Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SWAN tính toán và dự báo sóng phục vụ thiết kế công trình cảng đường thủy

Trang 1

hey buna BO GIAO DUC VA BAO TAO

TRUONG DAI HOC XAY DUNG

BAO CAO TONG KET

DE TAI KHOA HOC CONG NGHE CAP TRUONG TRONG DIEM

(Báo cáo chỉnh sửa sau đánh giá nghiệm thu cấp Trường)

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MÃ NGUÒN MỞ SWAN TINH TOAN VA DU BAO SONG PHUC VU THIET KE

CONG TRINH CANG - DUONG THUY

Mã số: 117-2012/KHXD-TĐ

CHU NHIEM DE TAI: THS NGUYEN THI HAI LY

SWAN | WEEE Srviating Waves Nearshore

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

BAO CAO TONG KET

DE TAI KHOA HOC CONG NGHE CAP TRUONG TRONG DIEM (Báo cáo chỉnh sửa sau đánh giá nghiệm thu cấp Trường)

NGHIEN CUU UNG DUNG MO HiNH MA NGUON MO SWAN TINH TOAN VA DU BAO SONG PHUC VU THIET KE

Trang 3

117-2012/KHXD-TD

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SWAN tính toán và dự báo sống Báo cáo tổng kết đề tài

phục vụ thiết kế công trình Cảng - Đường thủy Báo cáo: Đề tài: Mã sô: Chủ trì: Đơn vị chủ trì: Số hiệu văn bản:

Báo cáo tông kết đề tài

(Báo cáo chỉnh sửa sau đánh giá nghiệm thu cấp Trường) Đề tài KHCN cấp Trường trọng điểm năm 2012:

Trang 4

117-2012/KHXD-TD

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SWAN tính toán và dự báo sóng Báo cáo tổng kết để tài

phục vụ thiết kế công trình Cảng - Đường thủy

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU .222552SSSSEEE2221181122

THÔNG TIN KÉT QUẢ NGHIÊN CỨU :

CHƯƠNGU MỠ ĐẦU Si keo SG

Ả`NGK 6 ẽ 10

0.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ccccc2S2222222122121T11ne 11

0.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của để tài -222222222222221 2 EEEEEnnnnne 11

0.4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu của đề tài 2sssonnEEEEEEE 12

0.5 Nội dung nghién cttu otha dé ti .cccccccccssssssssssssccescesssssessessssessssesssssssseeseeeecesse 12 CHUONG 1 TONG QUAN CAC PHUONG PHAP TINH SONG VA CAC MO HÌNH

MƠ PHỎNG TRƯỜNG SÓNG 2.21

1.1 Tổng quan về các phương pháp tính sóng hiện nay trên Thế giới và ở Việt Nam 14

1.2 Tổng quan về các mơ hình tốn mơ phỏng trường sóng hiện nay trên Thế giới và ở

và === N Ô 17

CHƯƠNG 2 _ GIỚI THIỆU VỀ MƠ HÌNH SWAN TÍNH TỐN SĨNG 21 2.1 Lịch sử phát triển của m6 hinh SWAN uu.ssssssssssssssssssssssssssssssssssssssssessssessececccccece 22

2.2 Tính nding cita m6 hinh oan sessssssssssssssssessssssssssecsssssssssssssssscessssssssssseceesssseceeceecece 23

2.3 Hạn chế của m6 hinh .ccsscssssssssssssssssssssssessssossssesesssssssssssssuussasineeeessssseeseecece 24 24

2.5 Đặc điểm sử dụng mô hình SWAN tính sóng

CHƯƠNG3 ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ TIN CẬY VÀ ĐÈ XUẤT QUY TRÌNH SỬ DỰNG MO HiNH MA NGUON MG SWAN TINH TOAN SONG

` a.a

3.2 Thâm định SWAN từ các chuyên gia phát triển mô hình

3.3 Các công trình ứng dụng mô hình SWAN trên Thế giới và ở Việt Nam 47

3.4 Quy trình sử dụng mô hình mã nguồn mở SWAN tính toán SÓNE 52

3.5 Một số lưu ý khi cài đặt và sử dụng mô hình SWAN tính sóng 56

CHUONG 4 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SWAN TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG BÃO KHU VỰC VỊNH GÀNH RÁI 223 22222 2222E251011100118 556 59

