Động lực học cát biển - Hướng dẫn các ứng dụng thực hành - Chương 12 pps

171 Chơng 12. Xử lý trờng dòng chảy - sóng 12.1. Tổng quan Trong các mục trớc đã giả thiết rằng một vận tốc dòng chảy đơn và/hoặc một điều kiện sóng đơn (hoặc phổ sóng) đợc đặt ra. Tuy nhiên, đối với nhiều ứng dụng thực tế ngời ta phải giáp mặt với điều kiện dòng chảy và sóng thay đổi rất lớn trong một năm từ những điều kiện yên lặng kết hợp với triều yếu cho đến những cơn bão cực mạnh kết hợp với dòng chảy triều cờng cực đại. Câu hỏi là làm sao để dự đoán vận chuyển trầm tích trung bình (hoặc động lực hình thái hoặc xói lở), xét đến những hiệu ứng của tất cả những điều kiện này một cách chính xác. Quyết định sử dụng đầu vào nào của sóng và dòng chảy có tầm quan trọng đặc biệt cho việc tính toán vận chuyển trầm tích dài hạn hoặc động lực hình thái. Vấn đề xử lý trờng dòng chảy - sóng nảy sinh khi liên kết với sự đa dạng rộng rãi của các nhóm ứng dụng: sự ổn định của vật liệu chống xói xung quanh những công trình xa bờ sự phát triển xói xung quanh những công trình (không đợc bảo vệ) việc chôn lấp những vật thể nằm trên đáy biển sự phát triển động lực hình thái của bãi biển và những vùng xa bờ khi có hoặc không có công trình sự lu động trầm tích và đờng vận chuyển trong các vùng xa bờ sự xâm thực trầm tích hàng năm vào những công trình lấy nớc mức bồi lấp hàng năm những rãnh, luồng tàu và bến cảng. Hầu hết các nguyên lý cơ bản mô tả dới đây là tổng quát cho một vài hoặc tất cả những ứng dụng ở trên. Có ba cách tiếp cận cơ bản có thể sử dụng: tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế tiếp cận xác suất tiếp cận tuần tự. Tất cả đều có những thế mạnh và thế yếu của chúng, và đợc mô tả dới đây. 12.2. Tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế Theo cách tiếp cận này, một điều kiện độ cao và dòng chảy thủy triều đơn, và một sóng đơn đợc chỉ rõ. Trong một vài nghiên cứu chúng đợc chỉ ra bởi khách hàng nh những điều kiện thiết kế mà một công trình hoặc sơ đồ phải đảm nhận. Chúng có thể dựa vào những tham số mang ý nghĩa công trình, nh cơn bão 50 năm và những điều kiện thuỷ triều thiên văn lớn nhất có thể làm cho một công trình h 172 hỏng nhng chúng không nhất thiết là những điều kiện thích hợp nhất cho những mục đích vận chuyển trầm tích, vì điều kiện cực trị hiếm khi có thể xuất hiện nh vậy hoặc ngắn ngủi đến nỗi nó chỉ có một hiệu ứng nhỏ lên trạng thái trầm tích dài hạn. Một điều kiện kết cấu chịu mỏi, có xét đến tình trạng tích lũy sau những thời gian dài, hầu nh phù hợp hơn với tình trạng vận chuyển trầm tích mặc dù vẫn cha phải là lý tởng. Một sự lựa chọn thích hợp hơn cho sóng và dòng chảy có thể thực hiện bởi việc lấy những giá trị đóng góp lớn nhất cho vận chuyển trầm tích trung bình dài hạn, dựa vào tiếp cận xác suất mô tả trong mục 12. 