GENESIS - Mô hình số trị mô tả biến đổi đường bờ - Chương 1 ppsx

Chương 1 Tóm tắt lý thuyết mô hình 1.1 Sự cần thiết mô hình hoá diễn biến đường bờ Bảo vệ đường bờ và ổn định đường bờ là những nhiệm vụ trung tâm trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển. Sự biến đổi bãi biển bị chi phối bởi các yếu tố gió, sóng dòng chảy, mực nước, đặc trưng bùn cát và nguồn cung cấp. Để dự báo diễn biến bờ biển gây ra bởi một quá trình phức tạp như vậy; rất cần một công cụ hữu ích như mô hình toán. Không những nó cho kết quả khách quan mà còn là công cụ hỗ trợ tính toán cho những kịch bản khác nhau trong các dự án phát triển. Dù vậy, cần nhận thức rằng mô hình toán không thể hoàn toàn thay thế vai trò của kỹ thuật viên vận hành mô hình và họ có trách nhiệm về kết quả cuối cùng. 1.2 Khả năng của mô hình GENESIS là mô hình “đường đơn”, nghĩa là hình dạng mặt cắt ngang bờ không đổi mà chỉ dịch chuyển theo chiều ngang. Tuy vậy, sự giản hoá này lại khó phù hợp trong thực tiễn. Trong cách mô phỏng này các đường đồng mức đáy luôn song song với nhau và do đó chỉ cần được đại diện bởi một đường cong duy nhất, đó là đường bờ. Với một số giả thiết phù hợp, GENESIS có thể được dùng cho các bãi biển cát để phân tích các phản ứng của đường bờ dưới tác dụng của sóng trong nhiều bài toán kỹ thuật. Mô hình dự đoán vị trí của đường bờ biến đổi trong khoảng thời gian từ vài tháng đến vài năm; và thích hợp nhất đối với những trường hợp có một xu hướng biến đổi đường bờ dài hạn và có quy luật, chẳng hạn sự thoái lui đường bờ phía khuất của một đập mỏ hàn hoặc sự phát triển của đường bờ phía sau một đập phá sóng. Khoảng thời gian mô phỏng phụ thuộc vào các điều kiện sóng và vận chuyển bùn cát, độ chính xác của các điều kiện biên, tính chất của dự án và mức độ gần giống của bãi so với vị trí cân bằng. Ngay sau khi xây dựng công trình, bãi biển đã bị thay đổi nhiều so với trạng thái cân bằng của nó. Trong trường hợp này thay đổi do gia diện vận chuyển cát dọc bờ lớn hơn nhiều so với do bão và những thay đổi theo mùa. Diễn biến kéo dài vài năm 5 CHƯƠNG 1. TÓM TẮT LÝ THUYẾT MÔ HÌNH 6 này, khi mặt cắt đang biến đổi giữa hai vị trí cân bằng, được GENESIS mô tả một cách hiệu quả nhất. Không gian được mô phỏng có thể biến đổi từ vùng dự án đơn lẻ cỡ vài trăm mét đến dải bờ biển dài vài chục km. Cần lưu ý rằng, mặc dù phạm vi của công trình không lớn nhưng các điều kiện có thể mở rộng trên một vùng rộng lớn hơn nhiều. Trong một số trường hợp, phạm vi mô hình có thể mở rộng tuỳ theo yêu cầu xem xét ảnh hưởng của mô hình tới các khu vực lân cận. Như đã đề cập ở trên, mô hình biến đổi đường bờ được xây dựng nhằm mô phỏng quá trình biến đổi dài hạn của đường bờ trong quá trình tiến tới một trạng thái cân bằng. Trạng thái xáo trộn ban đầu thường là do những công trình lớn được xay dựng, chẳng hạn đê chắn cát tại cửa sông hoặc bến cảng. Mô hình không thể mô phỏng được các biến động ngẫu nhiên của đường bờ mà không có xu thế rõ rệt, chẳng hạn biến đổi của dòng ven bờ do điều kiện sóng khác nhau, hoặc biến đổi của bờ biển tại lạch triều, biến đổi dòng chảy gây ra do gió, hoặc vận chuyển bùn cát ngang bờ trong các trận bão. 1.3 So sánh các mô hình biến đổi đường bờ Các mô hình giải tích cho các nghiên cứu đúng của một phương trình vi phân biểu thị diễn biến của đường bờ. Nhưng để có nghiệm đúng, nhiều giả thiết phải được chấp nhận nhằm lý tưởng hoá điều kiện tự nhiên. Do đó mô hình giải tích nếu cần, chỉ được áp