HÌNH THÁI BỜ BIỂN - CHƯƠNG 5 ppsx

129 CHƯƠNG 5 DIỄN BIẾN BỜ BIỂN 5.1 HÌNH DẠNG MẶT CẮT NGANG BỜ BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG GIỚI THIỆU Nghiên cứu diễn biến bờ biển luôn xem xét tới động lực của sóng và dòng chảy trên bãi biển, sự tương tác của các yếu tố động lực này đối với sự vận chuyển bùn cát ở ven bờ và ảnh hưởng của chúng tới sự thay đổi hình dạng mặt cắt ngang bãi biển. Ứng với những điều kiện nhất định của sóng, mực nước và dòng chảy, sẽ tồn tại một hình dạng tương ứng của mặt cắt ngang bãi biển, mặt cắt này được gọi là "mặt cắt ngang ở trạng thái cân bằng". Trong nghiên cứu hình thái bờ biển, khái niệm mặt cắt ngang bãi biển "cân bằng" là một công cụ có giá trị, trong phân tích diễn biến bờ biển, vận chuyển bùn cát ngang bờ . Trong phòng thí nghiệm, khi chiều cao và chu kỳ sóng được khống chế thì hình dạng mặt cắt ngang của bãi biển có thể đạt tới trạng thái cân bằng "tĩnh", khi các điều kiện biên được duy trì; ngược lại, trong điều kiện tự nhiên, khi các điều kiện biên như sóng, mực nước, dòng chảy, liên tục thay đổi thì hình dạng mặt cắt ngang bãi biển cũng sẽ thay đổi một cách tương ứng, và rất ít khi đạt tới trạng thái cân bằng, hoặc nếu có thì trạng thái này cũng chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, cách tốt nhất để hiểu được quá trình diễn biến bờ biển và sự thành tạo mặt cắt ngang bãi biển cân bằng là xem xét các tác động của sóng, thủy triều và dòng chảy đối với mặt cắt ngang bãi biển. Các tác động này có liên hệ chặt chẽ với hiện tượng vận chuyển bùn cát theo phương ngang, vuông góc với đường bờ và "phản ứng" của bờ biển với các tác động trên.Có thể nói rằng, những hiểu biết đầy đủ về quá trình diễn biến bờ biển phụ thuộc rất nhiều vào các kết quả nghiên cứu quá trình vận chuyển bùn cát theo phương ngang, một trong những lĩnh vực còn nhiều mới mẻ trong nghiên cứu hình thái bờ biển và hết sức phức tạp, và nó còn phụ thuộc vào khả năng mô hình hóa, mô phỏng các hiện tượng diễn ra trên bãi biển sát với những gì diễn ra trong tự nhiên. Chương 5 sẽ giới thiệu một số khái niệm cơ bản về hình dạng mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng, xem xét mối liên hệ giữa mặt cắt ngang cân bằng với quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ, đánh giá ảnh hưởng của sự biến đổi mực nước trong thời đoạn ngắn (như hiện tượng nước dâng) và trong thời đoạn dài (hiện tượng dâng cao mực nước biển) đối với diễn biến bờ biển và hình dạng mặt cắt ngang bãi biển. Một số mô hình mô phỏng diễn biến bờ biển và các nghiên cứu thực nghiệm về vận chuyển bùn cát theo phương ngang cũng sẽ được xem xét nhằm làm sáng tỏ các quá trình vật lý có liên 130 quan trong sự phát triển của hình dạng bờ biển. Cũng cần lưu ý rằng, vì đây là một vấn đề phức tạp và trong khuôn khổ của môn học, các nghiên cứu diễn biến bờ biển chỉ được xem xét trong không gian hai chiều, với giả thiết mặt cắt ngang bãi biển có hình dạng đơn giản và vận chuyển bùn cát theo phương ngang là nguyên nhân chính gây ra diễn biến bờ biển. Như đã đề cập tới ở trên, hình dạng mặt cắt ngang bãi biển là một tham số quan trọng trong trong nghiên cứu diễn biến bờ biển vì nó có liên quan chặt chẽ tới hiện tượng sóng đổ và quá trình tiêu tán năng lượng sóng trong vùng sóng vỡ. Hình dạng mặt cắt ngang bãi biển vừa chịu ảnh hưởng của hiện tượng sóng đổ và tiêu tán năng lượng sóng làm thay đổi độ dốc, xắp xếp lại bùn cát thành những doi cát cồn