3. Nh một hớng dẫn thô, trong khu vực nớc có thủy triều chúng là: dòng chảy lớn nhất của triều cờng trung bình, nếu sóng không đáng kể dòng chảy lớn nhất của thủy triều trung bình (ví dụ M 2 ) ghép nối với sóng có tần suất 10 %, nếu sóng quan trọng. Để tính toán chuyển trầm tích dọc bờ, một hớng dẫn thô sẽ xét đến: sóng có tần suất 20 %. Trong các vùng dòng chảy gió chiếm u thế, sóng thiết kế và dòng chảy thiết kế cần phải đợc liên kết với vận tốc gió. Có thể thực hiện những lựa chọn tốt hơn nếu biết phân bố xác suất của vận tốc dòng chảy, p c (U i ) và độ cao sóng, p H (H j ). Trong đó, U i - vận tốc dòng chảy tại trung tâm của khoảng thứ i, và H j là độ cao sóng tại trung tâm của khoảng thứ j, của biểu đồ xác suất. Lúc đó dòng chảy thiết kế U d , và độ cao sóng thiết kế H d , cho bằng : m i ic m id UpUU /1 )( (143a) n j jH n jd HpHH /1 )( . (143b) Những giá trị số mũ m và n phụ thuộc vào vấn đề đang xét: đối với ứng suất trợt tại đáy m = n = 2; đối với dòng di đáy m = n = 3; đối với vận chuyển trầm tích tổng cộng m và n trong khoảng 3 - 5; đối với vận chuyển dọc bờ n = 2,5. Những kỹ thuật tiên tiến hơn để chọn một 'thủy triều động lực hình thái' (Latteux, 1996) hoặc một 'sóng đơn đại biểu' (Chesher và Miles, 1992) cho việc mô hình hoá chi tiết động lực hình thái đợc phát triển để giảm bớt thời gian tính toán tới những tỉ lệ quản lý đợc. Điều quan trọng là ý thức đợc rằng câu trả lời nhận đợc trong tính toán vận chuyển trầm tích sẽ phụ thuộc có tính quyết định vào sự lựa chọn những điều kiện đầu vào dòng chảy và sóng, sự lựa chọn này thờng quan trọng hơn sự lựa chọn phơng pháp sử dụng hoặc sự không thích hợp của mô hình dự báo vận chuyển trầm tích. Nh vậy cách tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế chỉ sử dụng nếu không thể hoặc không thực tế khi sử dụng cách tiếp cận xác suất hoặc tiếp cận tuần tự. 173 12.3. Tiếp cận xác suất Thờng nói rằng vận chuyển trầm tích bị chi phối bởi những sự kiện cực trị. Điều này chỉ đúng một phần. Một cơn bão cực trị kết hợp với dòng chảy triều cờng lớn nhất sẽ có tác động lớn nhng rất hiếm khi xuất hiện, trong khi những sóng vừa phải kết hợp với thuỷ triều trung bình lại xuất hiện rất thờng xuyên. Cả hai sự kiện có thể có đóng góp nh nhau cho vận chuyển trầm tích dài hạn. Cách tiếp cận xác suất bao gồm tất cả các tổ hợp có thể có của những sự kiện, đợc tổng hợp bằng một trọng số phụ thuộc vào tần số xuất hiện của chúng. Xét trờng hợp trong đó dòng chảy thủy triều chiếm u thế. Phân bố xác suất (ví dụ theo giờ) vận tốc dòng chảy có thể nhận đợc từ những số đo bằng lu tốc kế hoặc từ một mô hình số dòng chảy thủy triều. Biểu thị nó bằng p c (U i ), trong đó p c là xác suất xuất hiện của dòng chảy trong khoảng thứ i của vận tốc quy về một vận tốc U i . Khi không có các đo đạc, cũng không có mô hình nào, có thể tổng hợp phân bố xác suất bằng việc tổ hợp dòng chảy triều cờng và yếu theo từng giờ với các cấp thủy triều trong năm lấy theo bảng thủy triều. Trờng sóng (nên đo trong cả một năm hoặc nhiều hơn) có thể trình bày bằng một bản vẽ rời rạc H s -T z (hình 12). Nói chung, nó có thể tổng hợp bằng dự báo lùi các sóng từ một chuỗi dài dữ liệu gió. Vận tốc quỹ đạo đáy RMS đợc tính toán (ví dụ bằng lý thuyết sóng tuyến tính, mục 4.4) cho mỗi tổ hợp của H s và T z . Trong tính toán này có thể sử dụng độ sâu nớc trung bình, miễn là độ lớn thủy triều nhỏ so với độ sâu nớc trung bình. Số lần xuất hiện trong bản vẽ rời rạc H s -T z rơi vào trong mỗi khoảng U rms (ví dụ khoảng 0,1 ms -1 ) sẽ đợc cộng lại và chuẩn hóa bằng cách chia