Chỉnh trị cửa sông ven biển phạm văn giáp, lương phương hậu

"Chỉnh trị cửa sông ven biển" là một môn khoa học chuyên ngành, tìm hiểu các quy luật cơ học cơ bản của tác động giữa dòng nước và lòng dẫn trong đoạn cửa sông có ảnh hưởng triều, nghiê

PHẠM VĂN GIÁP - LƯƠNG PHƯƠNG HẬU

CHỈNH TRỊ CỬA SÔNG VEN BIỂN

NHÀ XUẤT BẨN XÂY DỰNG

6 X - 6X7.5

X D - 9 6 129 - 95

LÒI GIÓI THIỆU

Chỉnh trị cửa sông ven biển là vấn đề được đặt ra từ yêu cầu khai thác tiềm năng kinh tế biển đang được Dủng và Nhà nước ta khuyến khích Cửa sông có liên.quan rất chặt chẽ đối với các mục tiêu thoát

lũ, quai đê lấn biển đê phát triên câng, nông nghiệp, thủy sán, du lịch nhưng phổ biến nhất lù việc tạo luông giao thông thủy sông - biển

Vì vậy, luồng tầu qua cửa sông là dối tượng chính dược dê cập trong cuốn sách này Đây lả giáo trình cho sinh viên đại học ngành xây dựng cảng - đường thủy, đồng thời là tài liệu tham khảo cho các cán bộ khoa học kỹ thuật có nhiệm vụ nghiên ọứu những vấn dê về cửa sông ven biển.

Chương mở đầu, chương ĩ và chương II do PGS, PTS Lương Phương Hậu biên soạn, ba chương còn lại do PGS, PTS Phạm Văn Giáp phụ trách Chỉnh trị cửa sông ven biền có nội dung phức tạp, khố khăn,

ít tài liệu tham khảo, trong quá trình biên soạn vù xuất bản chắc chắn còn nhiêu thiếu sót, mong dược sự giúp dỡ, góp ý của quý bạn đọc,

để lần sau chúng tôi ấn hành dược tốt hơn.

NHÀ XUẤT BẤN XÂY DựNG

MỤC LỤC

Trang

Chương một : CÁC YẾU Tố ĐỘNG Lực CỬA SÔNG VÙNG TRIỀU 24

1.2.1 Hình thái và phân vùng sóng do gió 251.2.2 Sự lan truyền của sóng trong vùng nước nông 28

1.2.4 Tính toán các yếu tố sóng do gió 39

1.3.3 Phân tích các mực nước đặc trưng của thủy triều 48

Chương hai : DÒNG CHẨY VÙNG CỬA SÔNG VEN BIỂN 55

2.1 Dòng chảy vùng ven biển ngoài cửa sông 55

5

2.1.2 Dòng chảy do gió (dòng trôi) 61

2.1.4 Sự tương tác, tổ hợp giữa các loại dòng chảy ở khu vực

2.2.1 Đặc tính chung của thủy triều sau khi vào cửa sông 672.2.2 Chuyển động sóng triều cửa sông sau khi giản hóa 672.2.3 Quá trình dòng chảy trong cửa sông 68

2.3 Sự truyền triều trong các cửa sông V iệt Nam 722.3.1 Sự tiết giảm của biên độ sóng triều dọc sông 732.3.2 Tốc độ và giới hạn truyền sóng triều 742.3.3 Thời gian triều dâng, triều rú t 74

2.4.1 Phương pháp sai phân hữu hạn, lưới hình thoi

giải bài toán không ổn định m ột chiều 772.4.2 Mô phỏng số chuyển động không ổn định

hai chiều bằng phương pháp phân rã toán tử 812.5 Sự xáo trộn nước mặn và nước ngọt - dòng dị trọng 85

2.5.3 Ấnh hưởng của dòng dị trọng nêm m ặn đối với

sự phân bố lưu tốc dòng chảy cửa sông 88

2.5.5 Ước tính khoảng cách xâm nhập mặn 89

2.5.5.1 Trường hợp xáo trộn nhẹ2.5.5.2 Trường hợp xáo trộn vừa

3.1 Sự hình thành và phát triền cửa sông 94

Chương bốn : THIẾT KẾ QUY HOẠCH LUỒNG TÀU QUA CỬA SÔNG 1324.1 Xác định khả năng thông qua luồng tàu 132

4.3 Mực nước thiết kế của luồng tàu qua cửa sông 134

4.5.1 Các công thức tính Vm cho tàu chạy trong kênh 1474.5.2 Các công thức tính Vm cho tàu chạy trong không gian nước

4.5.3 Tính tốc độ giới hạn chạy tàu theo qui trình thiết kế 150

4.6.1 Giới thiệu chung về báo hiệu hàng hải 153

7

4.6.3 Giới thiệu cấu tạo các báo hiệu dẫn luồng hàng hải 1564.6.4 Tính toán các công trình phao tiêu tín hiệu 1594.7 Giới thiệu các kênh biển lớn trên thế giới 162

Chương năm : CÔNG TRÌNH KHƠI LUỒNG VÀ ỔN ĐỊNH LUỒNG TÀU 167

5.1 Phương hưứng và các biện pháp chính làm ổn định luồng tàu 167

5.3 Các thiết bị phục vụ nạo vét vùng cửa sông 1745.4 Ý nghĩa và phân loại các công trình làm ổn định luồng tàu

5.5 Các sơ đồ bố trí các công trình làm ổn định luồng tàu cửa sông 1825.6 Kết cấu đê ngăn cát, đê dẫn dòng, kè bờ, đập đinh, đập khóa 1915.6.1 Kết cấu đê ngăn cát, đê dẫn dòng 1915.6.2 Kết cấu tường giữ bãi và đập đinh 194

Chương mở đâu

0.1 ĐỊNH NGHĨA - ĐỐI TƯỘNG NGHIÊN c ứ u

Cửa sông là đoạn giao giáp giữa sông và vùng tập trung nước (biển, hồ, vịnh chịu ảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố động lực ra, vào từ hai phía Trong môn học này, chủ yếu nghiên cứu cửa sông đổ ra vùng biển có thủy triều, gọi tắt là cửa sông vùng triều

"Chỉnh trị cửa sông ven biển" là một môn khoa học chuyên ngành, tìm hiểu

các quy luật cơ học cơ bản của tác động giữa dòng nước và lòng dẫn trong đoạn cửa sông có ảnh hưởng triều, nghiên cứu các biện pháp công trình để chỉnh trị cửa sông phục vụ cho những yêu cầu khai thác tiềm năng kinh tế sông, biển, trong đó chú trọng đi sâu mục tiêu khơi luồng giao thông vận tải thủy Đối tượng chủ yếu của môn học này là :

- Các yếu tố động lực học và kết cấu dòng chảy ở vùng cửa sông, trong đó

đi sâu vào sóng gió và dòng triều

- Chuyển động bùn cát trong điều kiện tự nhiên và khi có biện pháp công trình

- Công trình nạo vét luồng tầu và công trình ngăn cát, giảm sóng bảo vệ luồng tàu

Cửa sông thường là những vùng hoạt động kinh tế tấp nập, có tầm quan trọng lớn về giao thông thủy, nhất là đường thủy quốc tế, về thoát lũ, về nông nghiệp, về thủy sản, về quân sự, về môi trường

Hiện nay, trong chiến lược khai thác, phát triển tiềm năng kinh tế biển, phục vụ hiện đại hóa công nghiệp hóa đất nước, nghiên cứu chỉnh trị cửa sông

là một nhiệm vụ bức xúc được Đảng và Nhà nước rất chú trọng Tất nhiên, đây là một môn khoa học tổng hợp, các hiện tượng vật lý riêng biệt đặ rất phức tạp, nay lại tập trung vào một chỗ, tác động lẫn nhau, nên càng phức tạp, khó khăn hơn Các thành tựu nghiên cứu trình bày trong cuốn sách này phần lớn là của nước ngoài, vì công tác này ở Việt Nam mới chỉ ở giai đoạn bắt đầu

0.2 PHÂN LOẠI CỬA SÔNG

Xuất phát từ các góc độ, quan điểm khác nhau ngưòi ta phân chia cửa sông ra thành nhiều loại để thuận tiện trong nghiên cứu Từ biên độ triều, có

cửa sồng triều mạnh (Ah > 4m), cửa sông triều trung bình (Ah = 2 - 4m) và

9

cửa sông triều yếu (Ah < 2m) Từ đặc điểm các khối bồi lắng chia thành của sông có cồn chắn cửa và cửa sông có ngưõng cát ngầm, Căn cứ vào loại hình

xáo trộn giữa nước mặn và nước ngọt phân ra của sông xáo trộn nhẹ, của sông

xáo trộn vừa và cửa sông xáo trộn mạnh Nhưng phổ biến là cách phân loại

theo hình thái địa mạo : cửa sông tam giác châu ịdelta) và cửa sông hình phễu

(Estuary) Sau này sẽ gọi là delta và estuary.

