiều vụ
đuối nước thương tâm. Do vậy, cần có những cảnh báo cho người dân, du khách biết
để tránh gặp phải những tai nạn đáng tiếc.
49
Kết luận và kiến nghị
Mô hình SWASH đã được kiểm nghiệm qua ba bài toán: lan truyền sóng trên
bãi nghiêng thoải, lan truyền sóng trên bãi có bar ngầm trong điều kiện bão, dòng
chảy sóng trong địa hình có cồn ngầm. Kết quả này khẳng định rằng mô hình SWASH
phù hợp để tính toán vùng ven bờ.
Tính toán cho trường hợp thực tế ở Việt Nam kết quả cho thấy trường sóng
được mô phỏng khá tốt, thể hiện được các hiện tượng sóng trong vùng nước nông
như khúc xạ, nhiễu xạ… Việc mô phỏng tốt trường sóng là điều kiện quan trọng cho
việc mô phỏng tốt trường dòng chảy, từ đó có thể ứng dụng tính toán vận chuyển bùn
cát.
Qua tính toán thực tiễn cho khu vực biển Cửa Lò Nghệ An nhận thấy: Mô hình
có khả năng liên kết với mô hình SWAN thông qua biên liên kết tính toán đã mở ra
khả năng mô phỏng tốt trường sóng lan truyền sóng từ ngoài khơi đến vùng ven bờ;
Đối với mô hình SWASH thời gian tính toán tương đối nhanh, tuy nhiên, mô hình
chạy chưa ổn định khi thay đổi các tham số của mô hình; Trong các tham số của mô
hình, hệ số nhớt rối là tham số có ảnh hưởng nhiều nhất đến kết quả của mô hình.
Nghiên cứu trong luận văn mới chỉ dừng lại ở việc ứng dụng kết quả của mô
hình SWASH để tính toán thử nghiệm lượng bùn cát vận chuyển qua một số mặt cắt
mà chưa đi sâu nghiên cứu biến động đường bờ. Đây là điểm hạn chế của luận văn,
tuy nhiên, qua việc tính toán này có thể chứng minh được khả năng sử dụng kết quả
của mô hình cho việc tính toán dòng vận chuyển bùn cát, phục vụ cho những nghiên
cứu tiếp theo.
SWASH là một mô hình tính sóng hiện đại, có độ chính xác khá cao và phù
hợp với mô phỏng tính toán sóng ven bờ, nơi có sự tổng hợp của nhiều quá trình thủy
động lực phức tạp như sóng đổ, sóng leo, sóng tương tác phi tuyến với vật cản, công
trình, địa hình, sóng phản xạ, nhiễu xạ… Do đó, cần có những kiểm nghiệm thêm
trên thực tiễn để đưa SWASH vào ứng dụng trong các nghiên cứu tính toán sóng ở
khu vực cảng, cửa sông hay có công trình chỉnh trị.
50
Tài liệu tham khảo
Tiếng Việt
1. Báo cáo kinh tế - xã hội thị xã Cửa Lò, 2015
2. Phùng Đăng Hiếu (2016), “Thuyết minh đề tài TNMT.2016.06.09. Nghiên cứu xây
dựng mô hình tính toán trường động lực khu vực sóng đổ phục vụ cảnh báo
dòng chảy nguy hiểm ven bờ tại các khu vực bãi biển Việt Nam; Áp dụng thí
điểm cho bãi biển Cửa Lò – Nghệ An”, Viện Nghiên cứu biển và hải đảo
3. Phùng Đăng Hiếu, Lê Đức Dũng (2018), “Báo cáo khảo sát đo địa hình khu vực
Cửa Lò – Nghệ An tỷ lệ 1:2000”, Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài
TNMT.2016.06.09
4. Phùng Đăng Hiếu, Lê Đức Dũng (2019), “Báo cáo kết quả đo mực nước, sóng,
dòng chảy khu vực Cửa Lò – Nghệ An năm 2018 (số liệu đo mùa Đông Bắc)”,
Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài TNMT.2016.06.09
5. Phùng Đăng Hiếu, Nguyễn Thị Khang (2019), “Phân tích, tính toán chế độ sóng,
hoa sóng trung bình tháng từ số liệu NOAA cho khu vực Cửa Lò – Nghệ An
là cơ sở đầu vào cho tính toán dòng chảy nguy hiểm” Báo cáo chuyên đề thuộc
đề tài TNMT. 2016.06.09
6. Phùng Đăng Hiếu, Vũ Sinh Khiêu (2017), “Thu thập tài liệu, số liệu về điều kiện
tự nhiên, kinh tế-xã hội, khí tượng thủy văn, địa hình khu vực biển Cửa Lò-