ngầm trên bề mặt bãi biển. Nhưng nó cũng có tác động trở lại đối với sự tiêu tán năng lượng sóng và vị trí xuất hiện sóng đổ. Có thể minh họa sự tương tác trên qua phân tích dưới đây. Giả sử bãi biển chịu tác dụng của sóng có năng lượng sóng lớn (xuất hiện trong bão), gây phá hoại đường bờ. Lúc này bờ biển sẽ phản ứng lại bằng cách giảm độ dốc của mặt cắt ngang, làm dịch chuyển vùng sóng vỡ ra phía ngoài khơi, và qua đó phân phối lại năng lượng sóng bị tiêu tán trên một vùng rộng hơn, năng lượng sóng vì vậy sẽ bị tiêu tán nhiều hơn trước khi chúng tiến tới bờ. Tác động của sóng trong bão đã làm thay đổi hình dạng mặt cắt, hay nói cách khác, bãi biển đã tự điều chỉnh lại hình dạng của nó để cân bằng lại năng lượng sóng tác động tới bờ. Hiện tượng thay đổi độ dốc bãi biển dưới tác động của sóng hình thành trong bão vừa nêu ở trên cần phải được phân biệt rõ với hiện tượng xói lở bờ biển, vì hai hiện tượng này có bản chất hoàn toàn khác nhau. Hiện tượng xói lở bờ biển sẽ dẫn tới sự thiếu hụt các vật liệu bùn cát ở bãi trước trong thời đoạn dài, và gây nên hiện tượng suy thoái đường bờ biển. Còn hiện tượng thay đổi độ dốc bãi biển tương ứng với năng lượng sóng lại tạo thành vùng đệm ở phía trước bờ biển, nhằm bảo vệ các đường bờ trước tác dụng của sóng và do đó mà nó sẽ ngăn ngừa và giảm bớt tác dụng xói lở do sóng lớn gây ra. ĐẶC TRƯNG VÀ TƯƠNG QUAN HÌNH DẠNG BÃI BIỂN Hình (5-1) minh họa các thành phần thường có trên mặt cắt ngang bãi biển, nó bao gồm mặt dốc bãi biển, thềm bãi (có thể có hoặc không), và chân bãi. Trên thềm bãi có thể có một hoặc nhiều dải cát ngầm nằm xen kẽ với các cồn ngầm. Các cồn ngầm, dải cát ngầm này ít nhiều có liên quan tới dao động theo mùa của sóng và dòng chảy. Một số nơi, chúng xuất hiện và tồn tại gần như lâu dài. Trong chương này sẽ giới thiệu một số tham số có ảnh hưởng tới hình thái của mặt cắt ngang bãi biển, như đường kính trung bình của bùn cát trên bãi biển, độ dốc mặt bãi, phân tích tương quan giữa hình dạng bãi biển với các tham số trên. Mặc dù hình dạng mặt cắt ngang bãi biển có thể rất phức tạp khi có mặt các dải cát, cồn ngầm trên thềm bãi, nhưng nhìn chung, chúng đều có cùng một đặc điểm. Đó là dốc ở đoạn sát bờ, sau đó độ dốc giảm dần khi độ sâu nước tăng theo hướng từ trong bờ ra phía ngoài khơi. Đặc điểm hình dạng này chính là cơ sở cho việc xây dựng các biểu thức toán học mô tả hình dạng chung của mặt cắt ngang bãi biển. Các biểu thức toán học mô tả hình dạng mặt cắt ngang bãi biển này sau đó được dùng để phân tích sự thay đổi động năng sóng trong quá trình xuất hiện hiệu ứng nước nông, được sử dụng trong khảo sát sự hình thành dòng chảy ven bờ và vận chuyển bùn cát dọc và đặc biết là được dùng để mô hình hóa sự diễn biến hình thái bãi biển và sự biến đổi của đường bờ. Biểu thức toán học mô tả hình dạng bãi biển được sử dụng phổ biến nhất trong các nghiên cứu diễn biến bờ biển từ trước tới nay là biểu thức do Bruun và Dean xây d ựng (còn gọi là mặt cắt ngang dạng Bruun/Dean), có dạng như sau: 131 2 3 hAx= (5.1) trong đó h là độ sâu nước tại điểm cách bờ theo phương ngang một khoảng là x, và A là hệ số kinh nghiệm thứ nguyên của hình dạng mặt cắt (thứ nguyên = L 1/3 ). Hình 5-1 Ví dụ về các hình dạng mặt cắt ngang bãi biển tại nhiều vị trí bờ biển khác nhau và từ phòng thí nghiệm Có thể thấy tương quan giữa độ sâu (h) và khoảng cách (x) của mặt cắt ngang trong công thức (5-1) có dạng hàm mũ và khá phù hợp với hình