Thông qua tác động tự điều chỉnh giữa dòng nước và lòng sông trong một khoảng cách dài, trong dòng sông đồng bằng trầm tích, sự thích ứng giữa nước

và bùn cát về cơ bản đã được xác lập Khi đi vào đoạn cửa sông, do sự thay đổi về hình thái lòng sông, chịu ảnh hưởng của các yếu tố động lực biển và

sự xáo trộn giữa nước mặn và nước ngọt, phần lớn bùn cát sẽ bồi lắng tập trung làm cho cửa sông kéo dài, khối bồi tích phát triển dần và thường gọi là tam giác châu (châu thổ) Do sự khác nhau trong tổ hợp các điều kiện dòng chảy sông và các yếu tố động lực biển sẽ dẫn đến sự khác nhau về hình thái, cáu trúc và mức độ phát triển của tam giác châu, hình thành các cửa sông có hình thái đa dạng, muôn hình, muôn vẻ

Hình 0.1 (a) biểu thị cửa sông delta hình mỏ chim Loại cửa sông này chủ yếu chỉ do một lạch chính thoát nước, tháo cát, các yếu tố động lực biển ngoài cửa tương đổi mạnh, do đó lạch chính là mũi tiến công trung tâm của sông lấn ra biển ; tạo thành hình mỏ chim Cửa sông Trường Giang (Trung Quốc), cửa Lạch Giang (sông Ninh Cơ), cửa Đáy (sông Đáy), cửa Định An (sông Hậu) ở nước ta đều thuộc loại này

Hình 01 : Các loại cửa sông

a - Cưa ông dtìlta hình mỏ chim c - Cửa sông đelta hình quạt

b - Cửa S c n g delta hinh chân chim đ - Cửa sông estuary

Hình 0.1 (b) biểu tlụ cửa sông delta hình chân chim Loại cửa sông này xuất hiện ở vùng mà các yếu tố động lực biển tương đối yếu, các lạch sông đều lấn nhanh ra biển, vùng giữa các lạch không được bồi đắp, nên cửa sông

có hình chân chim Cửa sông Mississippi của Mỹ là một ví dụ điển hình về loại sông này

Hình 0.1 (c) biểu thị cửa sông delta hình quạt Loại cửa sông này có nguồn bùn cát trong lưu vực tương đối phong phú, các yếu tố động lực biển lại tương đối yếu, trên châu thổ tồn tại rất nhiều lạch thay phiên nhau suy, thịnh và đổ

ra biển theo kiểu tia phát xạ, cửa sông lấn ra biển một cách toàn diện Cửa sông Hoàng Hà (Trung Quốc) là một cửa sông tam giác châu hình quạt điển hình Cửa Ba Lạt nước ta cũng có thể tạm xếp vào loại này

Hình 0.1 (d) biểu thị loại cửa sông estuary Đây là loại cửa sông ở vùng thung lũng sông không được bồi đắp hoàn chinh trong lần biển dâng cuối cùng Nguyên nhân bồi đắp không hoàn chỉnh là do bùn cát lưu vực ít mà yếu

tố động lực biển lớn, bãi cát ngầm không thể phát triển đầy đủ Để thích ứng với điều kiện ra vào của thủy triều với lưu lượng lớn, cửa sông phải mở rộng

ra ngoài, tạo ra hình phễu Cửa sông Bạch Đằng và các cửa sông vùng vịnh

Hạ Long, vịnh Gềnh Rái có thể xếp vào loại này

Nhưng cách phân loại trên mới chi chú ý đến hình dạng trên mặt bằng của cửa sông mà chưa đề cập đến nguyên nhân hình thành của nó, cho nên có nhiều người đề ra các cách phân loại khác

- G M Fridman và J E Sanders từ số liệu 29 cửa sông trên thế giới, đề xuất cách phân loại theo hàm lượng bùn cát P c trong dòng chảy cửa sông như sau :

- Nếu Pc < 0,16 ks/m2 3 thuộc loại estuary

- Nếu pc > 0,20 ks/m3, thuộc loại delta

- Trường hợp 0.16 k‘7m3 ^ P c ^ 0,20 ks/m3, thuộc loại quá độ

Nhưng chi dựa vào một chỉ tiêu để phân loại cửa song, không thể nào chính xác được, vì yếu tố ảnh hưởng đối với cửa sông rát phức tạp

- Tiền Ninh và một số tác giả khác phân tích số liệu của 22 cửa sông ởTrung Quốc va ở các vùng khác phát hiện rằng vị trí bồi lắng của bùn cát ở cửa sông có quan hệ mật thiết đến tỷ lệ dòng chảy sông biển, được biểu thị

qua hệ số a a là đại lượng được đo bằng tỷ số giữa lưu lượng tạo lòng của

dòng chảy sòng Qi và lưu lượng tạo lòng của dòng triều Q2 Quan hệ giữa Qi

= 1 2trong dó n : - số ngày thống ké ;

m : - số mũ trong công thức tải cát Gs = KQm ;

Q2 : - lưu lượng trung bình trong thời kỳ triều dâng

11

+ Trường hợp a < 0,02 : trên mặt cắt dọc tồn tại ngưỡng cát trong Bùn

cát chủ yếu là từ ngoài cửa đến Trên m ặt bằng lòng sông có dạng hình phễu, nên thuộc loại cửa estuary

+ Trường hợp a > 1,0 : trên mặt cắt dọc tồn tại ngưỡng cát ngoài Trên

mặt bằng, lòng sông mở rộng đều, cửa sông thuộc loại delta

+ Trường hợp 0,02 $ a ế 1,0 : cửa sông thuộc loại quá độ.

Các tác giả này sử dụng số liệu cửa sông Tiền Đường và 12 sông khác, vẽ biểu đồ quan hệ giữa tỷ số Q1/Q2 và chỉ số ngoại hình trên m ặt bằng [(B2 - Bi)/L](B2/Bi), trong đó Bi là chiều rộng m ặt cắt ở giới hạn vùng triều,

B là chiều rộng tại mặt cắt cuối cửa sông, L là khoảng cách giữa chúng (xem hình 0.2)

J

.11 Ị 1 1

1 S.Theusi ; 7 s Châu (cửa Hổ) ;

2 s Tiễn Đường ; 8 s Châu (cửa Tiển) ;

3 s V issi; 9 s Châu (cửa Hổng Kỳ) ;

4 s Ao ; 10 s Châu (cửa Ma Đao) ;

5 s Ân ; 11 s Đông ;

6 s Tào Nga ; 12 s Ôđe ;

Hình 0.3 : Biểu đồ phân loại cửa sông

I s Hoàng Hà ; 2 s Mississippí

3 s Hàn ; 4 s Hải Hà ; 5 s Tây Bắc ;

6 s Đông ; 7 Sông Trường Giang ;

8 s Tào Nga ; 9 s Húng ; 10 s Ằu;

II s Zung ; 12 s Tân Dương ;

13 s Xạ Dương ; 14 s Hoàng Phổ ;

15 s Hukhli ; 16 s Vĩnh Ninh ;

17 s Saina ; 18 s Tiên Đường ;

19 s Theuai ; 20 s Vissi

Tổng hợp những nghiên cứu trên, một số tác giả Trung Quốc đã dựa vào các vùng trên biểu đồ s ^ a (hình 0.3) chia các cửa sông thành 5 loại sau :

II 0,02 < a < 0,06 s < 0,4 Ks/m3 Loại quá độ

IIIl 0,02 < a < 0,6 s > 0,4 Ks/m3 Loại delta - thiếu cátIII2 a > 0,6 s < 0,4 Ks/m3 Loại delta - dạng lướiIII3 a > 0,6 s > 0,4 Ks/m3 Loại delta - dạng dao độngMột số tác giả căn cứ vào chế độ triều, dòng chảy và nguồn gốc bùn cát chủ yếu từ sông hay từ biển, chia cửa sông thành 4 loại sau :

- Cửa sông triều mạnh, bùn cát biển ;

- Cửa sông nguồn hồ, bùn cát biển ;

- Cửa sông triều yếu, bùn cát sông ;

- Cửa sông 2 nguồn bùn cát sông - biển

w E Galloway căn cứ vào quan hệ giữa các yếu tố dòng chảy sông, sóng

và triều, đề xuất tam giác phân loại cửa sông delta, như hình 0.4 thể hiện.Cửa sông delta đựợc tác giả chia nhỏ ra làm 3 loại : loại chịu tác dụng của dòng chảy sông là chủ yếu, loại chịu tác dụng của sóng là chủ yếu và loại chịu tác dụng của triều là chủ yếu Có người còn căn cứ vào quan hệ tổ hợp gồm

3 yếu tố đó để chia ra 1 cách chi tiết hơn thành 5 loại :