4.1 _ Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu - vịnh Gành Rái - s- ssss

4.2 Số liệu đầu vào và các kịch bản tính toán sóng khu vực vịnh Gành Rai

Trang 5

117-2012/KHXD-TĐ

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mé SWAN tính toán và dự báo sóng 'Báo cáo tổng kết đề tài

4.5 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình .2 ++c++22E22++etEE222252222222222225ce2 66 4.6 Kết quả tính toán trường sóng vịnh Gành Rái -¿-22222cczsttEEEEESsssea 66 4.7 Đánh giá, nhận xét kết quả -+©©+++e+EEEEEeSEE238122156122225222222sese 68 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ 22-©2CCEEEEE+++EreeSEE21221211212223222222212125555ecse2 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 74

MINH CHUNG VE SAN PHAM CUA DE TAL csssssssssssssssssssssssssssssssesesssssssssesssssssssee 75 BẢN SAO THUYÉT MINH ĐÈ TÀI ĐÃ ĐƯỢC PHÊ DUYỆPT 76

Phiên bản: 2 Sa Trang 5 | 76

Trang 6

117-2012/KHXD-TĐ

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SWAN tính toán và dự báo sóng Báo cáo tông kết đề tài

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Khu vực xáo trộn trong lưới tính toán do lỗi tại điều kiện biên 35

Hình 3.1 Quy trình sử dụng mô hình SWAN tính toán sóng - - -«s<s« 53 i1: SE ấu,Ay E0 TỶ“ 60

Hình 4.2 Bản đồ vệ tỉnh khu vực vịnh Gành Rái c-cccccccccccceeeeerree 60 Hình 4.3 Số liệu địa hình GEBCO cho khu vực biển DONG vssesssrssessecessevecesvssressvssesees 62 Hình 4.4 Hải đồ khu vực vịnh Gành Rái 2© ©+©+Svvtverxverrtrrrrrtrrrrrrree 62 Hình 4.5 Đường đi một số cơn bão có ảnh hưởng đến khu vực vịnh Gành Rái 64

Hình 4.6 Đường tần suất Weibull chiều cao sóng nước sâu ngoài khơi vịnh Gành Rái — 64

Hình 4.7 Mô phỏng địa hình khu vực nghiên cứu -. + + c+s+s+e+esexsxsxer+ 65 Hình 4.8 So sánh kết quả tính toán và đo đạc (chiều cao, chu kỳ và hướng sóng) 66

Hình 4.9 Kết quả tính sóng khu vực vịnh Gành Rái, hướng NE - 67

Hình 4.10 Kết quả tính sóng khu vực vịnh Gành Rái, hướng SE . - 67

Hình 4.11 Kết qua tính sóng khu vực vịnh Gành Rái, hướng § - 68

Trang 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

THÔNG TIN KÉT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SWAN tính toán và dự báo sóng phục vụ thiết kế công trình Cảng - Đường thủy

Mã số: 117-2012/KHXD-TĐ

Chủ nhiệm: ThS Nguyễn Thị Hải Lý

Thời gian thực hiện: từ tháng 3/2012 đến tháng 12/2012 2 Mục tiêu: Làm rõ cơ sở lý thuyết, điều kiện áp dụng, độ tin cậy của mô hình SWAN để từ đó làm chủ được mô hình Đề xuất được quy trình khai thác, sử dụng mô hình SWAN phục vụ tính toán sóng 3 Tính mới và sáng tạo:

Đối tượng nghiên cứu là mô hình (mã) nguồn mở SWAN với phiên bản mới nhất 40.91 trong đó cập nhật cơ sở lý thuyết và bổ sung đánh giá độ tin cậy, quy trình sử dụng của mô hình so với các tài liệu hiện có hiện nay (do trường Ì ĐH KHTN - ĐHQG Hà Nội nghiên cứu)