dạng của mặt ngang bãi biển trong thực tế, có thể thấy điều này khi so sánh đường tương quan của Bruun với mặt cắt ngang thực đo ở hình (5-2). Hình 5-2 Ví dụ về hình dạng mặt cắt của Bruun và Dean x 2/3 trong công thức (5.1), so sánh với hình dạng mặt cắt ngang thực đo . Biểu thức ban đầu của Bruun chỉ giới hạn cho phần mặt cắt ngang từ vùng sóng vỡ ra phía biển. Dean đã phát triển ứng dụng cho toàn bộ mặt cắt ngang bãi biển và rút ra rằng, chỉ số mũ n=2/3 là khá phù hợp cho 504 mặt cắt ngang bãi biển dọc bờ biển tây nước Mỹ và bờ biển vùng vịnh do Hayden et al. (1975) đo đạc và chỉnh lý. Chỉ số mũ (n=2/3) trong công thức (5.1) khẳng định hình dạng phổ biến của mặt cắt ngang bãi biển có dạng hàm mũ và chiều lõm của đường tương quan có hướng đi vào phía trong bờ. Mặc dù n=2/3 là giá trị chỉ số mũ phù hợp nhất (qua phân tích và lựa chọn n bằng phương pháp sai số bình phương tối thiếu của hơn 500 mặt cắt ngang thực đo trong tự nhiên), nhưng cũng cần lưu ý rằng, hệ số mũ trong tương quan hàm mũ nêu trên có dải giá trị khá rộng, chúng dao động trong khoảng t ừ 0,2 đến 1,2. Một cơ sở khác được dùng để lựa chọn chỉ số mũ n =2/3 là sử dụng phân bố thống kê của Gauss. Các thống kê về tương quan giữa độ sâu (h) và khoảng cách (x) của các mặt cắt ngang đo đạc trong tự nhiên đều có xu thế nằm trong phân bố thống kê với khoảng lệch là 2/3. Giá trị này cũng tương ứng với sự tiêu tán đồng đều năng lượng sóng trên một đơn bị thể tích sóng khi chúng di chuyển qua mặt cắt ngang bãi biển. Trong nghiên cứu về hình dạng các mặt cắt ngang bãi biển trên các đảo ở vùng Caribbean, Boon và Green (1988) đã phát hiện ra một giá trị trung bình của chỉ số mũ xấp xỉ bằng ½ và đi đến kết luận rằng, giá trị này là kết quả của đặc tính phản xạ tự nhiên của các mặt ngang ở vùng này so với mức độ phản xạ sóng của các mặt cắt ngang có hình dạng cong lõm ở bờ biển miền Tây nước Mỹ nh ư trong phân tích của Dean (1977). Nghiên cứu của Boon và Green đã làm củng cố thêm các nhận định ban đầu của Dean cho rằng, khi độ cong lõm của mặt cắt ngang bãi biển biến đổi từ phản xạ - trung gian - tới tiêu tán năng lượng sóng, thì chỉ số mũ n trong biểu thức (5.1) sẽ phải thay đổi chứ không còn có giá trị bằng 2/3 nữa. 132 Hình 5-3 Sự phụ thuộc của hệ số tỷ lệ A trong công thức (5.1) của Bruun/Dean với đường kính trung bình hay tốc độ chìm đều của hạt bùn cát trên bãi biển Theo Moore(1982) và Dean (1987), hệ số kinh nghiệm A trong công thức (5.1) có tương quan với đường kính trung bình của hạt bùn cát trên bãi biển, và độ thô thủy lực- hay là tốc độ lắng chìm tương ứng của hạt bùn cát. Có thể thấy từ hình (5-3) rằng, khi giá trị của A là hàm số của đường kính hạt cát hay độ thô thủy lực của hạt cát. Kết quả của xu thế này phản ánh vai trò chi phối của A đối với độ dốc trung bình bãi biển và tương quan với đường kính hạt.Đồng thời như đã đề cập ở chương 3, chúng ta đã biết độ dốc của bãi biển có tương quan chặt chẽ với đường kính trung bình của hạt cát có trên mặt bãi. Độ dốc bãi biển cũng phụ thuộc vào trạng thái sóng, độ dốc sóng và chiều cao sóng (hay năng lượng sóng), điều này cũng có nghĩa là hệ số A cũng sẽ phụ thuộc vào những yếu tố trên. Pruszak (1993), trên cơ sở các số liệu đo đạc mặt cắt ngang bãi biển trong thời đoạn dài tại hai bờ biển có vị trí khác nhau, đã chứng minh rằng, hệ số A có sự biến thiên trong thời đoạn dài. Sử dụng chuỗi số liệu thực đo hình dạng mặt cắt ngang bãi biển trong 27 