- Loại cửa ưu thế sông,

- Loại cửa sông - sóng,

- Loại cửa ưu thế sóng,

- Loại cửa sông - sóng - triều,

- Loại cửa sông - triều

Cách phân loại này có vẻ như xét đến toàn diện các yếu tố động lực, nhưng trên thực tế, yếu tố sóng, ngoài ảnh hưởng lớn đối với hình thái đường viền ngoài của delta và độ dốc đáy, nó có ảnh hưởng lớn đến hình thái của vùng cửa sông hay không, còn phải nghiên cứu tiếp tục, hơn nữa lại chưa xét đến ảnh hưởng của bùn cát

13

H ình 0.4 : Tam giác phăn loại cửa sông

1 s Mississippi 6 s Rona 11 s Aolinọkhơ

2 s Pô 7 s Sanphransico 12 s Mêkông

3 s Đanuýp 8 s Sainaera 13 s Khpô

4 s Apolo 9 s Pudkin 14 s Hàng

5 s Nil 10 s Nigiê 15 s Papuia

0.3 PHÁN ĐOẠN CỬA SÔNG

Cửa sông là vùng dòng chảy sông và dòng triều gặp nhau, tác động lẫn nhau cùng nhau suy giảm và tăng trưởng Nhưng ở các đoạn khác nhau, sự so sánh lực lượng của hai dòng này cũng không giống nhau Dòng chảy sông từ thượng lưu đổ về, do m ặt cắt lỏng sông càng về xuôi càng mở rộng, tác dụng của nó đối với lòng dẫn cũng dần dần yếu đi Dòng triều từ ngoài biển dồn vào, càng về đoạn thượng lưu, lăng thể triều càng giảm nhỏ nên cũng yếu dần

và mất hẳn tại biên giới dòng triều Vì vậy, căn cứ vào mức độ suy giảm và tăng trưởng của dòng chảy sông và dòng triều, chia cửa sông ra làm 3 đoạn : đoạn dòng chảy sông, đoạn dòng triều và đoạn quá độ

Hiện nay, sự phân chia cụ thể cho 3 đoạn này chưa có một chỉ tiêu thống nhất nào Có người cho rằng chính sự biến hóa dọc đường của độ mặn có thể đặc trung cho sự so sánh lực lượng của dòng chảy sông và triều, đồng thời nó còn ảnh hưởng trực tiếp đến đặc trưng dòng chảy và động thái bùn cát, vì vậy kiến nghị lấy đoạn từ giới hạn dưới của độ m ặn bình quân nhiều năm trở về xuôi gọi là đoạn dòng triều biển, đoạn trên biên giới m ặn gọi là đoạn dòng triều sông, giữa chúng là đoạn quá độ

a) Đoạn dòng triều sông : đoạn này lòng dẫn là do tác dụng tương hỗ giữa

dòng chảy và bùn cát thượng lưu tạo nên, tác dụng của dòng triều đối với các đoạn này cực kỳ yếu ớt Nước mặn đi theo dòng triều không đến được đây

mà chỉ do nước ngọt bị đẩy ngược lên Trong trường hợp nguồn bùn cát biển dồi dào, dòng triều dâng luôn luôn tạo ra bồi lắng ở đoạn này, bùn cát mang đến không nhiều, vì vậy không ảnh hưởng lớn đến diễn biến lòng sông Yếu

tố quyết định đến diễn biến lòng sông đoạn này là dòng chảy thượng lưu và nguồn bùn cát do nó mang về

b) Đoạn dòng triều biển : đặc tính lòng dẫn và diễn biến của đoạn này phụ

thuộc vào cường độ dòng triều và bùn cát biển mà nó mang vào Để tháo thoát dòng triều và bùn cát xâm nhập vào cửa sông, lòng dẫn đoạn dòng triều luôn có một độ mở rộng nhất định 0 các cửa sông, nước ngọt và nước mặn hỗn hợp kém hoặc hòa hoãn, sự bồi lắng của đoạn này không liên quan mật thiết đến dòng di trọng của nêm mặn

c) Đoạn quá độ : trong đoạn này 2 yếu tố dòng chảy sông và dòng triều

thay nhau tăng, giảm tranh chấp nhau Tùy theo các năm thủy văn khác nhau, hoặc sự thay đổi trong năm của các mùa nước, 2 yếu tố này cũng lên xuống khác nhau Vì vậy các điều kiện dòng chảy, bùn cát và tình hình diễn biến lòng sông biến hóa phức tạp

Ngoài cách phân đoạn trên, còn có cách phân đoạn thông thường, tức là đoạn tiếp cận cửa, đoạn cửa sông và đoạn bãi biển ngoài cửa như hình 0.5 thể hiện

- Giới hạn trên của đoạn tiếp cận cửa sông là nơi mà mực nước còn chịu ảnh hưởng triều dâng ở thời kì mùa nước trung hoặc ảnh hưởng của nước dâng, giới hạn dưới của nó là nơi bắt đầu phân lạch loại cửa delta, hoặc là nơi bắt đầu hình thành tam giác châu ngầm của cửa estuaiy

- Giới hạn dưói của đoạn cửa sông là biên tuyến của tam giác châu, sau

đó cho đến biên ngoài của bãi biển duyên hải là đoạn ngoài cửa

Hình 0.5 : Phản đoạn cửa sông

a) Cửa sông delta; 3 Bãi biển ngoàị b) Cửa sông estuary ; 4 Bờ biển

1 Đoạn tiếp cận cửa ; 5 Đường

2 Đoạn cửa sông ; viền bờ dốc

0.4 CỬA SÔNG Ỏ VIỆT NAM

Trên suốt 3260km chiều dài bờ biển Việt Nam, cứ trung bình khoảng 20km lại có một cửa sông có tên Chính các cửa sông làm cho bờ biển V iệt Nam đầy biến động 0 đó luôn xảy ra cuộc đấu tranh giành giật giữa đất liền và biển cả Sự phân bố các loại cửa sông có một sự đối xứng tự nhiên : ở hai

15

vùng Bắc Bộ và Nam Bộ đều có một cặp cửa sông estuary và cửa sông delta

đi kèm nhau Các cửa estuaiy ở Bắc Bộ đổ vào vịnh Hạ Long, các cửa estuaiy

ở Nam Bộ đổ vào vịnh Gềnh Rái, đều là những vùng thắng cảnh, giao thông thủy và công nghiệp phát triển Các cửa sông delta, ở Bắc Bộ là cửa Ba Lạt của sông Hồng, ở Nam Bộ là cửa sông Tiền, sông Hậu của sông Mêkông, đểu

là hai vùng vựa lúa lớn nhất của Việt Nam Trên bờ biển miền Trung, hầu hết là các loại cửa sông phẳng, có các doi cát chạy theo hướng Bắc - Nam, thay đổi theo hướng gió mùa trong năm Các cửa sông miền Trung đều là các trung tâm ngư nghiệp quan trọng

0.4.1 Các của sông estuary

a) Các cửa sông đô vào vịnh Hạ Long (hình 0.6)

Nằm ở rìa đồng bằng Bắc Bộ, định vùng nằm gần Kinh Môn, đáy từ Cát

Bà sang bán đảo Đồ Sơn, ranh giới ngoài nằm gần trùng đường đẳng sâu 6m

Các cửa sông chính của vùng là Lạch Huyện (sông Chanh), cửa Nam Triệu (sông Bạch Đằng), cửa Cấm (sông Cấm, 1983 đã bị bịt bằng đập Đình Vũ), cửa sông Lạch Tray (sông Lạch Tray) Thủy triều tuân theo chế độ nhật triều điển hình, biên độ cực đại đạt đến 4,5m, tốc độ dòng triều trung bình là (30 -7- 50) cm/s, cực đại tới (150-é 180) cm/s Thời gian triều xuống xấp xỉ hoặc ngắn hơn (1-7-2) giờ so với triều lên, dòng triều thuận nghịch, elíp triều rất đẹp

Triều đã phân tán và gây thiếu hụt bồi tích Phía ngoài vùng cửa sông, khi bão sóng cao tới 3m, phía trong cao nhát tới lm Khối nưổc vùng cửa cơ bản

là lợ và lợ nhạt vào mùa múa, lợ và lợ mặn vào mùa khô Độ mặn quanh năm

thường dao động trong khoảng (5 -ỉ- 25) %c Khối nước lợ lấn sâu vào lục

địa 58km

Vùng cửa sông này có cấu trúc nửa kín Ngoài quần đảo Cát Bà chắn phía Đông Bắc, bán đảo Đồ Sơn chắn phía Tây Nam, còn các hệ đảo cát Phù Long, Long Vũ, Cát Hải chắn vùng cửa Hệ thống lạch triều phát triển dày đặc.Trước đây khoảng 7 -7- 10 thế kỷ, vùng cửa sổng này là bộ phận rìa của hệ thống châu thổ sông Hồng Từ đó đến nay, biển lấn trở lại, vùng cửa bị ngập chìm trong điều kiện thủy triều mạnh lên, bồi tích thiếu hụt nên đã chuyển thành cấu trúc vùng cửa hình phễu

