Nghiên cứu động lực học của sóng sau đới sóng đổ tại bãi biển nha trang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trần Văn Mỹ NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trần Văn Mỹ NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG Chuyên ngành: Hải dƣơng học Mã số: 60440228 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Kim Cƣơng Hà Nội - 2015 TS Jean-Pierre Lefebvre LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Kim Cƣơng TS Jean-Pierre Lefebvre tận tình hƣớng dẫn em suốt thời gian em thực luận văn Các thầy dạy cho em kiến thức quý báu giúp đỡ em số liệu công cụ tính toán Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS TS Đinh Văn Ƣu PGS TS Nguyễn Trung Việt chủ nhiệm đề tài: ―Nghiên cứu chế độ thủy động lực học vận chuyển bùn cát vùng cửa sông bờ biển Vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa‖ – Chƣơng trình KH&CN nghị định thƣ cấp Nhà nƣớc cung cấp cho em số liệu kiến thức bổ ích Em xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo môn Khoa học công nghệ biển nói riêng khoa Khí tƣợng Thủy văn Hải dƣơng học nói chung, ban giám đốc cán Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trƣờng tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn Trong trình thực luận văn, không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp thầy cô để em bổ sung hoàn thiện cho nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn! i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined Chƣơng - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN Error! Bookmark not defined 1.1 Giới thiệu vùng sóng tràn (swash zone)Error! Bookmark not defined 1.1.1 Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined 1.1.2 Các khu vực gần bờ Error! Bookmark not defined 1.1.3 Sóng sóng gây sóng tràn Error! Bookmark not defined 1.1.4 Chu kỳ sóng tràn Error! Bookmark not defined 1.1.5 Hình thái bãi biển chuyển động sóng trànError! Bookmark not defined 1.2 Tình hình nghiên cứu Error! Bookmark not defined 1.3 Mục tiêu luận văn Error! Bookmark not defined Chƣơng – PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN Error! Bookmark not defined 2.1 Phƣơng pháp xử lý phân tích số liệu khảo sátError! Bookmark not defined 2.1.1 Khảo sát thực địa Error! Bookmark not defined 2.1.2 Phương pháp xử lý số liệu Vectrino Error! Bookmark not defined 2.1.3 Phương pháp đồng số liệu Vectrino số liệu Video Error! Bookmark not defined 2.2 Mô hình Dam-Break Error! Bookmark not defined ii 2.2.1 Lý chọn mô hình Dam-break Error! Bookmark not defined 2.2.2 Giới thiệu mô hình Dam-break Error! Bookmark not defined 2.2.3 Mô hình dòng chảy nước nông Error! Bookmark not defined 2.3 Tổng quan khu vực vịnh Nha Trang Error! Bookmark not defined 2.3.1 Vị trí địa lí Error! Bookmark not defined 2.3.2 Đặc điểm gió Error! Bookmark not defined 2.3.3 Đặc điểm dòng chảy Error! Bookmark not defined 2.3.4 Đặc điểm thủy triều dao động mực nướcError! Bookmark not defined 2.3.5 Đặc điểm chế độ sóng Error! Bookmark not defined Chƣơng – KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG Error! Bookmark not defined 3.1 Kết phân tích trƣờng dòng chảy vùng sóng vỡ sóng tràn Error! Bookmark not defined 3.2 Phân bố lƣợng rối vùng sóng vỡ sóng tràn Error! Bookmark not defined 3.3 Mối quan hệ độ cao sóng khơi chiều cao bore sóng tràn Error! Bookmark not defined 3.4 Mô vận tốc bore nƣớc mô hình số Dam-break Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1 Khoảng tần số vùng sóng tràn [Short, 1999] Error! Bookmark not defined Bảng Bảng tần suất hƣớng sóng khu vực nghiên cứu Error! Bookmark not defined Bảng 2 Bảng tần suất độ cao sóng khu vực nghiên cứuError! Bookmark not defined Bảng Các trƣờng hợp mô bore nƣớc mô hình Dambreak………Error! Bookmark not defined iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Quá trình lan truyền sóng từ khơi vào bờ.Error! Bookmark not defined Hình Đặc điểm bãi biển (bên trái) phần đất bồi biển (bên phải) (Masselink & Hughes 2003) Error! Bookmark not defined Hình Phân loại khu vực sóng gần bờ.Error! Bookmark not defined Hình Đại diện dao động sóng tần số cao.Error! Bookmark not defined Hình Đại diện sóng dài cƣỡng hai thành phần sóng nhóm sóng ngắn Error! Bookmark not defined Hình Sơ đồ mô chu kỳ sóng tràn bãi biển mô hình Xbeach Error! Bookmark not defined Hình Đo đạc thực địa vận tốc dòng chảy ngang bờ (đƣờng nét liền) độ sâu nƣớc (đƣờng nét đứt) cho