năm tại một vị trí trên bờ biển Baltic, Pruszak đã phát hiện thấy rằng, A biến đổi trong phạm vi từ 0.05 to 0.10 (m 1/3 ) trong một chu kỳ đều đặn có độ dài khoảng từ 25-30 năm. Tại vị trí thứ hai trên biển Đen, các hình dạng mặt cắt trung bình tháng được thu thập từ năm 1972 đến 1978, các số liệu đo đạc đã cho thấy giá trị của A biên thiên theo một một chu kỳ hàng năm một cách rõ rệt do có sự biến đổi của các trạng thái sóng theo mùa, đồng thời các số liệu này cũng đã bộc lộ một xu thế dài hạn trong đó giá trị trung bình của A tăng từ 0.15 đến 0.25 (m 1/3 ) trong thời đoạn 6 năm. Sự biến đổi của A một lần nữa cho thấy rằng giá trị này phụ thuộc vào trạng thái sóng cũng như vào đường kính của hạt bùn cát hay độ thô thủy lực của bùn cát và các thông số này có thể có xu thế biến đổi trong thời đoạn dài do sự biến đổi hình thái bãi biển. 133 Hình 5-4 Mặt cắt ngang hỗn hợp của Inman. Trong đó hình dạng mặt cắt ngang của Bruun/Dean (h= Ax n ) được bố trí sao cho trùng khớp với từng đoạn bãi biển trên toàn bộ mặt cắt ngang, đồng thời mô tả được sự có mặt của các dải cát và cồn ngầm ở thềm bãi. Biểu thức quan hệ hình dạng mặt cắt ngang bãi biển của Bruun/Dean là công cụ đơn giản nhưng lại rất có giá trị khi mô tả tương quan giữa độ sâu (h) với thay đổi độ dốc đáy theo khoảng cách ra ngoài khơi. Tuy vậy, nó lại không thể dùng để giải thích được sự có mặt của các dải cát hay cồn ngầm xuất hiện ở thềm bãi. Để khắc phục hạn chế này, Inman, Elwany, và Jenkins (1993) đã xây dựng một dạng mặt cắt ngang hỗn hợp, như minh họa trong hình (5-4), trong đó hình dạng mặt cắt ngang của Bruun/Dean (h = Ax m ) được lấy trùng khớp với từng đoạn bãi biển trên toàn bộ mặt cắt ngang. Trong mặt cắt ngang của Inman, chỉ số mũ m được dùng để điều chỉnh sự phù hợp giữa mặt cắt lý thuyết với mặt cắt thực tế. Inman và các cộng sự đã xác định được rằng với m=0,4 thì cả hai đoạn bờ biển trên mặt cắt ngang khảo sát phù hợp với mặt cắt đo đạc nhất. Đồng thời Inman cũng dịch chuyển điểm gốc của đường tương quan hình dạng mặt cắt ngang ở sát bờ, được biểu thị bằng dấu “+” trong hình (5-4), lên vị trí phía trên cao trình bãi, để tránh cho độ dốc tại đoạn này không có giá trị vô cùng lớn. Đoạn bờ biển ở gần bờ được gọi là đoạn "thềm của cồn ngầm”, còn đoạn bờ biển ở phía ngoài khơi được gọi là đoạn "bãi biển nâng”. Việc phân chia mặt cắt ngang của Inman được thực hiện trên cơ sở là trong tự nhiên, quá trình diễn biến bờ biển ở hai phần bờ biển này là khác nhau. Cụ thể là hiệu ứng nước nông xảy ra ở đoạn "bãi biển nâng" và còn hiện tượng sóng đổ và vỗ bờ lại chủ yếu diễn ra ở đoạn "thềm của cồn ngầm" ở gần bờ. Việc sử dụng hình dạng mặt cắt ngang phức hợp gồm nhiều đoạn bờ biển thành phần như đề xuất của Inman phần nào đã giải thích được sự xuất hiện và tồn tại của dải cát hay cồn ngầm ở vùng thềm bãi, và đặc biệt là sự có mặt của cồn ngầm ở rìa ngoài của thềm bãi trong vùng sóng vỗ. Tuy nhiên cách tiếp cận theo phương pháp đường cong thích hợp cho từng đoạn bờ biển vẫn không thể giải thích được sự có mặt của các rãnh sâu dọc bờ. 134 Một hạn chế khác trong tương quan hình dạng mặt cắt ngang của Bruun/Dean là độ dốc bãi biển ở điểm sát bờ sẽ có giá trị S = +∞. Nếu lấy đạo hàm tương quan ở biểu thức (5.1) theo khoảng cách (x), ta sẽ được độ dốc bãi biển S có dạng như sau: 135 1 3 2 3 dh A S dx (5.2) x == Từ công thức (5.2) có thể thấy rằng độ dốc S = +∞ khi x=0 tại điểm ở trên bờ. Điều này cũng đúng