Có thể nói đây là trung tâm giao thông vận tải thủy lớn nhất miền Bắc Cảng Hải Phòng nằm trên bờ phải sông Cấm, được xây dựng từ năm 1876

Từ năm 1963 đến 1981 cảng được xây dựng lại để trở thành cảng quốc tế tiếp nhận tàu 10.000 DWT và tăng khả năng thông qua lên hơn 3 triệu tấn/năm Luồng tàu từ vùng nước sâu của vịnh Bắc Bộ đến cảng Hải Phòng dài 36km

đi qua bãi cát ngầm ở cửa Nam Triệu, sông Bạch Đằng, qua kênh Đình Vũ (đào năm 1911) để đi vào sông Cấm Từ Hải Phòng, tầu thủy có thể đi về thành phố Hạ Long theo kênh Cái Tráp vượt ngang đảo Hà Nam đi qua vịnh

Hạ Long Từ Hải Phòng đi Hà Nội theo tuyến sông Đuống hoặc tuyến sông Luộc

Từ Hải Phòng có tuyến đường biển đi vào Nam và vượt đại dương đi ra thế giới Trở ngại lớn nhất hiện nay là sự bồi lấp nghiêm trọng ở đoạn luồng cửa Nam Triệu, hiện chỉ nạo vét để duy trì luồng lạch cho tầu 5000 ^ 7000 DWT thông qua, con tầu 10.000 DWT phải chuyển tải từ phao số "0"

b) Các cửa sông đổ vào vịnh Gềnh Rái (hình 0.7)

Vịnh Gềnh Rái là một vịnh nông có độ sâu biến đổi từ vài mét đến 32m Phía Đông vịnh giáp thành phố Vũng Tàu ; phía Tây giáp huyện Cần Giờ thành phố Hồ Chí Minh ; phía Bắc giáp đảo Long Sơn ; cửa ra biển Đông ở phía Nam vịnh

ĩ l

Cũng như trường hợp các cửa sông estuaiy ở vịnh Hạ Long, yếu tố triều ở đây có ảnh hưởng rất lớn đến trường động lực toàn vùng Thủy triều ở đây thuộc loại bán nhật triều không đều, biên độ triều đạt tới 4m Độ lớn thủy triều trong các tháng 6, 7, 8 là lớn nhẩt phù hợp với thời kỳ gió Tây - Nam thịnh hành, hiệu ứng nước rút khá mạnh Dòng.triều trong.khu vực vịnh Gềnh Rái thường đạt 100 cm/s và cực đại hơn 200 cm/s Yếu tố dòng chảy sông có thể nói là không đáng kể.

Trên vạch bờ vịnh có 4 cửa sông lớn đổ vào : sông Dinh ở phía Đông là nơi tập trung nhiều cảng dịch vụ dầu khí (thành phố Vũng Tàu) ; cửa sông Ngã Bẩy của sông Lòng Tầu ở phía Tây, hiện là cửa ngõ của luồng tầu dưới 18.000 DWT vào cảng Sài Gòn ; cửa Cái Mép ở phía Bắc là cửa ngõ vào vùng cảng nước sâu Thị Vải ; cửa Soài Rạp của sông Đồng Nai ở phía Nam đang

là đối tượng nghiên cứu cải tạo luồng, để tầu trên 20.000 DWT vào cụm cảng Sài'Gòn

Hình 0.7 : Các cửa sông estuary đ ổ vào vịnh GZnh Rái

Vùng cửa sông này với điều kiện tự nhiên nhiều thuận lợi, đúng là trung tâm giao thông vận tải thủy lớn nhất nước ta, đang được đầu tư để phát triển

và hiện đại hóa

0.4.2 Các cửa sông delta

a) Cửa sông Hồng

Sau vùng hội lưu tại Việt Trì, sông Hồng chia ra nhiều chi lưu để thoát nước ra biển, trong đó trực tiếp ra biển có 4 : cửa sông Trà Lý (sông Trà Lý), cửa Ba Lạt (lạch chính sông Hồng), cửa Lạch Giang (sông Ninh Cơ), cửa Đáy (sông Đáy và sông Đào)

Vùng hạ lưu châu thổ sông Hồng bao chiếm một dải duyên hải chạy dài

từ phía Nam cửa sông Thái Bình đến tận Nga Sơn và ăn sâu vào phía đất liền

19

đến tận Hải Dương, Hưng Yên và Nam Định Đấy là vùng phù sa trẻ nhất trong toàn bộ các đat phu sa của sông Hồng, là tuyến xảy ra cuộc đấu tranh gay gắt nhất giữa biển và đất liền, trong đó có nơi thì đất tiến ra biển, có nơi thì biển công phá những "thành tựu" mà đất dày công xây dựng hàng bao thế

Diện tích các bãi phù sa từ biển tính từ Ninh Bình đến Nam Đồ Sơn là khoảng 130km2 Bờ biển loại này là rìa châu thổ có chỗ đang bồi tụ, có chỗ đang bị mài mòn (kiểu bờ mài mòn - bồi tụ) Nhân tố chủ yếu hình thành nên các bãi phù sa biển và bờ biển ở đây là sóng với tác dụng hỗ trợ của thủy triều Thực vậy, mực chênh lệch của thủy triều ở đây chỉ vào khoảng 1,90 đến 2,40m trong khi sóng lại rất lớn (có thể đến 4,5m như ở V ăn Lỵ)

Cửa Ba Lạt là một cửa sông delta điển hình, trong đó yếu tố sông chiếm địa vị quan trọng, đặc biệt là dòng bùn cát của sông Hồng Đảo chắn cửa là yếu tố hình thái đặc thù của cửa Ba Lạt, là sản phẩm của tác dụng tương hỗ giữa dòng chảy sông mang nhiều bùn cát và sóng bão trong mùa lũ

b) Cửa sông Mêkông

Sông Mêkông là con sông lón thứ 7 trên thế giới, dài 4.200km, trong đó hơn 230km ở địa phận V iệt Nam là cửa đổ ra biển Đông Vùng cửa sông Mêkông gọi là sông Cửu Long, vì có 9 cửa đổ ra biển : 6 cửa của sông Tiền : cửa Tiểu, cửa Đại, cửa Ba Lai, cửa Hàm Luông, cửa Cô Chiêu và cửa Cung Hầu ; 3 cửa sông Hậu : cửa Định An, cửa Bassac và cửa Tranh Đề (xem hình 0.9)

Cửa có giá trị vận tải thủy là cửa Định An Cửa này đang được chỉnh trị, cải tạo để có thể đưa tầu từ 5000 -ỉ- 10.000 DWT vào cảng Cần Thơ - cảng lớn nhất miền Tây Nam Bộ

Châu thổ sông Cửu Long ở Nam Bộ có diện tích 39.952km2 (so với 15.000km2 của châu thổ sông Hồng) Phần hạ lưu châu thổ được tính từ nơi hai sông Tiền và sông Hậu b ắt đầu chia nhánh Tại đây, ngoài những phần đất nổi nằm tiếp giáp với biển còn cả phần châu thổ ngầm

Ỏ đây, giồng hai bên bờ sông đã hạ thấp đến mức khó nhận được, nhưng các cồn cát duyên hải cao đến 5m, đã trở thành những dạng địa hình quan trọng Trên bê m ặt đồng bằng thấp vào khoảng 1 H- 2m, còn có những khu vực trũng thấp hơn lm , ngập nước vào mùa mưa Nhưng ven các cửa sông và

bờ biển do tác động bồi đắp của thủy triều và sóng, lại cố những dải đất cao đến 3m

Hình 0.9 : Của sông Mêkông

Đồng bằng hạ châu thổ thường xuyên chịu tác động của thủy triều và sóng biển : mực nưóc trong các cửa sông lên xuống rát nhanh, dòng sông hoạt động như một lạch triều khổng lồ Cửa sông Mêkông vừa chịu ảnh hưởng chế độ bán nhật triều không đều của biển Đông vừa chịu ảnh hưởng chế độ nhật triều không đều của vịnh Thái Lan, thông qua hệ thống kênh rạch dày đặc (mật độ 4km/km2 nối liền các sông với nhau) Khác vởi cửa sông Hồng, cửa sông Mêkông không có đảo chắn cửa ở xa bờ, mà tồn tại các đảo lớn nhỏ ở ngay trong các cửa sông, kết quả của sự hội tụ phù sa ở rìa "hoạt động" của châu thổ trong cuộc tranh chấp không ngừng giữa sông và biển cả Tất nhiên

dễ nhận thấy nhất là những đảo nhỏ, những "cù lao", những "cồn" như người

21

ta thường gọi, chẳng hạn như cù lao Dài (Vĩnh Long), cù lao Nấm Thôn, cồn

Bà Nở (M ỹ Tho), cù lao Cồn Cốc, cù lao Dung, cù lao Tròn, cù lao Nai (Sóc Trăng), v.v Nhưng còn những đảo khổng lồ, mà đỉnh nằm ngay ở chỗ sông bắt đầu chia nhánh và đáy lồi ra tận phía biển, còn khó nhận thấy hơn Thí

dụ tỉnh Bến Tre là do cù lao Bảo và cù lao Minh hợp lại mà thành, có sông Hàm Luông chảy ở giữa Các tỉnh Trà V inh - V ĩnh Long - Sa Đ éc là một phần tỉnh Long Xuyên cũ chỉ là một cù lao cực lớn nằm giữa sông Tiền và sông Hậu.