cho toàn bộ số lần xuất hiện để nhận đợc phân bố xác suất của vận tốc quỹ đạo sóng RMS là p W (U rms,j ). Bởi vì dòng chảy thủy triều phát sinh bởi những quá trình thiên văn và sóng phát sinh bởi những quá trình khí tợng, chúng có thể xem xét độc lập thống kê với nhau. Với giả thiết quan trọng này, xác suất xuất hiện kết hợp của dòng chảy U i , và vận tốc quỹ đạo sóng U rms,j là: )()(),( ,, jrmswicjrmsicw UpUpUUp . (144) Lấy suất vận chuyển trầm tích làm ví dụ cho cách tiếp cận, biểu thị suất vận chuyển trầm tích do tổ hợp của dòng chảy U với vận tốc quỹ đạo sóng U rms bằng q(U, U rms ). Có thể tính toán đối với một kích thớc hạt đã cho vv, bằng công thức Soulsby - Van Rijn (phơng trình (136), lấy ví dụ. Suất vận chuyển trầm tích trung bình dài hạn (thô) q LT đợc cho bằng: ),(),( ,, jrms i j jrmsicw LT UUqUUpq . (145) Nh vậy có thể tính toán một tổ hợp những phơng trình (144) và (145) để có suất vận chuyển trầm tích trung bình thô dài hạn (ví dụ năm) tại một điểm. Nó có thể áp dụng tại từng điểm lới cho mô hình khu vực ven bờ (mục 11.1) để nhận đợc phân bố vận chuyển trầm tích trung bình năm cho một khu vực. 174 Một mở rộng của phơng pháp trên là chia nhỏ dòng chảy theo các hớng (ví dụ cứ mỗi 30 o ), và lặp lại những tính toán trên theo mỗi nhóm hớng. Tính toán bằng phơng trình (145) sẽ cho ta suất vận chuyển trầm tích trung bình dài hạn và hớng trong mỗi nhóm hớng, có thể phân tích ra những thành phần theo hớng x (q kLT,x ) và y (q kLT,y ) cho nhóm hớng thứ k. Vectơ vận chuyển trầm tích ròng trung bình dài hạn bằng: k yLT k k xLT k LT qqq ,, , (146) (146) có thể sử dụng để tính toán đờng vận chuyển và độ lớn trầm tích trung bình dài hạn. Hình 33. Những đóng góp (o/oo) bởi tổ hợp sóng và dòng chảy cho vận chuyển trầm tích trung bình dài hạn Suất vận chuyển trầm tích thô (phơng trình (145)) là mô đun trung bình q không xét tới hớng, trong khi suất vận chuyển trầm tích ròng (phơng trình (146)) là trung bình vectơ của q có kể đến hớng. Những phơng pháp tơng tự có thể sử dụng cho những loại vấn đề khác. 175 Đối với những vấn đề xói lở và di động đáy biển, biểu thị ứng suất trợt cực đại tại đáy do dòng chảy U i và vận tốc quỹ đạo sóng U w,j bằng max (U i ,U w,j ). Đây phải là thành phần ma sát lớp đệm và có thể tính toán bằng một trong các phơng pháp mô tả trong mục 5.3. Xác suất lũy tích của ứng suất trợt vợt quá một giá trị đặc trng cr , nhận đợc bằng cách cộng những xác suất kết hợp p cw đã cho bởi phơng trình (144) của tất cả các tổ hợp của U i và U w,j mà làm cho max vợt quá cr. . Nếu cr là ngỡng ứng suất trợt cho sự ổn định của một đề xuất chống xói, tính toán ở trên cho ta xác suất hàng năm phải chống xói. Đối vơí vấn đề di động đáy biển, nếu cr là ngỡng chuyển động của vật liệu đáy, tính toán cho ta tỷ lệ biến động đáy trong năm. Với vấn đề xâm thực trầm tích, biểu thị nồng độ trầm tích lơ lửng do dòng chảy U i , và vận tốc quỹ đạo sóng U w,j tại độ cao của công trình lấy nớc là C(U i , U w,j ). Có thể tính toán nó bằng những phơng pháp mô tả trong mục 8.6. Nh vậy nồng độ trầm tích lơ lửng trung bình hàng năm tại công trình lấy nớc bằng: ),(),( ,, jw i j jwicw LT UUCUUpC . (147) Lợng trầm tích hàng