cho tất cả các mô hình hình dạng đường bờ có sử dụng công thức (5.1) với điều kiện là hệ số mũ trong biểu thức trên là nhỏ hơn 1 (điều này đồng nghĩa với bờ biển có đỉnh cong hướng về phía bờ). Như vậy, có thể thấy rằng mô hình hình dạng mặt cắt ngang đơn giản của Bruun/Dean rất phù hợp với mặt cắt ngang ở vùng nước sâu, như Bruun (1954) đã tính toán, càng vào gần bờ, khi xuất hiện các dải cát và cồn ngầm thì mức độ phù hợp của hình dạng mặt cắt ngang sẽ giảm dần và nó hoàn toàn không phù hợp đối với đoạn mặt cắt ngang ở sát b ờ. TƯƠNG QUAN GIỮA ĐỘ DỐC BÃI BIỂN VỚI ĐƯỜNG KÍNH HẠT CÁT Độ dốc bề mặt bãi biển bị khống chế bởi sự tính không đối xứng giữa của cường độ của sóng vỗ vào bờ với sóng rút từ trong bờ ra ngoài khơi và từ đó dẫn tới sự không cân xứng của lượng vận chuyển bùn cát theo phương ngang. Do nước biển một phần bị thấm vào bên trong bãi cát và do tác dụng của lực kéo do ma sát tại vùng sóng vỗ bờ mà các sóng rút thường có khuynh hướng nhỏ hơn so với sóng vỗ vào bờ. Sự không đối xứng này làm dịch chuyển bùn cát theo phương ngang cho đến khi một độ dốc cân bằng mới được hình thành, lúc này trọng lực làm nước rút ra biển mạnh hơn và làm gia tăng sự vận chuyển bùn cát ra vùng ngoài khơi. Khi lượng bùn cát vận chuyển ra ngoài khơi cân bằng với lượng bùn cát vận chuyển vào trong bờ, thì độ dốc trên bề mặt bãi có giá trị không đổi và đây là trạng thái "cân bằng động lực" của bãi biển theo phương ngang. Độ dốc của bề mặt bãi biển ở trạng thái cân bằng động lực phụ thuộc một phần vào lượng nước biển bị thất thoát do hiện tượng thấm vào bên trong bãi biển. Hiện tượng thấm chủ yếu bị khống chế bởi kích thước của hạt bùn cát trên bãi biển - nước sẽ thấm với tốc độ nhanh hơn rất nhiều trên bờ biển có cấu tạo là bùn cát thô so với bờ biển có cấu tạo là bùn cát mịn. Kết quả là ở bãi biển có cấu tạo bùn cát thô, dòng rút sẽ yếu hơn và do đó mà độ dốc mặt bãi sẽ lớn hơn nhiều so với bãi biển có cấu tạo là bùn cát mịn. Một loạt các nghiên cứu ngoài thực địa đã chứng tỏ về mặt định lượng rằng, bãi biển có cấu tạo từ các hạt thô sẽ có độ dốc mặt bãi lớn hơn (Bascom, 1951; Wiegel, 1964; McLean và Kirk, 1969; Dubois,1972), và điều này cũng đã được thấy rõ tại các bể sóng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm (Bagnold, 1940; Rector, 1954; Van Hijum, 1974). Hình (5-5) mô tả quan hệ giữa độ dốc với kích thước hạt tại một “điểm tham chiếu”, phần của bề mặt bãi biển chịu tác dụng của sóng tại vị trí triều trung bình. Việc sử dụng Hình 5-5 Biểu diễn độ dốc mặt bãi biển là hàm của kích thước hạt bình quân của bùn cát trên bãi biển. Nó cũng chỉ ra sự khác biệt về độ dốc giữa bờ biển ở phía Tây và bờ biển ở phía đông nước Mỹ , điều này phản ánh mức độ quan trọng nói chung của năng lượng sóng, một yếu tố chi phối độ dốc bãi biển Tốc độ thấm trên mặt bãi cũng chịu ảnh hưởng của mức độ tuyển chọn vật liệu bùn cát trên mặt bãi cũng như kích thước hạt trung bình. Sự tuyển chọn vật liệu do đó cũng sẽ có ảnh hưởng nhất định tới độ dốc bãi. Điều này đã được chứng minh qua các nghiên cứu của Krumbein and Graybill (1965). Các nghiên cứu của hai ông đã phát hiện ra rằng bãi biển có thành phần là các hạt cát thô có mức độ đồng đều và tuyển chọn cao thì độ dốc bãi biển sẽ lớn hơn so với các bãi biển có thành phần là các hạt cát thô nhưng không đồng đều. Tầm quan trọng của mức độ tuyển chọn sau đó đã được McLean and Kirk (1969) khảo sát thêm trên các bãi biển có cấu tạo