Đề tài cung cấp thêm cho người đọc một số hiểu biết về phương thức đánh giá độ tin cậy, quy trình sử dụng mơ hình tốn nói chung và mô hình SWAN nói riêng trong nghiên cứu sóng phục vụ thiết kế công trình Cảng - Đường thủy

4 Kết quả nghiên cứu:

Đề tài đã tổng hợp những vấn đề cơ bản về sóng do gió, phương pháp tính sóng, mơ hình tính tốn mô phỏng trường sóng liên quan đến vấn đề kỹ thuật của thiết kế công trình Cảng - Đường thủy được giới thiệu trong các tài liệu chuyên ngành mới nhất hiện nay (CIRIA C683 - Rock Manual, CEM 2008)

Đề tài đã giới thiệu cơ sở lý thuyết, đánh giá độ tin cậy và quy trình sử dụng mô hình (mã) nguồn mở SWAN trong tính toán và dự báo sóng

Đề tai đã ứng dụng mô hình SWAN tính toán truyền sóng cho khu vực vịnh Gành Rái, Việt ú Nam Kết quả kiểm định và tính toán cho thấy mô hình đảm bảo độ tin cậy và đáp ứng tốt các yêu cầu cơ bản về tính sóng cho khu vực này

5 Sản phẩm:

Bộ báo cáo khoa học gồm: Báo cáo tổng kết, Báo cáo tóm tắt, 04 báo cáo chuyên đẻ

Hỗ trợ 01 học viên cao học thực hiện luận văn Thạc sy Dang ky 01 bai bao trén tap chi Shaye ngành

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

về giáo dục: hỗ trợ đào tạo Thạc sỹ (01 học viên cao học) và nâng cao đào tạo Dai hoc trong các môn học: Đê chắn sóng và công trình chỉnh trị, Chỉnh trị cửa sông ven biển, Công trình Đường thủy của ngành XD Cảng - Đường thủy, Tin học Xây dựng

Vé kinh.tế - xã hội: giúp Bộ môn XD Cảng - Đường thủy, trường ĐH Xây dựng làm chủ được mô hình mã nguôn mở SWAN, từ đó mở ra hướng nghiên cứu mới và mở rộng công tác đào tạo, nghiên cứu và tư vấn | trong lĩnh vực XD Cảng - Đường thủy của Bộ môn trong điều kiện hạn chế kinh phí và các vấn đề liên quan đến bản quyền các phần mềm thương mại

Ngày thang nam 2013

Chủ nhiệm đề tài

CC

eo 5

Trang 8

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

- Project title: Research on applying model SWAN for calculation and prediction of wave in Ports and Waterways projects

- Code number: 117-2012/KHXD-TD - Coordinator: Me Ly, N.T.H

- Duration: from March, 2012 to December, 2012

2 Objective(s):

To clarify the basis of theory, the applying conditions and the reliability of model SWAN To propose the procedure of implementation and utilization of SWAN

3 Creativeness and innovativeness:

The latest version 40.91 of model SWAN was used with updating information of theory and supplementing of reliability assessment and implementation procedures when comparing to the existing documents related to SWAN (prepared by Hanoi University of Science - Hanoi

VNU)

The project also provides knowledge of reliability assessment methods and implementation process of numerical models in general as well as model SWAN in particular for Ports and Waterways projects

4 Research results:

The project has synthesized the basic issues of wind-induced wave, methods for wave simulation related to technical issues of designing in Ports and Waterways projects introduced in latest specialized materials such as CIRIA C683 - Rock Manual and CEM 2008

The basis of theory, the reliability assessment and the procedure of implementation and utilization of model SWAN have been indicated in the project

Applying SWAN in wave simulation of Ganh Rai bay in Vietnam has been implemented in the project The results of validation and calculation show that the reliability and the applicability of the model are suitable for waves in this area

5 Products:

Project documents including General Report, Summary Report, 04 Detailed Report Supporting 01 master student in his thesis

01 article in a professional journal

6 Effects, transfer alternatives of research results and applicability:

Concerning education issue: to support 01 master student in his thesis preparing and to improve training in the Hanoi University of Civil Engineering of several subjects such as