Rõ ràng phần hoạt động nhất của châu thổ chỉ gồm toàn những đảo lớn được bao bọc bởi các sông chia nhánh ngày càng tỏa rộng ra phía biển.

Khác với châu thổ Bắc Bộ, những bãi phù sa biển ở hạ châu thổ sông Cửu Long không phát triển bao nhiêu Đ iều đó có liên quan đến các dòng phù sa ven bờ, chúng không dừng tại các cửa sông mà đi tiếp về phía mũi Cà Mâu

để bồi đắp cho vùng giao giáp giữa biển Đ ông và vịnh Rạch Giá.

0.4.3 Các cửa sông phẳng m iền Trung

D ọc theo chiều dài miền Trung là các cửa của các con sông chảy từ dãy núi cao miền Tây theo hướng Đ ông ra biển Hầu hết m ột sông chỉ có một cửa, và cũng gần như mỗi tình chỉ có m ột cửa sông đáng kể : cửa Hới của sông Mã (Thanh Hóa) ; cửa Hội của sông Lam (Nghệ An) ; cửa Gianh của sông Gianh (Quảng Bình) ; cửa V iệ t của sông Thạch Hãn (Q uảng Trị) ; cửa Thuận A n của sông Hương (Thừa Thiên) ; cửa H ội A n của sông Thu Bồn (Quảng Nam - Đ à Nắng) ; cửa sông Trà Khúc (Quảng Ngãi) ; cửa sông Đà Rằng (Phú Y ên ), cửa sông Cái Nha Trang (Khảnh Hòa) ; cửa Đ ông Hải của sông Cái Phan Rang (Ninh Thuận) v.v

Các cửa sông m iền Trung đổ ra vùng bờ biển có chế độ triều chuyển tiếp

từ nhật triều không đều sang bán nhật triều không đều, biên độ triều thấp dần, đạt cực tiểu (0,5m) ở cửa Thuận A n rồi lại lớn dần Rõ ràng ở miền Trung yếu tố triều không đóng vai trò quan trọng bằng yếu tố sóng, vì đây là vùng hoạt động phức tạp của các loại gió mùa và các cơn bão Thái Bình Dương D ông ven do sóng là các yếu tố tạo thành các doi cát ngầm cửa sông Nhìn chung, đường viền các cửa sông tạo với đường bờ thành m ột v ệt thẳng, không lồi ra như kiểu delta, cũng không lõm vào như kiểu estuary.

Các vùng cửa sông m iền Trung thường được ngăn bởi dải cồn cát cao trên 10m, thậm chí tới 50 -ỉ- 60m như ở Quảng Bình M ột số nơi, trong dải cổn cát đó là bầu nưác ngọt hoặc đầm phá (nước lợ) mà nổi tiếng là hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai ở Quảng Trị, Thừa Thiên Các cửa sông m iền Trung đều cạn và không ổn định, giao thông thủy gặp nhiêu khó khăn H ình 0.10 giới thiệu hình thái m ột số cửa sông m iền Trung.

22

Hình 0.10 : Hình thải một số cửa sông miền Trung

a Cửa Đà Rằng (Tỉnh Phú Yên) ; b Cửa Thuận An (Tỉnh Thừa Thiên)

23

Chương một

CỬA SÔNG VÙNG TRIỀU

Các yếu tố động lực tác động vào dòng chảy cửa sông vùng triều rất nhiều, rất phức tạp Ỏ đây chỉ xét đến năm yếu tố sau : dòng chảy sông ; sóng do gió ; thủy triều ; nước dâng, nước hạ và lực Coriolis.

1.1 DÒNG CHẤY SÔNG

D òng chảy từ sông đổ vào biển là m ột yếu tố động lực quan trọng, nhiều khi là quyết định trong quá trình diễn biến vùng cửa sông Những đặc tính của dòng chảy sông phải được xác định từ số liệu của trạm thủy văn cuối cùng trước địa điểm có ảnh hưởng của sóng triều.

D òng chảy này đã được nghiên cứu kỹ trong phần động lực học dòng sông

Đó là một dòng chảy không ổn định, không đều, 3 chiều, chuyển động trong một lòng dẫn phức tạp nên có kết cấu nội bộ vừa rối,vừa có dòng thứ cấp, mang bùn cát.

D òng chảy trong sông ở nước ta có tính chát theo mùa : mùa lũ có lưu lượng lớn, mực nước cao ; mùa kiệt có lưu lượng nhỏ, mực nưóc thấp Chênh lệch dòng chảy giữa mùa lũ và mùa kiệt có khi rất lớn : hơn lOm về mực nước,

50 - 60 lần, thậm chí gần 100 lần về lưu lượng.

1.2 SÓNG D O GIÓ

G.B Whitham đã đưa ra m ột định nghĩa về sóng như sau : sóng là tín hiệu

có thể nhận biết được của m ột nhiễu động xuất phát từ m ột bộ phận này lan truyền đến m ột bộ phận khác của mỗi chất Gây ra sóng m ặt nước có nhiều nguyên nhân như gió thổi, khí áp hạ, lực gây triều, chênh lệch nhiệt độ, địa chấn, chạy tầu v.v Các ngoại lực gây nhiễu động khác nhau và các lực phục hồi khác nhau sẽ hình thành các loại sóng có năng lượng, chu kỳ hoặc tần suất khác nhau, như hình 1.1 thể hiện.

Đối với cửa sông, do có mặt nước rộng, sóng do gió là loại sóng thường gặp và là một trong những nhân tố động lực quan trọng nhất Ngoại lực gây sóng là lực gió, lực phục hồi là trọng lực, vì vậy gọi là sóng trọng lực Từ hình 1.1 ta thấy, sóng gió có chu kỳ từ (5 - 15) sec có năng lượng lớn nhất, do đó

có tác dụng quan trọng đối với công trình cửa sông

Trong phạm vi của cuốn sách này, phần sóng do gió chỉ nhắc lại một số khái niệm cơ bản, không đi vào tính toán chi tiết

1.2.1 Hình thái và phân vùng sóng do gió

Các kích thước đặc trưng chủ yếu của hình thái sóng được thể hiện trên

hình 1.2 Phần sóng trên mặt nước tĩnh gọi là ngọn sóng, điểm cao nhất của ngọn sóng là đỉnh sóng Phần sóng dưới mặt nước tĩnh gọi là bụng sóng, chỗ thấp nhất của bụng sóng gọi là chân sóng Khoảng cách thẳng đứng giữa đỉnh sóng và chân sóng gọi là chiều cao sóng hs Khoảng cách nằm ngang giữa hai đỉnh sóng hoặc hai chân sóng kề nhau gọi là chiều dái •óng Ls Tỉ số giữa chiều cao sóng và chiều dài sóng hs/Ls gọi là độ dốc sóng Đường nằm ngang

chia đôi chiều cao sóng gọi là đường trung bình sóng

Thông thường, do ngọn sóng tương đối nhọn, bụng sóng tương đối thoải,

độ cao ngọn sóng thường lớn hơn độ sâu bụng sóng, vì vậy đường trung bình sóng thường cao hơn đường mặt nước tĩnh Độ cao chênh lệch đó gọi là độ

dướn, ký hiệu là ỗ Thời gian để thực hiện một lần nhô lên, thụt xuống của

sóng gọi là chu kỳ T Trong quá trình nổi sóng, loại sóng có các yếu tố di

chuyển về phía trước gọi là sóng tiến Tốc độ mà ngọn sóng di chuyển theo

phương ngang gọi là tốc độ sóng c Độ cao sóng hs, chiều dài sóng Ls, độ dốc sóng, tốc độ sóng và chu kỳ sóng đều là những đại lượng chủ yếu xác định hình thái sóng, gọi chung là các yếu tó sóng