là hỗn hợp cát cuội sỏi tại New Zealand. Đường quan hệ do hai ông xây dựng đã được so sánh với đường cong của Shepard (1963) ở hình (5-6). Do mức độ tuyển chọn đồng đều của hạt bùn cát rất kém, nên bờ biển New Zealand có độ dốc nhỏ hơn so với bờ biển được đo đạc bởi Shepard, ngay cả khi chúng có cùng kích thước hạt trung bình. Cũng cần lưu ý rằng, đường quan hệ của McLean và Kirk có dạng gợn sóng. Đó là do nguồn gốc tự nhiên của bùn cát trên 136 bờ biển New Zealand, nguồn gốc bùn cát trong tự nhiên cấu tạo nên bãi biển bao gồm các hạt cuội có kích thước từ 4-16mm hay cát có đường kính trung bình khoảng 0.5 mm hoặc là hỗn hợp của hai vật liệu này. Ở dạng thứ nhất, khi bãi biển có cấu tạo chỉ là cuội sỏi hay chỉ là cát riêng lẻ, thì mức độ đồng đều của vật liệu trên mặt bãi sẽ tốt hơn và dẫn tới bờ biển sẽ dốc hơn, nhưng ở dạng thứ 2, khi các vật liệu lẫn lộn với nhau, thì sự đồng đều và mức độ tuyển chọn vật liệu sẽ kém đi, tốc độ thấm và cả độ dốc bãi biển cũng sẽ giảm theo tương ứng. Vì vậy, đường cong của McLean và Kirk ở hình 5-6 sẽ có hướng đi lên ( tương ứng với độ dốc lớn hơn) đối với dạng bãi biển thứ 1 có cấu tạo là cát có đường kính 0.5 mm và cấu tạo là cuội sỏi đơn lẻ, nhưng lại có hướng đi xuống (độ dốc giảm) đối với dạng bờ biển thứ 2 đối các hạt có kích thước trung gian Hình 5-6 Độ dốc mặt bãi biến thiên theo kích thước hạt theo Shepard (1963) và McLean &Kirk (1969). Đường gợn sóng tự nhiên trên đường cong McLean & Kirk đã chứng tỏ mức độ quan trọng của bùn cát được tuyển chọn trên bãi biển. TƯƠNG QUAN GIỮA ĐỘ DỐC BÃI BIỂN VỚI NĂNG LƯỢNG SÓNG Một số nghiên cứu đã xây dựng tương quan kinh nghiệm giữa độ dốc bãi biển với độ dốc sóng, điều này cũng có nghĩa là xác định sự phụ thuộc của độ dốc bãi biển đối với chu kỳ sóng cũng như chiều cao sóng hay năng lượng sóng. Trong các nghiên cứu thực nghiệm trên một máng sóng có bùn cát với đường kính hạt bằng 0.22 mm, Rector (1954) đã phát hiện ra rằng, độ dốc của bãi trên (foreshore), phần bên trên mực nước biển trung bình, phụ thuộc vào độ dốc sóng ở vùng nước sâu theo quan hệ sau 137 0.30 0 0 0 0.30 H S L − ⎛⎞ = ⎜⎟ ⎝⎠ (5.3) Điều này chỉ ra rằng, độ dốc sóng càng lớn thì độ dốc bãi biển càng nhỏ. Sự biến đổi này phản ánh sự biến thiên hình dạng bãi biển theo mùa, giữa điều kiện thời tiết bình thường và khi xảy ra bão (với độ dốc sóng thay đổi rất nhiều so với điều kiện bình thường). Sự phụ thuộc của độ dốc bãi biển vào độ dốc sóng có liên quan tới sự phân tán 138 tăng dần của chuỗi điểm khi độ dốc bãi biển giảm dần ở hình (5-5). Điều này được chứng minh bằng cặp điểm đo đạc tại Fort Ord và Landing Barge. Dải độ dốc tại hai vị trí này phản ánh sự biến thiên của độ dốc sóng giữa các tháng mùa hè khi sóng lặng với các tháng mùa đông khi có sóng bão, trong đó bãi biển có độ dốc nhỏ hơn tương ứng với các tháng mùa đông, khi độ dốc sóng lớn hơn. Mặc dù, tương quan giữa độ dốc bãi biển với độ dốc sóng phần nào đã giải thích được sự biến thiên của độ dốc bãi biển đã được quan trắc, nhưng đây chưa phải là lời giải hoàn chỉnh. Độ dốc sóng có thể là như nhau đối với các sóng tự nhiên ngoài đại dương hay các sóng nhân tạo được tạo ra trong phòng thí nghiệm hay sóng tại các hồ, đầm có kích thước nhỏ, tuy nhiên độ dốc bãi biển nhân tạo trong phòng thí nghiệm có giá trị lớn hơn so với độ dốc của bãi biển ngoài tự nhiên, mặc dù chắn chắn rằng năng lượng sóng tạo ra trong phòng thí nghiệm nhỏ hơn nhiều với năng lượng