Breakwater and Regulation works, Estuarine and Coastal works, Waterways

Trang 9

117-2012/KHXD-TĐ

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SW AN tính toán và dự báo sóng Báo cáo tổng kết đề tài

Trang 10

0.1

117-2012/KHXD-TĐ

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SWAN tính toán và dự báo sóng Báo cáo tổng kết đề tài

Đặt vấn đề

Trong bài toán quy hoạch, thiết kế công trình biển và công trình cửa sơng ven biển, ngồi các tải trọng và tác động thông thường như các công trình thủy công khác, người kỹ sư cần phải tính toán đến một tác động liên quan đến yếu tố biển là sóng biển Sóng là một trong những yếu tố độc lực biển quan trọng, có vai trò quyết định đến sự ổn định và hiệu quả của công trình ven biển, đặc biệt là đối với các công trình có tính chất bảo vệ như công trình đê biển, công trình đê chắn sóng, công trình bảo vệ bờ biển và hải đảo, do những công trình này liên quan đến tính mạng con người và các công trình cơ sở hạ tầng khác

Hiện nay lý thuyết nghiên cứu sóng đã có những tiến bộ vượt bậc, xuất hiện nhiều phương pháp tính toán sóng khác nhau Trong nghiên cứu và thiết kế công trình, mô hình toán thường được áp dụng để nghiên cứu các quá trình động lực sóng và các kết quả nghiên cứu về sóng đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc quyết định lựa chọn quy mô và giải pháp kỹ thuật Nhờ khả năng mô phỏng các quá trình lan truyền sóng

phức tạp, tốc độ tính toán, độ hữu hiệu và tính linh hoạt cao cho nên ngày nay mơ hình

tốn đã trở thành một công cụ được sử dụng trong nghiên cứu và thiết kế các công trình biển Ngồi việc mơ phỏng và xác định chế độ sóng tại khu vực xây dựng, các

thông số thiết kế và dự báo xu thế, mơ hình tốn đặc biệt hiệu dụng trong việc so sánh

lựa chọn giải pháp công trình và phương án mặt bằng bố trí công trình hợp lý thông qua việc tính toán, xem xét tác động ảnh hưởng của chúng đến chế độ thuỷ lực và quá trình vận chuyền bùn cát tại khu vực nghiên cứu

Hiện nay ở trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng đang sử dụng rất nhiều loại mơ hình tốn tính sóng, cả loại mô hình toán 1 chiều (1D), hai chiều (2D) Trong đó

mô hình toán hai chiều (2D) là được sử dụng rộng rãi hơn cả vì tính tiện ích và khả

năng mô phỏng tương đối chính xác của nó như MIKE (Đan Mạch), SWAN (Hà Lan), WAVEWATCH II, WAM, STPWAVE, RCPWA VE (Mỹ) TELEMAC (Pháp), Trong nước, việc ứng dụng các mô hình tính toán sóng chủ yếu được thực hiện tại các

Viện nghiên cứu hoặc các đơn vị tư vấn quy mô lớn, là các đơn vị được đầu tư lớn về kinh phí để mua bản quyền phần mềm Việc ứng dụng mơ hình tốn tính sóng phục vụ

thiết kế công trình Cảng - Đường thủy ở Việt Nam đã được triển khai trong những

năm gần đây, với mô hình tính sóng phổ biến MIKE 21 SW của Viện thủy lực Đan

Mạch Một trong những hạn chế lớn nhất của các phần mềm thương mại là giá bản

quyền cao, vì vậy chỉ có một bộ phận nhỏ các đơn vị nghiên cứu và tư vấn mới có thể tiếp cận được Các mô hình khác hoặc cũng có chi phí bản quyền sử dụng khá cao,

hoặc khai thác miễn phí ở dạng phần mềm mã nguồn mở Các phần mềm mã nguồn mở không yêu cầu chỉ phí bản quyền nhưng lại khó tiếp cận và sử dụng do yêu cầu