Nghệ An”, Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài TNMT.2016.06.09
7. Phùng Đăng Hiếu, Trần Đức Trứ (2018), “Báo cáo kết quả đo mực nước, sóng,
dòng chảy khu vực Cửa Lò – Nghệ An năm 2018 (số liệu đo mùa hè)”, Báo
cáo chuyên đề thuộc đề tài TNMT.2016.06.09
8. Phùng Đăng Hiếu, Nguyễn Thị Khang, Lê Đức Dũng, Trần Đức Trứ (2018) “Mô
phỏng dòng rip và dòng chảy ven bờ phát sinh do sóng theo các phương pháp
khác nhau của phần mềm Mike 21” Tạp chí Khoa học Thủy lợi và Môi trường
- Số 61 (6/2018)
51
9. Vũ Như Hoán (2000), “Thủy triều ở ven biển Việt Nam”, NXB khoa học và kỹ
thuật, Hà Nội
10. Đinh Văn Ưu, Nguyễn Thọ Sáo, Phùng Đăng Hiếu (2006), “Thủy lực biển”, NXB
Đại học Quốc gia Hà Nội
Tiếng Anh
11. Blayo, E. and Debreu, L., (2005), “Revisiting open boundary conditions from
thepoint of view of characteristic variables”, Ocean Model., 9: 231–252
12. Haller, M.C., Dalrymple, R.A. and Svendsen, I.A., (2002), “Experimental studyof
nearshore dynamics on a barred beach with rip channels” J. Geophys. Res.,107
(C6), doi:10.1029/2001JC000955
13. Holthuijsen, L.H., (2007), “Waves in oceanic and coastal waters” Cambridge
University Press, Cambridge
14. Kennedy A.B., Chen Q., Kirby J.T. and Dalrymple R.A. (2000), “Boussinesq
modeling of wave transformation, breaking and runup. Part I. One dimension”
Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering 126, pp. 39-47
15. Lam, D.C.L. and Simpson R.B., (1976), “Centered differencing and the box
schemefor diffusion convection problems” J. Comput. Phys., 22: 486-500
16. Madsen P.A., Sorensen O.R., Schaffer H.A (1997a), “Surf zone dynamics
simulated by Boussinesq type model. Part I. Model description and cross-
shore motion of regular waves”. Coastal Engineering, 32, 255-287
17. Madsen P.A., Sorensen O.R., Schaffer H.A (1997b), “Surzone dynamics
simulated by Boussinesq-type model. Part II: Surfbeat and swash oscillations
for wave groups and irregular waves” Coastal Engineering, Vol 32, pp. 289-
319
18. Schaffer H.A., Madsend P.A., Diegaard R. (1993), “A Boussinesq model for wave
breaking in shallow water”, Coastal Engineering Vol. 20, No. 3-4, pp. 185-
202
52
19. Stelling, G. and Zijlema, M., (2003),“An accurate and efficient finite-
differencealgorithm for non-hydrostatic free-surface flow with application to
wavepropagation”, Int. J. Numer. Meth. Fluids, 43: 1–23
20. SWASH user manual
21. Ting F.C.K and Kirby (1994), “Observation of undertow and turbulence in a
laboratory surfzone”, Coastal Engineering 24, pp. 51-80
22. Van Gent, M.R.A. and Doorn, N., (2000),“Numerical model investigations
oncoastal structures with shallow foreshores; Validation of numerical models
basedon physical model tests on the Petten Sea-defence”. Report H3351,
WL|Delft Hydraulics, Delft, The Netherlands
23. Van Rijn L.C., “Simple general formulate for sand transport in rivers, estuaries
and coastal waters”, www.leovanrijn-sediment.com
24. Zijlema, M. and Stelling, G.S., (2008), “Efficient computation of surf zone
wavesusing the nonlinear shallow water equations with non-hydrostatic
pressure”, Coastal Engineering, 55: 780–790
25. Zijlema, M., Stelling, G. and Smit, P., (2011), “SWASH: An operational public
domain code for simulating wave fields and rapidly varied flows in coastal
waters”, Coastal Engineering, 58, 992-1012