Sóng đã dấy lên thì sẽ lan truyền đi Sự lan truyền của sóng từ vùng nước sâu vào vùng nước nông, tùy theo sự thay đổi độ sâu có thể chia làm 4 vùng như hình 1.3 thể hiện

a Sóng nưốc sâu

Trong vùng biển sâu, chuyển động của sóng không chịu ảnh hưởng của đáy biển, gọi là sóng tiến nưóc sâu Quỹ đạo chuyển động của chất điểm nưđc trong sóng tiến nước sâu là đường gần tròn Trên cùng một phương nằm ngang, bán kính chuyển động tròn của các chất điểm nước đều bằng nhau Trên phương thẳng đứng, bán kính chuyển động của các chất điểm nước giảm nhỏ đần Tại vị trí độ sâu bằng 1/2 chiều dài sóng, bán kính chuyển động của chất điểm chỉ bằng 1/23 bán kính chuyển động của chất điểm nước bề mặt, có thể coi như ở trạng thái yên tĩnh Căn cứ vào kết quả nghiên cứu của Kestheney, quan hệ giữa các yếu tố sóng như sau :

Hình 1.3 : Phân vùng sóng

( 1 - 1 )

b Sóng nước nông

Vùng nước có độ sâu H nhỏ hơn 1/2 chiều dài sóng gọi là vùng sóng nước nông Theo sự giảm nhỏ của độ sâu, ảnh hưởng của đáy biển đối với chuyển động của chất điểm nước dần dần tăng lên, quỹ tích chuyển động của chất điểm nước trong sóng tiến nước nông gần với dạng hình ellipse Trục ngang

và trục đứng của ellipse càng xuống sâu càng giảm và ellipse càng dẹt Tại đáy, trục đứng ellipse bằng 0, ellipse biến thành một đoạn thẳng, chất điểm nước dao động qua lại theo đoạn thẳng này Theo lý thuyết sóng biên độ nhỏ, các yếu tố sóng vùng nước nông có quan hệ như sau :

c Sóng vỗ bỏ

Độ sâu tiếp tục giảm nhỏ, ảnh hưởng của ma sát đáy càng rõ Lúc đó, ngoài việc năng lượng sóng tiếp tục tiêu hao, do năng lượng sóng tập trung vào độ sâu tương đối nhỏ, độ cao sóng tăng lên, chiều dài sóng cũng giảm nhỏ một cách tương ứng, vì vậy độ dốc sóng tăng lên Tác dụng của ma sát đáy làm cho tốc độ sóng tại đáy nhỏ hơn tốc độ sóng ở bề mặt, ngọn sóng dần nghiêng về phía trước, cuối cùng đạt đến mức không thể giữ nổi thăng bằng bèn đổ xuống, phát sinh sóng vỡ Độ sâu mà ở đó sóng đổ gọi là độ sâu phân giới, ký hiệu Hb Trị số của Hb có liên quan đến chiều cao sóng, độ dốc sóng, độ dốc đáy, hệ số nhám và tính thấm của đáy biển Trong điều kiện tự nhiên, sóng gồm nhiều đợt, các đợt không giống nhau và không theo quy tắc nào Thêm vào đó, do ảnh hưởng của sự lên xuống thủy triều, sóng thường không vỡ ở một vị trí nhất định, mà thường xẩy ra trong một phạm vi nào đó,

phạm vi đó gọi là dải sóng vỡ.

Sau khi sóng vỡ, một loại sóng mới hình thành và lại tiến về phía trước Sau khi vỡ, năng lượng tiêu hao nhiều, sóng mới có chiều dài, độ cao giảm rõ rệt Trong quá trình tiến vào bờ, đến một vị trí nào đó sóng mới lại bị đổ xuống, vỡ lần nữa Trong dải sóng vỡ, do độ sâu nhỏ, năng lượng sóng tập trung, chất điểm nước ở đáy càng bị ma sát lớn, độ dốc mặt sóng lớn hơn độ dốc lưng sóng, làm cho ngọn sóng càng nhọn, bụng sóng càng thoải, quỹ tích chuyển động của chất điểm nước đã không còn khép kín nữa mà bị đẩy về

27

phía trước hình thành một dòng sóng xô vào bờ, làm xuất hiện dòng bồi lưu

ở đáy Loại sóng này gọi là sóng vỗ bờ

d Sóng leo

Sau lần đổ cuối cùng của sóng vỗ bờ, sóng hình thành m ột dòng xung kích rất mạnh trườn lên m ặt dốc, leo đến m ột độ cao nào đó rồi rút xuống Trong vùng này, các yếu tố hình dạng sóng đã không còn tồn tại, gọi là vùng sóng leo

1.2.2 Sự lan truyền của sóng trong vùng nước nông

a Biến dạng sóng

Sóng tạo thành ở ngoài khơi và trong quá trình truyền vào bờ, do ảnh hưởng của ma sát địa hình đáy và phản xạ, năng lượng sóng được điều ch’nh

và phân phối lại, làm cho sóng biến dạng và khúc xạ, vì vậy các yếu tố sóng

ỡ vùng nước nông gần bờ là kết quả tổng hợp của rất nhiều tác động

Trước hết căn cứ vào lý thuyết sóng biên độ nhỏ, nghiên cứu sóng tiến vào

bờ một cách chính diện, tức không xét đến ảnh hưởng của khúc xạ Đồng thời giả thiết rằng tổn thất năng lượng dọc đường có thể bỏ qua Ngoài ra, xét trong quá trình lan truyền, sự thay đổi của chu kỳ trung bình của sóng so với

sự thay đổi độ cao của chiêu dài sóng là tương đối nhỏ, nên trong phân tích coi chu kỳ sóng không đổi, tức T = To

độ sóng ở điểm Bo làm cho đường đỉnh sóng bị quay lệch đi Do trong quá trình lan truyền, độ sâu tại điểm B luôn luôn nhỏ hơn độ sâu ở điểm A đường đỉnh sóng tiếp tục bị quay lệch ngày càng lớn, cho đến khi độ sâu ở 2 điểm

A, B bằng nhau mới thôi Kết quả của hiện tượng quay lệch làm cho đường đỉnh sóng dần dần song song với đường bờ, còn các tia sóng dần dần vuông

góc với đường bò (hình l-4a) Hiện tượng đó gọi là hiện tượng chiết xạ hoặc khúc xạ (reíration).

Trong trường hợp đường bờ lõm, khoảng cách giữa các tia sóng tại các đường đỉnh sóng càng ngày càng mở rộng, mật độ năng lượng tất sẽ giảm nhỏ,

vì vậy chiều cao sóng cũng giảm xuống tương ứng Trường hợp bờ lồi thì ngược lại (hình 4- lb) Hiện tượng khúc xạ sóng là do sự thay đổi tốc độ truyền sóng gây ra Định luật khúc xạ có thể rút ra từ hình 4-lc

kỹ thuật công trình cảng của Trung Quốc

Chi cần đã biết hướng xuất phát sóng « 1 và tỷ lệ tốc độ C1/C2 thi sê tìm

thấy góc quay Aa giữa hai đường đồng mức Dựa vào quan hệ đó, người ta

đã chế tạo một công cụ chuyên dụng gọi là "thước khúc xạ" Đó là m ột thước hình bán nguyệt như thưởc đo độ (hình 1-5) Các chữ số quanh vành ngoài

biểu thị góc au các trị số ghi theo hướng bán kính là chỉ số C1/C2 Các đường

cong biểu thị giá trị Aa khác nhau.

Khi sử dụng, đặt cạnh thẳng của thước vào đường trung bình của đường đồng mức (trong hình là đường PQ), tia sóng tới AO sẽ cắt đường đồng tâm

C1/C2 tại điểm A Từ giao điểm này nội suy ra trị số Aa Kéo dài tia sóng tới theo phương ngược chiều và lập góc Aa theo chiều ngược kim đồng hồ Vẽ

đường OB đi qua tâm, đó chính là tia sóng mới sau khi khúc xạ

- Sự thay đổi chiều cao sóng :

Căn cứ vào định luật bảo toàn năng lượng, có thể suy ra sự thay đổi của chiều cao sóng trong vùng nước nông

Hình (1-6) thể hiện quan hệ giữa Ks, C/Co và H/Lso Từ hình này có thể thấy : trị số C/Co giảm nhỏ theo sự giảm nhỏ của độ sâu Nhung sự thay đổi của Ks lại không như vậy Khi mới đi vào vùng nước nông, trị số Ks có phần giảm nhỏ, còn tại điểm có H/Lso = 0,159 sẽ đạt giá trị cực tiểu hs/hso = 0,913 Sau đó độ sâu tiếp tục giảm, chiều cao sóng lại dần dần tăng lên Đến vị trí