PP

Phiên bản: 2 Ệ Trang 10 | 76

Trang 11

0.2

0.3

117-2012/KHXD-TĐ

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã ngn mở SWAN tính tốn và dự báo sóng Báo cáo tông kết đề tài

người sử dụng ngoài kiến thức chung về lập trình còn phải rất am hiểu về kiến thức chuyên môn mà các phần mềm này yêu cầu

Mô hình SWAN của Hà Lan hiện được ứng dụng khá rộng rãi trên Thế giới và đã được một số đơn vị trong nước nghiên cứu như Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, trường Đại học Thủy lợi, trường Đại học Khoa học Tự nhiên nhưng nội dung nghiên cứu chưa có tính ứng dụng cao trong lĩnh vực xây dựng Cảng - Đường thủy do chủ yếu tập trung vào nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán ví dụ cho các công trình phi thực

tẾ

Vì vậy, việc nghiên cứu dựa trên các phần mềm mã nguồn mở hiện đang là xu thế trong nghiên cứu các vấn đề ky thuật ở Việt Nam và trên Thế giới Việc nghiên cứu tìm hiểu và làm chủ các phần mềm dạng này nói chung, phần mềm mã nguồn mở tính sóng SWAN nói riêng sẽ có ý nghĩa rất lớn trong công tác nghiên cứu, giảng dạy tại trường Đại học cũng như công tác phục vụ sản xuất của các công ty tư vấn về các lĩnh vực liên quan đến động lực sông biển, trong đó có chuyên ngành xây dựng công trình Cảng - Đường thủy Do vậy, ý nghĩa thực tiễn chính của đề tài này là nhằm làm chủ được một phần mềm mã nguồn mở có độ tin cậy cao để giảm thiểu chỉ phí khai thác

mơ hình tốn trong nghiên cứu và thiết kế công trình Cảng - Đường thủy Từ đó nâng

cao khả năng nghiên cứu và tư vấn trong công cuộc phòng chống thiên tai và khai thác

tiềm năng kinh tế biển một cách có hiệu quả

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài được thực hiện nhằm các mục tiêu sau:

-_ Làm rõ cơ sở lý thuyết, điều kiện áp dụng, độ tin cậy của mô hình SWAN để từ

đó làm chủ được mô hình

-_ Đề xuất được quy trình khai thác, sử dụng mô hình SWAN phục vụ tính toán song

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu: mô hình mô phỏng trường sóng SWAN - Simulating WAves Nearshore - do trường Đại học TU Delft (Delft University of Technology) - Hà Lan nghiên cứu xây dựng và phát triển

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu về cơ sở lý thuyết, điều kiện áp dụng, độ tin cậy của mô hình SWAN và áp dụng mô hình dé tính vi dụ về trường sóng cho một khu vực (vịnh Gành Rái hoặc khu vực bờ biển Nam Trung Bộ)

W1

Phiên bản: 2 $ x Trang 11 |76

Trang 12

0.4

0.5

117-2012/KHXD-TD

Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu của đề tài

Cách tiếp cận: từ cơ sở lý thuyết của mô hình SWAN, kinh nghiệm làm việc và các kết

quả nghiên cứu đã có trong và ngoài nước cộng với việc học hỏi kinh nghiệm và ý

tưởng của các chuyên gia nước ngoài, nhóm tác giả sẽ tiến hành nghiên cứu chuyên

sâu để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra

Phương pháp nghiên cứu: phương pháp mô hình tốn, sử dụng mơ hình mô phỏng SWAN

Nội dung nghiên cứu của đề tài

Đề tài được tiến hành với 4 nội dung chính thể hiện trong 4 chuyên đề như sau:

Chuyên đề 1: Tổng quan các phương pháp tính sóng và các mô hình mô phỏng trường sóng

- _ Tổng quan về các phương pháp tính sóng trên Thế giới và ở Việt Nam

-_ Tổng quan về các mơ hình tính tốn mơ phỏng trường sóng trên Thế giới và ở Việt Nam Chuyên đề 2: Giới thiệu về mô hình mã nguồn mé SWAN va co sé lý thuyết của mô hình SWAN tính toán sóng -_ Giới thiệu về mô hình SWAN - _ Các phương trình cơ bản