chu kỳ sóng tràn, đo vị trí nửa giới hạn lên xuống nƣớc [Hughes cộng sự, 1997] Error! Bookmark not defined Hình Hình thái bãi biển Error! Bookmark not defined Hình Triển khai đo Vectrino II (Nortek) vùng sóng vỡ sóng tràn sơ đồ nguyên tắc đo…………………………………………………………… Error! Bookmark not defined Hình 2 Biểu đồ tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam cao thấp trình đo Error! Bookmark not defined Hình Lựa chọn đoạn liệu (đoạn màu đỏ) chuỗi liệu Error! Bookmark not defined Hình Độ lớn vận tốc (màu xanh dƣơng) hƣớng (màu xanh cây) trung bình micro-profile (đồ thị cùng), biểu diễn dao động vận tốc (đồ thị giữa), khoảng cách sensor – đáy (đồ thị phía dƣới) Error! Bookmark not defined v Hình Năng lƣợng rối TKE ƣớc tính micro-profile.Error! Bookmark not defined Hình Đo đồng máy Vectrino máy quay Video.Error! Bookmark not defined Hình SNR (màu đen), liệu đƣợc lựa chọn trƣớc (màu xanh) cực tiểu SNR (màu đỏ) Error! Bookmark not defined Hình Lựa chọn đoạn liệu tốt (màu đỏ) chuỗi liệu Error! Bookmark not defined Hình Đồ thị 1: Vận tốc (màu xanh dƣơng) hƣớng (màu xanh cây) dòng chảy; đồ thị 2: Thành phần ngang dòng chảy (hƣớng lên bờ); đồ thị 3: độ sâu đo đƣợc từ cảm biến (đƣờng màu đỏ tƣơng ứng với vị trí cell đo đƣợc); đồ thị 4: Năng lƣợng rối trung bình cell đo đƣợc.Error! Bookmark not defined Hình 10 Năng lƣợng rối (TKE) 3,5cm micro-profile.Error! Bookmark not defined Hình 11 Sơ đồ vecto thông lƣợng qua bề mặt.Error! Bookmark not Bookmark not defined Hình 12 Ngoại suy tuyến tính bên trái bên phải.Error! defined Hình 13 Lƣới Cartesian Error! Bookmark not defined Hình 14 Lƣới Non-Cartesian Error! Bookmark not defined Hình 15 Hoa gió trạm quan trắc khí tƣợng Nha Trang.Error! Bookmark not defined Hình 16 Hoa sóng khu vực khơi vùng biển Khánh Hòa.Error! Bookmark not defined Hình Hình ảnh trƣờng dòng chảy vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày 29/5/2013………………………………………………………………………… Er ror! Bookmark not defined vi Hình Biến thiên dòng chảy vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 3 Biến thiên dòng chảy vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình Biến thiên dòng chảy vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình Biến thiên dòng chảy vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày 30/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình Biến thiên dòng chảy vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày 30/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình Biến thiên dòng chảy vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày 30/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình Hai dòng chảy với vận tốc trung bình theo thời gian khác ( u i ) nhƣng có thành phần rối tƣơng đƣơng (ui') Error! Bookmark not defined Hình Phổ lƣợng rối Kolmogorov-ObukhovError! Bookmark not defined Hình 10 Biến thiên dòng chảy lƣợng rối trung bình vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 11 Cấu trúc phân tầng lƣợng rối vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 12 Biến thiên dòng chảy lƣợng rối trung bình vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 13 Cấu trúc phân tầng lƣợng rối vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 14 Biến thiên dòng chảy lƣợng rối trung bình vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 15 Cấu trúc phân tầng lƣợng rối vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined vii Hình 16 Biến thiên dòng chảy lƣợng rối trung bình vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 17 Cấu trúc phân tầng lƣợng rối vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày 29/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 18 Biến thiên dòng chảy lƣợng rối trung bình vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày 30/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 19 Cấu trúc phân tầng lƣợng rối vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày 30/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 20 Biến thiên dòng chảy lƣợng rối trung bình vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày 30/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 21 Cấu trúc phân tầng lƣợng rối vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày 30/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 22 Biến thiên dòng chảy lƣợng rối trung bình vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày 