Bài viết Tổng quan về chế độ thủy động lực sóng trên các đảo nổi ngoài khơi trình bày sự hình thành sóng ngoại trọng lực; Phản xạ, biến đổi và tương tác trên thềm; Hình thành sóng đứng và cộng hưởng; Nước dâng và sóng leo.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC SĨNG TRÊN CÁC ĐẢO NỔI NGỒI KHƠI Phạm Lan Anh Trường Đại học Thủy lợi, email: lananhct@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Đảo thường thềm san hô liền trước bờ biển có địa hình đặc trưng sàn tương đối phẳng, rộng vài trăm mét, nước nông chuyển tiếp đột ngột sang vùng nước sâu, địa hình dốc Q trình lan truyền sóng đảo chịu biến đổi mạnh mẽ q trình sóng vỡ, sóng phản xạ, tương tác sóng-sóng phi tuyến, ma sát đáy, nước dâng thềm hay sóng leo… Dù hầu hết lượng sóng bị tiêu hao sóng vỡ mặt trước ngồi vành đảo, thiệt hại nặng nề ghi nhận cơng trình bảo vệ bờ đảo đê chắn sóng, khối phủ, cơng trình quốc phịng an ninh hay ngập lụt bờ biển ảnh hưởng tới dân sinh hệ sinh thái Tuy có số nghiên cứu trường thực nghiệm cịn rải rác phân tán q trình lan truyền sóng ảnh hưởng lên cơng trình bảo vệ bờ nơng Cịn đảo nổi, có mái dốc với độ dốc lớn ngồi vành đảo (1:10 đến 1:5) nên sóng vỡ mái dốc Sóng IG chủ yếu hình thành quanh vùng bao ngồi sóng vỡ Cơ chế chiếm ưu sinh sóng ngoại trọng lực ứng suất phát xạ (radiation stress) cưỡng sinh vùng sóng vỡ (nghĩa chế điểm vỡ biến thiên theo thời gian) tạo dải lượng phạm vi tần số thấp sóng ngoại trọng lực [Baldock, 2012] Vị trí xuất sóng ngoại trọng lực IG xung quanh từ mái dốc vành đảo, đỉnh rìa san hơ phần thềm (vùng sóng vỡ đóng khung) Dù chế sóng IG tiếp tục truyền sóng tự hai phía: loại IG hướng biển loại IG hướng bờ Các phân tích phổ cao độ mặt nước mặt dốc vành đảo thềm thay đổi đáng kể phổ lượng sóng hướng bờ từ điểm vỡ Nhãm sãng tới Sóng IG sinh chế điểm vỡ h−íng biĨn Vïng sãng Sãng IG sinh chế điểm vỡ hớng bờ Sóng IG phản xạ h−íng biĨn Sãng IG h−íng bê SỰ HÌNH THÀNH SĨNG NGOẠI TRỌNG LỰC Sóng ngoại trọng lực (IG) cịn có tên gọi khác sóng mạch đập hay sóng dài ràng buộc, sóng tần số thấp… lần đầu phát từ cuối năm 1940; chu kỳ khoảng 20s đến 300s (0.003Hz đến 0.05Hz) Có hai chế hình thành sóng ngoại trọng lực: Một lệch pha sóng nhóm sóng, cho phép lượng truyền từ tần số cao sang tần số thấp hình thành sóng ràng buộc Cơ chế ngày xảy địa hình độ dốc b thoi, nc Phản xạ Súng IG sinh từ nhóm sóng tới sinh bị bẫy Phản xạ Phản xạ Đỉnh rìa Hỡnh Quỏ trỡnh hỡnh thnh, lan truyền, phản xạ tương tác sóng ngoại trọng lực [2] PHẢN XẠ, BIẾN ĐỔI VÀ TƯƠNG TÁC TRÊN THỀM Chuyển động sóng thềm nhìn chung bao gồm thành phần lan truyền hướng bờ (đi vào) thành phần hướng biển (đi ra) 768 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 3.1 Phản xạ Sóng IG phản xạ bờ phản xạ mái dốc vành đảo sát đỉnh thềm địa hình đặc biệt đảo Sự phản xạ mơ tả Hình [2] Nếu tiêu hao sóng vỡ ma sát đáy nhỏ, sóng đến phản xạ bờ tạo thành sóng phản xạ hướng biển Sóng IG hướng biển lại bị