- _ Các điều kiện của mô hình: điều kiện biên, điều kiện ban đầu -_ Số liệu đầu vào và số liệu xuất ra của mô hình

- - Đặc điểm của mô hình

Chuyên đề 3: Đánh giá mức độ tin cậy của mô hình SWAN tính toán sóng và đề

xuất quy trình sử dụng mô hình mã nguồn mở SW/AN tính toán sóng

Chuyên đề 4: Nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAN tính toán trường sóng

-._ Tính toán ví dụ cho khu vực vịnh Gành Rái thuộc bờ biển Đông Nam Bộ - _ Đánh giá kết quả tính toán

Nội dung chỉ tiết xem trong 4 báo cáo chuyên đề của đề tài Báo cáo tổng kết này chỉ trình bày những kết quả nghiên cứu cơ bản nhất của đề tài

AY DYING

Phién ban: 2 shy Trang 12] 76

Trang 13

117-2012/KHXD-TĐ

Trang 14

1.1

117-2012/KHXD-TD

Tổng quan về các phương pháp tính sóng hiện nay trên Thế giới và ở Việt Nam Những vấn đề cơ bản về sóng do gió liên quan đến vấn đề kỹ thuật của thiết kế công trình Cảng - Đường thủy như đặc trưng sóng, phổ sóng, phân vùng sóng, được giới thiệu chỉ tiết trong mục 3 chuyên đề 1 của đề tài, không trình bày trong báo cáo tổng kết này Đây là những vấn đề lý thuyết được giới thiệu trong các tài liệu chuyên ngành mới nhất của châu Âu và Mỹ (CIRIA C683 - Rock Manual, CEM 2008) Dưới đây chỉ đề cập đến những vấn đề chung nhất về phương pháp tính sóng, trong đó có phương pháp mơ hình tốn để mô phỏng trường sóng thường dùng hiện nay

Hiện nay, về phương thức tính toán sóng có 3 loại:

a Phương pháp tính toán dựa theo số liệu thực đo

Đây là phương pháp dựa trên các công thức kinh nghiệm, các biểu đồ, bảng biểu đã lập sẵn theo các chuỗi số liệu thực đo hoặc thí nghiệm để từ đó tìm ra quy luật thống kê và xu thế phát triển của chế độ sóng trong khu vực

Các công thức kinh nghiệm tính toán các yếu tố sóng có rất nhiều như của L.P Titôp, của SMB (Srertrup - Mank - Bretschneider), của Suleikin, của Pierson - Rayman - James, của Krưlov v v Các nghiên cứu theo các công thức kinh nghiệm xem thêm trong phần tổng quan về sóng do gió, mục 3, chuyên đề 1 của đề tài

Ở Việt Nam thường sử dụng các biểu đồ của Hindcast, của WMO, các biểu đồ của Krưlov được đưa vào tiêu chuẩn ngành của Bộ Giao thông vận tải 22TCN 222-95, Ưu điểm của phương pháp này là không bị hạn chế bởi điều kiện biến đổi dần của

sóng và dòng chảy Ngoài ra phương pháp này đảm bảo tính 3 chiều của đối tượng nghiên cứu

Nhược điểm lớn nhất của phương pháp nay là chỉ thích hợp cho việc nghiên cứu các quá trình diễn biến trong điều kiện đã có tiền lệ trong quá khứ, khơng thể hồn tồn dựa vào nó để dự báo tác động của các công trình trong tương lai Ngoài ra, trong điều kiện số liệu thực đo hoặc quá ít, hoặc không đồng bộ thì sử dụng phương pháp này sẽ không đủ tin cậy Trong khi đó, trong điều kiện của nước ta hiện nay, các số liệu về động lực sông, biển nói chung, số liệu về chế độ sóng tại các vùng biển nói riêng Ở nước ta còn thiếu nhiều (tập trung ở một số các trạm hải văn quốc gia), còn yếu (do trang thiết bị đo đạc, do kinh nghiệm và khả năng của cán bộ đo đạc, cán bộ xử lý số liệu), không liên tục (một số khu vực chỉ đo đạc trong những khoảng thời gian ngắn),

không dài (nhiều trạm hải văn mới có số liệu liên tục những năm gần đây, sau 1975),