năm nhận đợc bằng cách nhân C LT với thể tích nớc đi qua công trình trong một năm. Đối với những phơng pháp trên, cần tính toán vận tốc quỹ đạo đáy của sóng đơn tơng đơng U w , chứ không phải là U rms , vì những phơng trình tơng ứng đối với ứng suất trợt tại đáy và nồng độ trầm tích lơ lửng đợc cho dới dạng những sóng đơn. Trong hợp này, phải chuyển đổi rmsw UU 2 . (148) Có thể thực hiện những bổ sung tinh vi để mở rộng hợp lý những phơng pháp nói trên. Chúng gồm những tính toán cho các mực nớc đặc trng liên quan đến vận tốc dòng chảy trong các trờng hợp độ lớn thủy triều không phải nhỏ so với độ sâu nớc. Một ví dụ khác là tính toán thể tích trầm tích xâm thực phân chia theo nhóm kích thớc hạt. Có lẽ giả thiết cực đoan nhất trong phơng pháp nói trên là ở sự độc lập của dòng chảy và sóng sử dụng trong phơng trình (144). Trong khi giả thiết này khá tốt cho những khu vực mà dòng chảy u thế nh vùng thềm lục địa phía Tây Bắc châu Âu, nó lại không phù hợp trong các khu vực trong đó dòng chảy gió hoặc dòng chảy do nớc dâng thống trị nh ở phía Bắc của biển Bắc và thềm lục địa Bắc Mỹ. Nó cũng không thích hợp trong vùng sóng đổ trong đó dòng chảy dọc bờ do sóng chiếm u thế. Thậm chí trong các khu vực thủy triều thống trị, hầu hết những dòng chảy cực trị đều có thành phần do gió. Nếu U và U rms tơng quan một phần, xác suất kết hợp của chúng trở nên lớn hơn nhiều đối với những sự kiện cực trị, do vậy chúng đóng góp lớn hơn cho trung bình dài hạn. Nếu sóng và dòng chảy hoàn toàn tơng quan thì vấn đề thật sự đơn giản, bởi vì một phân bố xác suất đơn (của độ cao sóng hoặc vận tốc gió) là đủ. Những trờng hợp tơng quan một phần (đặc biệt với sự phụ 176 thuộc về hớng) thì phức tạp hơn nhiều. Trong các trờng hợp này, cách tiếp cận tuần tự hoặc cách tiếp cận thống kê dựa vào một số lợng hạn chế của hiện thực có thể cần thiết. Những chi tiết hơn của tiếp cận xác suất do Soulsby (1987b) đa ra đối với suất vận chuyển trầm tích thô. Một ví dụ áp dụng cho một tuyến tại phía Nam Biển Bắc, nơi sẵn có những tập hợp dữ liệu dài hạn của dòng chảy và sóng, do Soulsby đa ra (1987b). Minh họa ví dụ này cho trong hình 33, trong đó những đóng góp (phần nghìn) bởi mỗi tổ hợp của sóng và dòng chảy đợc chỉ ra. Thấy rằng những đóng góp lớn ( > 10 o/oo) là do dòng chảy nằm giữa các đỉnh triều cờng trung bình và triều yếu trung bình, kết hợp với sóng trong phạm vi 1,5 < H s < 3,8 m. Nó tơng ứng với tần suất trong phạm vi 33 %- 2 %. Những đóng góp lớn nhất (19 - 20 o/oo) là do dòng chảy ở chính giữa những đỉnh triều cờng trung bình và triều yếu trung bình, kết hợp với sóng H s = 2,5 m ứng với tần suất 9%. 12.4. Tiếp cận tuần tự Cách tiếp cận xác suất sử dụng những phân bố chính xác của dòng chảy và sóng làm đầu vào cho vấn đề vận chuyển trầm tích, nhng không xét đến sự liên tục trong đó chúng xuất hiện. Trong một vài loại ứng dụng, đặc biệt là vấn đề động lực hình thái, sự tuần tự (hoặc tính niên đại) có thể quan trọng. Trong cách tiếp cận này, dòng chảy (hoặc mực nớc) và sóng phải đợc nhập vào tại mỗi bớc thời gian thông qua sự mô phỏng dài hạn. Một ví dụ là tính toán bãi phẳng (xem mục 11.1), trong đó sự hình thành một đặc tính đờng bờ có