sóng ngoài tự nhiên. Như vậy có thể kết luận rằng bên cạnh ảnh hưởng của độ dốc sóng, thì độ dốc bãi biển cũng còn phụ thuộc vào chiều cao sóng thực tế hay chính là năng lượng sóng. Đã có rất nhiều nghiên cứu có liên quan tới vấn đề này, chứng minh độ dốc bãi biển có tương quan tới hệ số không thứ nguyên phụ thuộc chặt chẽ vào chiều cao và chu kỳ sóng cũng như kích thước hạt cát trên bãi biển. Ví dụ như Dalrymple and Thompson (1976) đã sử dụng hệ số không thứ nguyên có liên quan tới độ thô thủy lực (hay còn gọi là số Dean), H 0 / ω s T, trong đó ω s là độ thô thủy lực của hạt cát trung bình trên bãi biển. Từ các vấn đề do Dean đặt ra, tỷ số này được dùng là cơ sở để đánh giá xem hạt bùn cát được nâng lên và nổi lơ lửng do tác dụng của sóng có thể chìm xuống đáy trong thời gian, khi bản thân nó bị dịch chuyển theo hướng ra ngoài khơi, dưới tác dụng của dòng chảy theo phương ngang của quỹ đạo của chất điểm nước. Trong hình (5-7), Dalrymple và Thompson đã tập hợp số liệu từ một số nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, và chỉ ra sự suy giảm chung của độ dốc bãi khi độ thô thủy lực không thức nguyên (H 0 /ω s T) tăng. Thành phần (H 0 /T) trong số Dean gần như tương đương với "độ dốc sóng" ở vùng nước sâu, do vậy mà xu thế phát hiện thấy trên hình (5-6) là phù hợp với công thức (5.3). Sự phụ thuộc vào số Dean tạo ra sự tương quan nghịch với ω s ; khi kích thước hạt bùn cát tăng, độ thô thủy lực ω s tăng thì giá trị của số Dean giảm và dẫn tới độ dốc bãi tăng (hình 5-6). Điều này tất nhiên phụ thuộc vào các quan trắc trên một loạt các khảo sát ngoài thực địa và trong phòng thí nghiệm, nhưng nó vẫn còn được thiết lập hoặc thông qua độ thô thủy lực của hạt cát (tốc độ chìm của hạt cát trong 1 đơn vị thời gian là 1 giây), là yếu tố quan trọng chi phối độ dốc bãi, hoặc nó đóng vai trò như một đại lượng đại diện cho độ thấm nước và mức độ ghồ ghề của hạt cát trên bề mặt bãi biển. [...]... kinh nghiệm không thứ nguyên 5. 2 MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂN Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG GIỚI THIỆU CHUNG Như đã đề cập ở đầu chương 5 về đặc điểm chung của hình dạng mặt cắt ngang bãi biển, chúng ta đều biết tồn tại tương quan giữa độ sâu (h) và khoảng cách (x) tới bờ biển như trong công thức (5. 1) Trong nội dung này, sẽ giới thiệu khái niệm hình dạng mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái "cân bằng" Khái niệm này... được ⎛ 8τ b C ⎞ h=⎜ ⎜ ρ gκ 2 g sin θ ⎟ ⎟ ⎝ ⎠ 2 5 2 y 5 = A3 y 2 5 (5. 13) trong đó hệ số tỷ lệ A3 là hằng số có thứ nguyên Tuy nhiên mô hình này chỉ có thể áp dụng được khi bờ biển chịu tác dụng sóng theo hướng xiên góc so với đường bờ tạo 151 thành dòng chảy theo hướng dọc bờ Một lần nữa, chúng ta thu được hàm mũ bậc 2 /5 cho hình dạng mặt cắt cân bằng MÔ HÌNH MẶT CẮT CÂN BẰNG XÂY DỰNG TRÊN QUAN ĐIỂM... ⎢1 − ⎜1 + ⎟ W* B 5B ⎢ ⎝ W* ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ (5. 25) trong đó h* = AW*2/3 Rút gọn cả hai vế của công thức (5. 25) bằng cách đặt các hệ số không thứ nguyên như sau : Δy ' = Δy / W* S ' =S / B B ' = B / h* Công thức (5. 25) do đó được rút gọn dưới dạng không thứ nguyên như sau: Δy ' = − S ' + 5 3 ⎡ 1 − 1 + Δy ') 3 ⎤ ⎢ ( ⎥ ⎣ ⎦ 5B ' (5. 