dụng trong giai đoạn tiền khả thi, với mục đích chủ yếu là nhận diện xu hướng phát triển chính của đường bờ và ảnh hưởng của các yếu tố như sóng góc tới, điều kiện biên, điều kiện ban đầu. Đến nay các mô hình xói lở mặt cắt có thể mô phỏng xói lở bãi biển dưới ảnh hưởng của bão (Kriebel và Dean, 1985; Larson, 1988) cũng như biến đổi mặt cắt ngang ngay sau khi đổ cát nuôi bãi (Larson và Kraus, 1989a). Mô hình này bỏ qua quá trình vận chuyển bùn cát dọc bờ. Về nguyên tắc, các mô hình diễn biến mặt cắt và diễn biến đường bờ có thể dùng kết hợp để mô phỏng biến đổi vị trí đường bờ cả ngắn hạn lẫn dài hạn. Mô hình biến đổi đường bờ, như GENESIS, tổng quát hoá từ mô hình giải tích, nhưng xét tới nhiều yếu tố phức tạp hơn như công trình, sóng, các điều kiện biên điều kiện ban đầu Ngoài ra, các nguồn bổ sung bùn cát như nuôi bãi, bổ sung bùn cát từ cửa sông, hoặc các hoạt động khai thác cát, v.v. đều được xét đến. Mô hình 3 chiều mô phỏng thay đổi độ cao, độ đáy theo cả hai hướng: dọc bờ và ngang bờ; và do đó gỡ bỏ các giả thiết về hình dạng mặt cắt ngang không đổi (của mô hình biến đổi đường bờ) và vận chuyển bùn cát không đổi (của mô hình biến đổi mặt cắt). Sóng, dòng chảy, vận chuyển bùn cát cũng được xác định trên toàn bộ lưới tính toán. Mô hình loại này cần chạy trên những máy tính mạnh và đòi hỏi việc kiểm định mô hình và phân tích độ nhạy rất sâu sắc. CHƯƠNG 1. TÓM TẮT LÝ THUYẾT MÔ HÌNH 7 1.4 Vai trò của mô hình biến đổi đường bờ trong kế hoạch dự án Mô hình biến đổi đường bờ liên hệ chặt chẽ và có thể hỗ trợ đáng kể cho các giai đoạn lập kế hoạch dự án như trên Hình 1.1. Bước b: Các dữ liệu thu thập bao gồm cả những quá trình tự nhiên và những yếu tố gắn với công trình. Chú ý rằng những cấu trúc địa chất có thể gián tiếp ảnh hưởng đến mô hình biến đổi đường bờ, chẳng hạn sự lún sụt tại một vị trí nhất định nào đó. Các bước c-d: GENESIS, qua việc mô phỏng diễn biến bờ biển với nhiều phương án khác nhau, có thể là công cụ đánh giá các phương án và tìm ra giải pháp tối ưu cuối cùng. Chẳng hạn, trong (Hanson và Kraus, 1986a), có 9 phương án được vạch ra nhằm hạn chế xói mòn bãi biển tại một khu nghỉ mát. Phương án “số không” được đặt ra xem xét cùng với các phương án xây dựng dãy đập mỏ hàn với các kích thước và khoảng cách khác nhau, nuôi bãi với các khối lượng khác nhau, hoặc đập phá sóng. Với mỗi phương án, khối lượng vật liệu bờ biển sẽ được ước tính, từ đó căn cứ vào giải pháp kỹ thuật mà chọn ra phương án khả thi nhất. Bước g: Mô hình biến đổi đường bờ còn hỗ trợ hướng dẫn cho kế hoạch đo đạc, theo dõi đường bờ. Các khu vực có đường bờ thay đổi mạnh mẽ nhất có thể xác định, từ đó các phương án hợp lý nhằm đo đạc tại những vùng này (cả về mật độ lẫn tần suất đo đạc). CHƯƠNG 1. TÓM TẮT LÝ THUYẾT MÔ HÌNH 8 Hình 1.1: Các bước chính trong thiết lập kế hoạch và thực hiện dự án . việc kiểm định mô hình và phân tích độ nhạy rất sâu sắc. CHƯƠNG 1. TÓM TẮT LÝ THUYẾT MÔ HÌNH 7 1. 4 Vai trò của mô hình biến đổi đường bờ trong kế hoạch dự án Mô hình biến đổi đường bờ liên hệ chặt. hình diễn biến mặt cắt và diễn biến đường bờ có thể dùng kết hợp để mô phỏng biến đổi vị trí đường bờ cả ngắn hạn lẫn dài hạn. Mô hình biến đổi đường bờ, như GENESIS, tổng quát hoá từ mô hình giải. Chương 1 Tóm tắt lý thuyết mô hình 1. 1 Sự cần thiết mô hình hoá diễn biến đường bờ Bảo vệ đường bờ và ổn định đường bờ là những nhiệm vụ trung tâm trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển. Sự biến đổi