30/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 23 Cấu trúc phân tầng lƣợng rối vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày 30/5/2013 Error! Bookmark not defined Hình 24 Đƣờng quan hệ độ cao sóng khơi với chiều cao bore sóng tràn Error! Bookmark not defined Hình 25 So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy xuất từ mô hình (đƣờng nét liền) vùng sóng vỡ sóng tràn trƣờng hợp Error! Bookmark not defined Hình 26 So sánh lƣợng rối trung bình tke đo đạc (đƣờng nét đứt) với vận tốc dòng chảy từ mô hình (đƣờng nét liền) vùng sóng vỡ sóng tràn trƣờng hợp Error! Bookmark not defined Hình 27 So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy mô hình xuất (đƣờng nét liền) vùng sóng vỡ sóng tràn trƣờng hợp Error! Bookmark not defined viii Hình 28 So sánh lƣợng rối trung bình tke đo đạc (đƣờng nét đứt) với vận tốc dòng chảy từ mô hình (đƣờng nét liền) vùng sóng vỡ sóng tràn trƣờng hợp Error! Bookmark not defined Hình 29 So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy mô hình xuất (đƣờng nét liền) vùng sóng vỡ sóng tràn trƣờng hợp Error! Bookmark not defined Hình 30 So sánh lƣợng rối trung bình tke đo đạc (đƣờng nét đứt) với vận tốc dòng chảy từ mô hình (đƣờng nét liền) vùng sóng vỡ sóng tràn trƣờng hợp Error! Bookmark not defined ix TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Thế Duy (2002), ―Một mô hình số cho vùng sóng vỡ gió bao gồm lớp biên đáy vùng sóng tràn‖ http://khanhhoa.gov.vn Tiếng Anh Bakhtyar, R., Barry, D A., Li, L., Jeng, D S., & Yeganeh-Bakhtiary, A (2009) ―Modeling sedimenttransport in the swash zone: A review‖ Ocean Engineering, 36(9-10), 767-783 Baldock, T E (2004) Dynamics of a transient wave group breaking on a beach Proc 15th Aust Fluid Mech Conf., University of Sydney, CD-ROM Barnes, M P., T O’Donaghue, J M Alsina and T E Baldock, (2009) Direct bed shear stress measurements in bore-driven swash Coastal Engineering 56(8): 853-867 Battjes, J A (1974) ―Computation of set-up, longshore currents, run-up and overtopping due towind-generated waves‖, Phd thesis, TU Delft, Delft University of Technology, Delft Brocchini, M and Baldock, T E (2008) Recent advances in modeling swash zone dynamics: Influence of surf-swash interaction on nearshore hydrodynamics and morphodynamics Reviews of Geophysics, 46 3: 1-21 doi:10.1029/2006RG000215 Butt, T., & Russell, P (1999) ―Suspended sediment transport mechanisms in high-energy swash‖.Marine Geology, 161(2-4), 361-375 Dean, R G (1973) ―Heuristic model of sand transport in the surf zone‖ Paper presented at theConference on Engineering Dynamics in the surf zone, Sydney, Australia 10 Erikson, L., Larson, M., & Hanson, H (2005) Prediction of swash motion and run-up including the effects of swash interaction Coastal Engineering, 52(3), 285-302 11 Gourlay, M R (1968) Beach and Dune Erosion Tests Delft: Delft Hydraulics Laboratory 12 Guza, R T., & Inman, D L (1975) Edge waves and beach cusps Journal of GeophysicalResearch, 80(21), 2997-3012 13 Holland and Puleo (2001) Estimating swash zone friction coefficients on a sandy beach Coastal Engineering, 43:25-40 14 Holthuijsen, L H (2007) Waves in Oceanic and Coastal Waters: Cambridge University Press 15 Horn, D P., & Mason, T (1994) Swash zone sediment transport modes Marine Geology, 120, 309-325 16 Hughes, M G., Masselink, G., & Brander, R W (1997) Flow velocity and sediment transport inthe swash zone of a steep beach Marine Geology, 138(1-2), 91-103 17 Hughes, M.G., Turner, I., (1999) The beach face In: Short, A.D (Ed.), Handbook of Beach and Shoreface Morphodynamics Wiley, Chichester, pp 119–144 18 Hughes, M.G., Baldock, T.E., 2004 Eulerian flow velocities in the swash zone: field data and model predictions Journal of Geophysical Research 109, C08009 19 Hung-Chu Hsu et al (2014), ―On dam-break wave propagation and its implication to sediment erosion‖,Journal of Hydraulic Research 20 Kikkert G.A., Pokrajac D., O'Donoghue T., Steenhauer K., (2013) Experimental study of bore-driven swash hydrodynamics on permeable rough slopes Coastal Engineering 79: 42–56 21 Lefebvre J-P, Almar, Viet NT, Uu DV, Thuan DH, Binh LT, Ibaceta R, Duc NV (2014) Contribution of swash processes generated by low energy wind waves in the recovery of a beach impacted by extreme events: Nha Trang, Vietnam Journal of Coastal Research, SI 70:663-668 22 Liang,Q (2002), ―Lecture notes on computational