26) Công thức trên được biểu diễn dưới dạng biểu đồ trên hình ( 5- 1 4), trục hoành... biến đổi trạng thái sóng theo mùa, có thể bắt gặp ở rất nhiều bờ biển trên thế giới Mô hình mặt cắt ngang bãi biển bị biến đổi dưới tác dụng của cường độ sóng được minh họa dưới dạng biểu đồ trong hình ( 5- 1 2) Shepard (1 950 b) là người đầu tiên đưa ra các tài liệu trích dẫn về sự dịch chuyển hình dạng mặt cắt và sau đó là Bascom (1 953 ) trên bờ biển tây của nước Mỹ, nơi mà các sóng do bão chiếm ưu thế trong... nhiêu và đường bờ sẽ biến đối thế nào khi mực nước biển dâng lên một khoảng là S ? Nếu hình dạng mặt cắt ngang cân bằng được giả thiết có dạng h = Ay2/3 , thì chiều rộng của hình dạng mặt cắt có thể được xác định, với A đã biết ( theo bảng 5. 1) bằng 0.1m1/3 và W* = (h* /A)3/2 = 4 65 m Bởi vậy mà tan θ = 0.0172 Từ công thức (5. 17) → Δy = -5 8.1×S Như vậy khi mực nước biển dâng lên 1 m thì đường bờ bị thoái... Udt (5. 20) t0 và V= dS dS V= ; dt dt h* + B = h* + B0 − S (5. 21) đối với chiều cao đụn cát giảm dần với sự khi mực nước biển tăng Thế công thức (5. 18), (5. 19), và (5. 21) vào công thức (5. 20); chúng ta thu được t W* dS dt h* + B0 − S ) dt t0 ( R=∫ sau đó đạo hàm công thức trên, ta có 156 ⎛ h* + B0 ⎞ R = − Δy = W* ln ⎜ ⎜ (h + B − S ) ⎟ ⎟ ⎝ * 0 ⎠ (5. 22) Sự suy thoái đường bờ tính toán theo công thức (5. 22)... sẽ được sử dụng thống nhất với trục x có hướng dọc theo bờ biển với chiều dương ở phía bên tay phải của một người quay mặt ra phía biển và trục y có phương vuông góc với bờ theo chiều hướng ra biển Hệ tọa độ thống nhất này được coi là quy ước chung khi phân tích các diễn biển bờ biển LỰC DO TIÊU TÁN NĂNG LƯỢNG SÓNG TRONG 1 ĐƠN VỊ THỂ TÍCH Mô hình hình dạng mặt cắt ngang cân bằng được xây dựng trên cơ... trong bờ ra ngoài khơi với gốc của trục tọa độ đặt tại bờ biển ở vị trí mực nước trung bình Đây là biểu thức mô tả hình dạng mặt cắt ngang ở trạng thái cân bằng rất hữu ích, nó sẽ được sử dụng trong các nội dung kế tiếp để mô tả hình dạng mặt cắt ngang bờ biển Tham số A(d) là hệ số tỷ lệ của hình dạng mặt cắt và là hàm của năng lượng sóng tiêu tán, phụ thuộc gián tiếp vào kích thước hạt cát trên bãi biển. .. của tham số sóng vùng nước sâu [Hb =0.39g1 /5( TH02)2 /5] , công thức (5. 5) có thể được biến đổi dưới dạng tích của tỷ số (D/H0) và (H0/L0) như sau ⎛ D ⎞ S0 = 0. 25 ⎜ ⎟ ⎝ H0 ⎠ 0. 25 ⎛ H0 ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ L0 ⎠ −0. 15 (5. 6) Như vậy, độ dốc So sẽ tỷ lệ nghịch với độ dốc sóng ở vùng nước sâu(H0/L0), điều này giống với kết quả mà Rector (1 954 ) đã phát hiện thấy trong công thức (5. 3) Độ dốc S0 cũng còn phụ thuộc vào vào... ngang bãi biển này xuất hiện lặp đi lặp lại vẫn tồn tại ở một số điểm cố định trên bờ biển và một điểm tham chiếu trên bờ biển sẽ được dùng để xác định sự thay đổi một cách có hệ thống trong thời đoạn dài cũng như các dao động trong thời đoạn ngắn của hình dạng mặt cắt MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC GIỮA BÃI BIỂN VỚI BIẾN ĐỔI MỰC NƯỚC Khi mực nước hay điều kiện sóng thay đổi, hình dạng của mặt cắt ngang bãi biển sẽ . 129 CHƯƠNG 5 DIỄN BIẾN BỜ BIỂN 5. 1 HÌNH DẠNG MẶT CẮT NGANG BỜ BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG GIỚI THIỆU Nghiên cứu diễn biến bờ biển luôn xem xét tới động. dụng Hình 5- 5 Biểu diễn độ dốc mặt bãi biển là hàm của kích thước hạt bình quân của bùn cát trên bãi biển. Nó cũng chỉ ra sự khác biệt về độ dốc giữa bờ biển ở phía Tây và bờ biển ở phía. phù hợp với hình dạng của mặt ngang bãi biển trong thực tế, có thể thấy điều này khi so sánh đường tương quan của Bruun với mặt cắt ngang thực đo ở hình ( 5- 2 ). Hình 5- 2 Ví dụ về hình dạng