phản xạ ngược lại mái dốc vành đảo chúng truyền thềm đảo thay đổi nhanh vận tốc sóng xảy mái dốc vành đảo (từ 1:10 tới 1:5) Chính hình dạng thay đổi đột ngột từ gần phẳng sang dốc, từ nông sang sâu bẫy lại sóng tần số thấp 3.2 Hình thành sóng đứng cộng hưởng ηf=0.014H Để hình thành sóng đứng tiêu sóng cần phải nhỏ phản xạ bờ lại mạnh Từ Hình thấy sóng hướng bờ tương tác với sóng phản xạ từ đường bờ (hướng biển) tạo thành sóng đứng thềm Sự lệch pha sóng tới sóng phản xạ xảy =00 (vị trí nodes cho nhỏ nhất) ±1800 (vị trí antinodes cho lớn nhất) Hình Nếu tần số dao động tự nhiên (dao động riêng) thềm san hô trùng với tần số sóng đứng vị trí điểm nodes đặt trùng đỉnh rìa cộng hưởng xảy Tuy nhiên, trước đó, lượng sóng IG bị bẫy lại thềm san hơ giải thích Những sóng bị bẫy lan truyền hướng bờ pha, tần số tự nhiên với sóng tới, chúng bị khuếch đại cộng hưởng làm dâng cao sóng leo đường bờ gây ngập lụt đường bờ Khoảng cách từ đỉnh thềm (m) Hình Sóng đứng hình thành thềm [1] Hệ số phản xạ R2 = H2s,r/H2s,i nói lên liệu có hình thành sóng đứng hay sóng lan truyền thềm Để hình thành sóng đứng hồn tồn lượng sóng tới sóng phản xạ có độ lớn nhau; nghĩa R2 gần tới Theo [1] khơng phải lúc sóng đứng hồn tồn tạo thành Ở vị trí sát bờ 0.75 R2 1.25 cho sóng đứng nghĩa; cịn vị trí khác thềm R2 giảm tới 0.5 cho thấy sóng phần sóng đứng phần sóng lan truyền 3.3 Năng lượng Năng lượng sóng băng tần số sóng đến bị tiêu hao khoảng chiều dài vài sóng thềm sát bờ lượng sóng IG chiếm ưu (order 100s) Nói cách khác, rặng san hơ ngầm đóng vai trị lớp lọc sóng ngắn hiệu nên chủ yếu cịn sóng chu kì dài lan truyền Năng lượng sóng ngoại trọng lực (IG) nhỏ đỉnh thềm tăng lên sóng lan truyền hướng bờ tăng lên với việc tăng mực nước thềm [3] Điều thống với đo đạc trường [1] chiều cao sóng ngắn giảm mạnh thềm cịn chiều cao sóng IG ban đầu giảm sau tăng lên hướng bờ đạt lớn đường bờ 3.4 Nước dâng sóng leo Nhóm sóng tới vỡ khoảng mái dốc vành đảo gần đỉnh rìa; lượng phần lớn tiêu tán sóng vỡ nên bảo vệ đường bờ khỏi điều kiện sóng cực đoan lại làm dâng cao mực nước tương nước dâng Mực nước dâng cao sau sóng vỡ từ vị trí đỉnh thềm trì ổn định bờ Hình Theo Munk (1948) đảo Bikini Atoll Thái Bình Dương mực nước biển trung bình dâng 0.45m tới 0.6m Nhưng dao động mạnh sóng tần số thấp gây sóng leo (bao gồm sóng vỗ nước dâng) cực đại vị trí vùng sóng vỡ sát bờ, gây ngập lụt đường bờ [Seelig 1983] gây thiệt hại cơng trình đảo san hô Nhật trận bão CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG 4.1 Hình thái đảo Hình thái đặc trưng đảo làm gia tăng việc dâng cao mực nước sóng vỡ 769 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 Nước dâng (m) đảo Chuyển từ vùng mái dốc lớn vành đảo sang vùng nước nơng thềm phẳng, sóng bị giới hạn độ sâu dễ dàng vỡ mái dốc, sinh gradient ứng suất xạ, mực nước trung bình dâng lên Nhẵn Nhám Khoảng cách từ đỉnh thềm Hình Nước dâng [2] Hrms,out /Hrms,in Sóng IG sinh chế điểm