H/Lo = 0,05 thì lis/hos = 1 tức là khôi phục lại chiều cao sóng ban đầu, sau

đó chiều cao lại tiếp tục tăng lên

Do khúc xạ sóng trong vùng nước nông, năng lượng sóng sẽ phân phối lại,

vì vậy khi tính toán chiều cao sóng trong vùng nước nông cần phải xét đến

hệ số khúc xạ Kr Hệ số này có thể tính theo Kr = -\1 cos«„/cos«, trong đó a„

là góc giữa đường đỉnh sóng nước sâu và đường đồng mức địa hình ; a là góc

chiết xạ của sóng trong điều kiện độ sâu H và tốc độ truyền sóng c Trị số

a = f(«o, H/Lso), nếu đã biết a 0 và H/Lso thì tra được a và hệ số Kr từ hình 1- 7.Nếu sóng trong vùng nước nông có cự ly lan truyền dài hoặc đáy biển thô nhám, còn phải xét đến hệ số Kf Cuối cùng ta có biểu thức độ cao sóng nước nông như sau :

hệ số Kf có thể tra ở biểu đồ trong các sách chuyên đề về sóng

1 Sóng nước rất nông ;

2 Sóng nước nông ;

3 Sóng nước sâu

31

Như trên ta đã thấy, trong quá trình suy diễn tính toán, đã đặt ra rấ t nhiều giả thiết Trong trường hợp bờ biển có độ dốc đáy biển tương đối thoải

(i > 1 %o), kết quả tính toán cho sai số tương đối lớn Vì vậy, trạm đo sóng

Thanh Đảo (Trung Quốc) đã đề xuất phương pháp kinh nghiệm dùng trực tiếp độ cao sóng ban đầu nhân với một hệ số chiết giảm Hệ số chiết giảm được giới thiệu trong bảng 1.1

Bảng 1.1

Độ sâu tương đối H/Lso 0,50 0,45 0,04 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10

Hệ số chiết giảm

K = hs/hso 1,0 0,84 0,76 0,70 0,65 0,60 0,56 0,52 0,48

Mô hình tính toán trường sóng khúc xạ :

Hiện nay, có nhiều mô hình tính toán khác nhau để tính lan truyền sóng, trong đó đáng chú ý là phương pháp dựa vào phương trình năng lượng của CERC và phương pháp dựa vào phương trình "Mid Slope" của Berkhoff Việc

áp dụng mô hình nào để tính toán phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố động lực như : sóng, dòng chảy, thủy triều cũng như các yếu tố hình thái : các tham số đặc trưng của độ dốc đáy, địa hình

Các nghiên cứu của chúng tôi trước đây đã chọn mô hình trong "Cẩm nang bảo vệ bờ biển" (Mỹ - 1984) do Trung tâm nghiên cứu các công trình ven bờ (CERC) đưa ra dựa trên các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm của Komar

và Inman Viện kỹ thuật Châu Ấ (AIT) cũng đã sử dụng mô hình này

Mô hình tính sóng dựa trên cơ sở dòng năng lượng sóng Các tham số sóng tại đới sóng vỡ được tính toán dưới tác động của các hiệu ứng khúc xạ nước nông và ma sát đáy Cơ sở lý thuyết của mô hình này được trình bày dưới đây :Giả thiết rằng sóng hai chiều truyền vào vùng bờ không có dòng chảy, độ dốc đáy nhỏ hơn 0,1 (không xảy ra hiện tượng phản xạ của sóng), bỏ qua tác động của gió, năng lượng sóng không truyền theo phương vuông góc với tia sóng :

với hsb- độ cao sóng tại đới sóng vỡ,

Hb- độ sâu tại đới sóng vỡ

Như vậy mô hình tính sóng dựa trên hệ phương trình (1-11), (1-14), (1-16)

và (1-10)

Để giải hệ phương trình này trước hết phải xây dựng ma trận độ sâu tại các nút của lưới tính Hệ tọa độ của lưới tính là trục X hướng theo phương pháp tuyến của bờ ra phía biển, trục y hướng dọc theo bờ Độ sâu của miền tính được lấy

ra tới vùng được coi là vừng nước sâu và phụ thuộc vào chu kỳ sóng :

Tuy nhiên, điều này cũng phụ thuộc vào sự định hướng của mô hình tính sóng Trên cơ sở ma trận độ sâu, tính vận tốc pha của sóng tại các nút lưới bằng phương pháp lặp :

Phương trình (1-11) giải bằng phương pháp dự báo và điều chỉnh bậc ba

Tiêu chuẩn hội tụ là sử dụng sai số tương đối nhỏ hơn 1% M ặt khác góc lệch

của tia sóng thay đổi liên tục nên thuật toán tính theo bưóc sóng không đổi Điểm xuất phát của tia sóng nằm tại các điểm biên của lưới tính Trong quá trình tính toán của tia sóng sẽ được thay đổi lưới tính Trong quá trình tính

toán bước của tia sóng sẽ giảm đi 1/2 khi góc a == 90° hoặc gradient độ sâu

(hay vận tốc pha) lổn Đối vói mỗi tia sóng, tiêu chuẩn dừng là :

- Độ sâu tại đó bằng o (xảy ra khi tia sóng phân kỳ, biểu thức 1-21 không tho ả mãn) ;

- Đỉnh sóng vỡ khi độ cao sóng tăng nhanh do hội tụ tia sóng và dẫn tới gồc ở đỉnh sóng nhỏ ;

-Biểu thức (1-21) thỏa mãn ;

-Tia sóng vượt ra ngoài vùng tính

Thực tế hệ số tiêu hao năng lượng sóng phụ thuộc nhiều vào các tham số sóng và độ sâu cũng như các tham số địa hình đáy biển Để xác định, đòi hỏi nhiều phép đo đạc cho từng vùng tính cụ thể một cách gần đúng fm được coi

là không đổi trên toàn miền tính

- Sóng võ

Những tính toán trên đều chưa xét đến vấn đề sóng vỡ Khi sóng truyền vào bờ, lúc độ dốc sóng lớn hơn trị số giới hạn thì sóng vỡ Theo lý thuyết sóng cô lập, điều kiện sóng vỡ là :

trong đó Hb là độ sâu nước nơi sóng vỡ, hs0 chiều cao sóng ở vị trí sóng vỡ.

Từ đó có thể thấy rằng, khi kết quả tính toán biến dạng sóng ở một vị trí nào đó cho ta chiều cao sóng lớn hơn 0,78 lần độ sâu nước ở đó thì sóng sẽ

vỡ ở vị trí đó Khi thiết kế công trình thường lấy điều kiện này để quyết định

độ sâu sóng vỡ hoặc khống chế độ cao sóng cực đại thiết kế Nhung trên thực

tế giới hạn sóng vỡ phức tạp hơn nhiều so với kết luận trên

Hình 1-8 thể hiện 3 trường hợp có thể xuất hiện lúc sóng vỡ

Hình 1- 9 là đường cong quan hệ kinh nghiệm về giới hạn sóng vỡ do Iversen

và Goda vẽ

Từ chiều cao hso và chiều dài Lso của sóng xuất phát, độ dốc bờ biển 1/n

có thể tra được tỷ số hs/hso trên hình 1-8, và từ đó tính ra chiều cao sóng

hsb Sau khi tìm được hso với To đã biết và 1/n, tra hình 1 -9 được tỷ số Hs/hb

tương ứng, cũng tức là tìm được độ sâu phân giới khi sóng vỡ

Hình 1-10 là đường cong quan hệ giữa hb/Hb, Hb/Lo và độ dốc đáy i.

Đối với một trị số Lo nhất định, sử dụng hình này tìm ra độ cao sóng vỡ

hsb ở các độ sâu khác nhau với một độ dốc i nào đó Độ cao đó chính là độ cao giới hạn ở độ sâu tại chỗ đó Khi độ cao sóng thiết kế ở một tần suất nào

đó hhp nhỏ hơn hb, sóng không vỡ, khi hsp = hhb sóng vỡ và khi hsp lớn hơn

hb sóng sẽ vỡ ở chỗ nước sâu hơn

35

c Nhiễu xạ của sóng

Khi sóng truyền qua một khe

cửa hẹp hay gặp một vật cản,

một công trình, tia sóng phải

vòng qua chướng ngại để

khuếch tán sóng ra phía sau

(như hình 1-11 thể hiện) đó là

hiện tượng nhiễu xạ

(diffraction) Do có nhiễu xạ,

vùng che khuất sẽ bị khuấy động

lên Có khi, do công tác động

của nhiều nguồn nhiễu xạ đến,

chiểu cao sóng cục bộ có thể

cao hơn chiều cao sóngban đầu

Hình 1-10 : Tỷ lệ giữa chiều cao sóng

và độ sâu khi sóng võ

Hiện tượng nhiễu xạ đã đượq các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu nhiều, song tiếp cận với thực tế còn có m ột khoảng cách nhất định Ỏ nước

ta, đối với các loại nhiễu xạ quy tắc đều dùng công thức kinh nghiệm để tính toán