thể ảnh hởng đến bức tranh truyền sóng sau đó. Vì những mô hình bãi phẳng tơng đối đơn giản, điều khả thi cho tính toán là chạy với một chuỗi sóng theo từng giờ của 30 năm liên tục. Những mô hình mặt cắt ven bờ cũng có thể chạy cho những chuỗi tơng đối dài. Southgate (1995b) lấy chuỗi bốn tháng số liệu sóng từng giờ, chia nó thành năm đoạn, và sắp xếp nó lại theo 120 chuỗi khả thi. Các chuỗi này đợc sử dụng làm đầu vào cho mô hình mặt cắt ven bờ COSMOS-2D với một bãi biển phẳng lúc ban đầu. 120 mặt cắt kết quả cuối cùng cho thấy những biến đổi lớn về hình dạng, mà không phụ thuộc nhiều vào đoạn cuối cùng của dữ liệu đa vào, thể hiện rằng tính tuần tự là quan trọng. Những mô hình số cho động lực hình thái bùn đặc biệt nhạy cảm với tính tuần tự, trong trờng hợp này là sự liên tục của thủy triều, do hiệu ứng lịch sử sản sinh bởi sự nén của đáy. Điều này làm cho trạng thái bùn khi thủy triều tăng từ triều yếu đến triều cờng khác với trạng thái bùn khi thủy triều giảm từ triều cờng đến triều yếu. Một khó khăn đối với cách tiếp cận tuần tự là sự liên tục của sóng làm đầu vào cho một chu kỳ nhiều năm trong tơng lai cha đợc biết trớc. Phải sử dụng một chuỗi đo đạc liên tiếp trớc đây, hoặc là tạo ra một chuỗi tổng hợp theo thời gian với 177 trờng sóng thống kê chính xác và chuỗi liên tiếp hợp lý của các sự kiện. Điều này dẫn đến kết quả hình thái cuối cùng. Nó có thể phân tích dới dạng những xu thế, những biến thiên và những cực trị. Một cách lý tởng, cần phải tiến hành một số lớn ( 30) các kết quả khác nhau, và những kết quả phải đợc phân tích bằng thống kê. Những kết quả phải thể hiện ở dạng các số hạng thống kê, hoặc các rủi ro. Quy trình nói trên làm nảy sinh các câu hỏi: làm sao để tạo ra những chuỗi đầu vào trong một trạng thái hiện thực về mặt vật lý; liệu những mô hình phát triển cho những ứng dụng tơng đối ngắn hạn có làm việc chính xác cho những thời hạn dài hay không và làm sao để phân tích và trình bày những kết quả. Thời lợng tính toán trên máy có thể cũng cản trở, đặc biệt đối với các nghiên cứu t vấn với ngân quỹ ngặt nghèo. Trong một vài trờng hợp yêu cầu về thời gian máy tính là hoàn toàn không thực tế: ví dụ, để chạy 30 lần cho những dự đoán 10 năm liên tục với việc sử dụng lới chia mịn cho khu vực ven bờ, một mô hình động lực hình thái (ở thời điểm này) sẽ mất khoảng 100 năm liên tục tính toán trên máy tính trạm có tốc độ cao! Những điều đó và những vấn đề liên quan hiện nay còn đang đợc nghiên cứu. Chúng đợc bàn luận sâu hơn trong cuốn sách hiện đại về động lực hình thái của de Vriend (đang chuẩn bị). . trên đáy biển sự phát triển động lực hình thái của bãi biển và những vùng xa bờ khi có hoặc không có công trình sự lu động trầm tích và đờng vận chuyển trong các vùng xa bờ sự xâm thực trầm. giờ, chia nó thành năm đoạn, và sắp xếp nó lại theo 120 chuỗi khả thi. Các chuỗi này đợc sử dụng làm đầu vào cho mô hình mặt cắt ven bờ COSMOS-2D với một bãi biển phẳng lúc ban đầu. 120 mặt cắt. pháp sử dụng hoặc sự không thích hợp của mô hình dự báo vận chuyển trầm tích. Nh vậy cách tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế chỉ sử dụng nếu không thể hoặc không thực tế khi sử dụng cách tiếp