hydraulics: Finite volume method‖, Newcastle University 23 Liu H (2013) A simple empirical model for Shields parameter estimation in the swash zone Proc Of the 7th International conf on Coastal Dynamics 2013, Arcachon, France, 1105-1114 24 LobovskyL., Botia-VeraE., CastellanaF., Mas-SolerJ., and Souto-IglesiasA., "Experimental investigation of dynamic pressure loads during dam break," Journal of Fluids and Structures, 2013 25 Mase, H (1995) Frequency downshift of swash oscillations compared to incident waves Journalof Hydraulic Research, 33, 397-411 26 Masselink, G., and Hughes, M.G., (2003) An Introduction to Coastal Processes and Geomorphology Edward Arnold publishers, 354 pp 27 Masselink, G., Russell, P., 2005 Field measurements of flow velocities on a dissipative and reflective beach — implications for swash sediment transport Proceedings Coastal Dynamics, 2005, ASCE, paper on CD–ROM 28 Masselink, G., & Puleo, J A (2006) Swash-zone morphodynamics Continental Shelf Research,26(5), 661-680 29 Maurel, F (2000), ―Dam break wave on wet bed‖, (EDH-LNH) 30 Miles, J., Butt, T., & Russell, P (2006) Swash zone sediment dynamics: A comparison of adissipative and an intermediate beach Marine Geology, 231(1-4), 181-200 31 Pritchard, D and Hogg, A J (2005) On the transport of suspended sediment by a swash event on a plane beach Coastal Engineering 52: 1–23 32 Puleo J.A., Beach R.A., Holman R.A., Allen J.S (2000) Swash zone sediment suspension and transport and the importance of bore-generated turbulence, JGR,105(C7):17021-17044 33 Puleo, J.A., Slinn, D.N., Holland, K.T., Smith, E and Webb, B.M., (2002) Numerical modelling of swash zone hydrodynamics Proceedings 28th International Conference on Coastal Engineering, ASCE, pp 968–979 34 Shanehsazzadeh A., Holmes P., (2013) Coarse sediment particle motion under highly asymmetrical waves with implications for swash zone sediment transport Coastal Engineering 71: 60–67 35 Short, A D (1999) Handbook of beach and shoreface morphodynamics / edited by Andrew D.Short New York: John Wiley 36 Steenhauer, K., Pokrajac, D & O'Donoghue, T (2012) 'Numerical model of swash motion and air entrapment within coarse-grained beaches' Coastal Engineering, vol 64, pp 113-126 37 Toro, E (2009), ―Riemann solvers and numerical methods for fluid dynamics.: A practical introduction‖, Springer 3rd edition 38 VousdoukasM.I, T Kirupakaramoorthy , H Oumeraci , M de la Torre , F.Wübbold, B.Wagner , S Schimmels, (2014) The role of combined laser scanning and video techniques in monitoringwave-by-wave swash zone processes Coastal Engineering 83, 150-165 39 Wright, L D., & Short, A D (1984) Morphodynamic variability of surf zones and beaches: Asynthesis Marine Geology, 56(1-4), 93-118 [...]... trung bình tke đo đạc (đƣờng nét đứt) với vận tốc dòng chảy từ mô hình (đƣờng nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trƣờng hợp 3 Error! Bookmark not defined Hình 3 29 So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy mô hình xuất ra (đƣờng nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trƣờng hợp 8 Error! Bookmark not defined Hình 3 30 So sánh năng lƣợng... trung bình tke đo đạc (đƣờng nét đứt) với vận tốc dòng chảy từ mô hình (đƣờng nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trƣờng hợp 8 Error! Bookmark not defined ix TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1 Nguyễn Thế Duy (2002), ―Một mô hình số cho vùng sóng vỡ trong gió bao gồm cả lớp biên đáy và vùng sóng tràn‖ 2 http://khanhhoa.gov.vn Tiếng Anh 3 Bakhtyar, R., Barry, D A., Li, L., Jeng, D S., &... Pokrajac D., O'Donoghue T., Steenhauer K., (2013) Experimental study of bore-driven swash hydrodynamics on permeable rough slopes Coastal Engineering 79: 42–56 21 Lefebvre J-P, Almar, Viet NT, Uu DV, Thuan DH, Binh LT, Ibaceta R, Duc NV (2014) Contribution of swash processes generated by low energy wind 2 waves in the recovery of a beach impacted by extreme events: Nha Trang, Vietnam Journal of Coastal... implications for swash zone sediment transport Coastal Engineering 71: 60–67 35 Short, A D (1999) Handbook of beach and shoreface morphodynamics / edited by Andrew D.Short New York: John Wiley 36 Steenhauer, K., Pokrajac, D & O'Donoghue, T (2012) 'Numerical model of swash motion and air entrapment within coarse-grained beaches' Coastal Engineering, vol 64, pp 113-126 37 Toro, E (2009), ―Riemann solvers