Hình 1-12 là m ột sơ dồ nhiễu xạ ở m ột đê lồi Trong, ngoài đê có độ sâu như nhau Sóng đến có độ cao hji hướng sóng 0 0 ’, tạo với trục đê O r m ột

góc do (tính bằng radian) Trong quá trình nhiễu xạ T và Ls không đổi, yêu

cầu tính toán chiều cao sóng hsp và hướng sóng tại b ất kỳ điểm p nào trong đê.Gọi hệ số nhiễu xạ là Kđ = hsp / hsi, công thức kinh nghiệm của Viện nghiên cứu khoa học thủy lợi Nam Kinh được sử dụng để tính toán như sau :

- Trường hợp đê mái nghiêng :

Trong vùng che khuất của đê (vùng giữa trục 0 0 ’ và O r trong hình 1-12),

hệ số nhiễu xạ được tính như sau :

Ngoài vùng che khuất hệ số Kd được tính theo :

Kd = 1 - - [e 3 3{Ĩ7L (6 — do) — e 3 a/ r/L (0 + $o)

- Trường hợp đê dạng tường đứng :

Trong vùng che khuất :

nhiễu xạ sau 2 đê lồi Kết quả nghiên

cứu cho thấy, hệ số nhiễu xạ sau 2

đê lồi Kd và hệ số nhiễu xạ sau một

đê lồi Kd có quan hệ như sau :

Như vậy, trong trường hợp khoảng cách cửa giữa 2 đê B lớn hơn hoặc bằng

5 lần chiều dài sóng, hệ số nhiễu xạ có thể tính theo trường hợp 1 đê

1.2.3 Các đặc trưng thống kê của sóng

Phần trước nói đến các đặc trưng sóng, đều coi sóng là sóng quy tắc, có các yếu tố sóng như nhau Nhưng thực tế, sóng là một quá trình ngẫu nhiên Hình 1-14 thể hiện các đường quá trình sóng đo liên tục tại m ột địa điểm xác định Từ hình này ta thấy, các yếu tố sóng có thể tuân theo một quy luật thống kê nào đó, vì vậy cần dùng các đặc trưng thống kê để dự báo sóng

37

Hình 1-15 : Phân bố Royl của chiều cao sóng

Hiện nay, trong thực tế công trình thường sử dụng hai loại giá tiị đặc trưng thống kê của sóng

a) Loại 1 là sử dụng giá trị trung bình chiểu cao của một bộ phận sóng lớn nào đó trong liệt sóng đo đạc Vi dụ :

- Chiều cao sóng trung bình hspị : cộng chiều cao tát cả các sóng liên tục

đo được chia cho tổng số con sóng N, tức là :

hspj — (hsi ■+■ ha + hs3 "t ■+■ hsN) — 2 hsi (1-32)

- Chiều cao của 1/3 sóng lớn hsi /3 : (còn gọi là sóng có ý nghĩa)

Sắp xếp chiều cao các con sóng đo được theo thứ tự lớn đến bé, trích ra N/3 con sóng đếm từ trên xuống, tính trị số trung bình của chiều cao số

b) Loại hai là sử dụng chiều cao sóng tằn suất lũy tích hp%.

Các giá trị đặc trưng thống kê của chiều cao sóng ở hai loại trên có ý nghĩa khác nhau, không thể lẫn lộn, nhưng giữa chúng có một mối quan hệ với nhau,

có t h ể t í n h đổi Ví dụ hsi/10 = hs4%, hsi/3 = hsi3%.

Ỏ vùng biển sâu, quan hệ giữa các trị số đặc trưng và trị số trung bình của chiều cao sóng có thể tính toán theo xác xuất phân bố Royl

Ỏ vùng biển nông, có thể tham khảo số liệu kinh nghiệm sau đây :

1.2.4 Tính toán các yếu tố sống do gió

Sóng có ảnh hưởng rất lớn đến diễn biến vùng cửa sông, ven biển, đến chuyển động bùn cát, và là yếu tố rất quan trọng khi thiết kế công trình vùng này Vì vậy tính toán để dự báo một cách chính xác kịp thời các yếu tố sóng

39

có một ý nghĩa thực tế quan trọng Phương pháp tính toán các yếu tố sóng hiện nay có thể quy về ba loại cơ bản : phương pháp kinh nghiệm, phương pháp năng lượng và phương pháp phổ.

- Phương pháp kinh nghiệm : Là dựa vào tài liệu quan trắc sóng và gió,

dùng phương pháp thống kê toán lý, xác lập quan hệ giữa các yếu tố sóng và các yếu tố gió Sử dụng các quan hê này, chỉ cần biết yếu tố gió sẽ dự báo được các yếu tố sóng tương ứng

- Phương pháp năng lượng : Cho rằng sóng nhận được năng lượng từ gió,

đồng thời lại tiêu hao năng lượng vì sức cản ma sát Khi năng lượng thu được lớn hơn năng lượng tiêu hao, sóng gió sẽ tăng trưởng Ngược lại, sóng sẽ suy yếu Vì vậy có thể xây dựng phương trình cân bằng năng lượng, thông qua phương pháp toán học, xác lập biểu đồ quan hệ giữa gió và sóng, sau đó sử dụng những biểu đồ đó để dự báo

- Phương pháp phổ - Coi sóng thực tế gồm rấ t nhiều sóng hình sin có biên

độ không bằng nhau, có tần suất và phương khác nhau, sắp xếp lộn xộn chồng lên nhau mà thành Tổng năng lượng của các sóng thành phần tạo nên tổng năng lượng của sóng Năng lượng này phân bố theo tần suất của các sóng thành phần Nếu tìm ra dược quy luật phân bố năng lượng này thì có thể căn

cứ vào quan hệ giữa phổ và các yếu tố sóng để dự báo các yếu tố sóng.Tuy có rấ t nhiều phương pháp tính toán yếu tố sóng, nhưng trong quá trình suy diễn và sử dụng đều phải xử lý có tính chất kinh nghiệm, vì vậy phần lớn đều thuộc loại phương pháp bán kinh nghiệm, bán lý thuyết Sau đây chỉ giới thiệu một số phương pháp đơn giản

a) Nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển của sóng do gió :

Qua phân tích ta thấy các yếu tố sóng phụ thuộc vào : vận tốc gió Wio, thời gian gió thổi t và đà gió F Ỏ vùng nước nông, sóng còn phụ thuộc vào

độ sâu H, hình thái đường bờ, tình trạng nhám đáy biển

Cần chú ý, vận tốc gió để tính toán sóng đều thống nhất lấy trị số ở độ cao lOm so với m ặt nước Nếu số liệu không phải ở độ cao này thì cần tính đổi, hệ số tính đổi K có thể sử dụng bảng sau :

Bảng 2 Khoảng cách giữa máy đo

Khoảng cách giữa máy

0,96 0,95 0,94 0,93 0,92 0,91 0,90 0,89

Trong thời gian gió thổi thiết kế, nếu vận tốc gió liên tục tăng lên, vận tốc gió thiết kế trong thời gian gió thổi được tính toán như sau :

Nếu vận tốc gió liên tục giảm xuống, thì vận tốc gió thiết kế là :

trong đó : Wi là vận tốc gió đầu thời kỳ gió thổi,

w 2 là vận tốc gió cuối thời kỳ gió thổi

Đà gió được xác định tùy theo tình hình thực tế ở địa điểm dự báo Nếu địa điểm dự báo là vùng nước thu hẹp thì có thể lấy gần đúng đà gió bằng 5 lần chiều rộng ở mặt cắt thu hẹp B Trong vùng nước hẹp, nên dùng đà gió hữu hiệu Fc để tính toán Fc được xác định theo phương pháp đồ giải như hình 1-16 thể hiện

Trước hết từ vị trí dự báo vẽ một đường thẳng theo phương gió chính (tia

xạ chính) Đường này i = 0, a = 0° Tiếp theo trong phạm vi ± 45° của 2 phía tia xạ chính, cứ cách 7,5° vẽ một tia xạ, góc của chúng a-ị = 7,5i, khoảng

cách đến bờ trên gió là Fị Đà gió hữu hiệu là trị số trung bình của tất cả hình chiếu của các trị số Fi lên tia xạ chính.

b) Các trạng thái khác nhau của sự phát triển sóng do gió

Dưới tác dụng của vận tốc gió Wio, nếu có thời gian gió thổi và đà gió đủ dài, tức sóng có thể phát triển đẩy đủ, và sự biến hóa dọc đường của các yếu

tố trung bình của sóng gió được thể hiện bằng đường cong o AB trên hình 1-17.Nếu thời gian gió thổi t > tm, đà gió F > Fm thì sóng đã phát triển đầy

đủ, cho dù t, F có tăng lên nữa thì sóng cũng không tăng thêm, vì vậy tm và

Fm là thời gian gió thổi giới hạn và đà gió giới hạn

Hình 1-17 : Các trạng thái phát triền

của sóng gió

41