vỡ di chuyển độ lớn nước dâng sóng nhiều đến gấp hai lần mái dốc vành đảo có độ dốc lớn (1:5) so với nơi dộ dốc nhỏ (1:100) [2] Độ dốc địa hình nơi sóng tới vỡ đóng vai trị quan trọng việc định độ lớn nước dâng Độ dốc mái vành đảo ảnh hưởng tới phản xạ sóng phía biển khiến chúng quay đầu trở lại hướng bờ dẫn tới khuếch đại cộng hưởng pha tần số tự nhiên với thềm san hơ; sóng IG hướng biển, sau phản xạ từ đường bờ truyền khỏi thềm san hô bị bẫy lại, phản xạ khuếch tán cộng hưởng dẫn tới làm tăng sóng leo đường bờ Hệ số phản xạ sóng IG hướng biển mái dốc lớn (>1) Hình 4.3 Độ nhám Ma sát đáy làm giảm nước dâng sóng leo vùng sóng vơ Ma sát đáy phụ thuộc vào mật độ phân bố không gian san hô thềm So sánh với trường hợp độ nhám phân bố đảo, mái dốc vành đảo nhám cịn thềm lại nhẵn có nước dâng sóng vỡ chiều cao sóng leo lại lớn tiêu sóng ma sát thềm giảm [2] Ma sát đáy đóng vai trị làm tiêu hao lượng sóng ngắn sóng dài tốc độ xảy với sóng ngắn mạnh mẽ nên cuối lượng sóng ngắn tiêu hao lượng sóng dài chiếm ưu thềm Tuy nhiên nói rặng san hơ đóng vai trị lớp đệm cản sóng ngắn tránh tác động cực đoan từ đợt bão Nếu độ nhám đáy giảm xuống suy thối/ biến san hơ dẫn tới gia tăng ngập lụt đường bờ THẢO LUẬN Như qua tổng hợp tài liệu thấy, thềm san hơ giúp làm giảm đáng kể sóng ngắn tới đảo góp phần hình thành lan truyền tương tác sóng tần số thấp làm dâng cao mực nước thềm tăng cường sóng leo đường bờ Phân bố xác suất cao độ mặt nước phân bố xác suất chiều cao sóng khác hồn tồn với phân bố Guassian Rayleigh sóng tuyến tính chưa đề cập nghiên cứu kể TÀI LIỆU THAM KHẢO Khoảng cách từ đỉnh thềm Hình Hệ số phản xạ [2] 4.2 Chiều dài thềm san hơ Cũng có nghiên cứu khẳng định khuếch đại cộng hưởng xảy mà chiều dài sóng ngoại trọng lực xấp xỉ lần chiều dài thềm san hô [3] Hay chiều dài thềm san hô gấp lên số lẻ lần phần tư chiều dài sóng ngoại trọng lực dẫn tới khuếch đại cộng hưởng sóng đứng [1] Gundula Winter, Dongeren 2017 Stading Infragravity waves over an alongshore irregular rock bathymetry Journal of geographical research: Oceans [2] Buckley nnk 2018 Mechanism of wavedriven water level variability on Reeffringed Coastalines Journal of geographical research: Oceans [3] Okey Nwogu nnk 2010 Wave motions and runup over shallow fringing reefs Journal of waterway, port coastal and ocean engineering 770 ... chuyển độ lớn nước dâng sóng nhiều đến gấp hai lần mái dốc vành đảo có độ dốc lớn (1:5) so với nơi dộ dốc nhỏ (1:100) [2] Độ dốc địa hình nơi sóng tới vỡ đóng vai trị quan trọng việc định độ lớn... sóng ngắn sóng dài tốc độ xảy với sóng ngắn mạnh mẽ nên cuối lượng sóng ngắn tiêu hao lượng sóng dài chiếm ưu thềm Tuy nhiên nói rặng san hơ đóng vai trị lớp đệm cản sóng ngắn tránh tác động cực... cho sóng đứng nghĩa; cịn vị trí khác thềm R2 giảm tới 0.5 cho thấy sóng phần sóng đứng phần sóng lan truyền 3.3 Năng lượng Năng lượng sóng băng tần số sóng đến bị tiêu hao khoảng chiều dài vài sóng