Trang 15

117-2012/KHXD-TĐ

phục vụ thiết kế công trình Càng - Đường thủy

Vì thế, việc áp dụng phương pháp nghiên cứu hoàn toàn dựa trên số liệu thực đo ở nước ta vẫn tồn tại nhiều bất cập, trong đó độ tin cậy chưa cao là vấn đề lớn nhất và thường chỉ áp dụng cho những khu vực riêng lẻ cụ thể Tuy nhiên, phương pháp này sẽ là công cụ đắc lực và cần thiết khi áp dụng vào các công tác có tính chất kiểm định, kiểm chứng tính chính xác và độ tin cậy của các phương pháp khác hoặc áp dụng vào những công trình quy mô nhỏ, những công trình không có đủ điều kiện để áp dụng các phương pháp đòi hỏi cơ sở vật chất tốt, trình độ chuyên môn cao như phương pháp mơ hình tốn, mơ hình vật lý

b Phương pháp mô hình vật lý

Phương pháp này thực hiện bằng cách thu nhỏ vùng nghiên cứu vào trong một khu vực có các trang thiết bị thí nghiệm, tái diễn chế độ sóng trong thiên nhiên theo các định luật tương tự, để từ đó quan sát, đo đạc, và từ các số liệu đo đạc tìm ra các vấn đề cần nghiên cứu trong khu vực quan tâm

Cũng giống như phương pháp dựa trên số liệu thực đo, phương pháp mô hình vật lý có ưu điểm là không bị hạn chế bởi điều kiện biến đổi dần của sóng và dòng chảy, có thể nghiên cứu theo khơng gian 3 chiều Ngồi ra, phương pháp này không những tái hiện các hình ảnh trong quá khứ mà còn có thể nghiên cứu diễn biến trong tương lai theo các kịch bản mà người thiết kế mong muốn với độ tin cậy khá cao

Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của phương pháp nghiên cứu này là rất khó thỏa mãn các điều kiện tương tự, nhất là tương tự về bùn cát Chính vì thế, khi áp dụng phương pháp này phải chấp nhận những sai lệch giữa nguyên hình (thực tế) và mô hình (tái tạo) Ngoài ra, phương pháp này cũng đòi hỏi và yêu cầu người xây dựng mô hình, người thí nghiệm và người xử lý số liệu phải có kinh nghiệm, có trình độ chuyên môn cao Chi phí cho việc xây dựng, thí nghiệm mô hình cũng rất lớn nên đây là phương pháp có kinh phí tương đối cao, chiếm tỷ trọng lớn trong chỉ phí thiết kế công trình Phương pháp này cũng mắt nhiều thời gian cho việc xây dựng mô hình, chạy mô hình và xử lý số liệu thí nghiệm Vì thế, phương pháp này không cho phép thay đổi quá nhiều các kịch bản nghiên cứu và không phù hợp cho các công trình quy mô nhỏ, kinh phí đầu tư thấp

Việc áp dụng mô hình vật lý được ứng dụng khá phổ biến trong nghiên cứu động lực sông, biển nói chung và nghiên cứu sóng nói riêng Phương thức nghiên cứu này bổ trợ thêm cho các nghiên cứu lý thuyết khác, tạo nên sản phẩm là các công thức bán kinh nghiệm hoặc bán lý thuyết Phương thức nghiên cứu này cũng có thể đưa ra được các số liệu thí nghiệm, làm cơ sở để tính toán trực tiếp các yếu tố sóng theo yêu câu

Wy oyna

Phién ban: 2 gh Trang 15 |76

Trang 16

117-2012/KHXD-TĐ

Mô hình vật lý nghiên cứu sóng có thể sử dụng như mô hình để kiểm nghiệm mơ hình

tốn tính tốn sóng, ví dụ như sóng truyền từ khu vực gần bờ đến công trình Với mục đích này, mô hình vật lý có thể dùng để dự kiến tỷ lệ mô hình mẫu hoặc kiểm định kết quả từ mô hình tốn

Phương pháp này dựa vào các hệ phương trình thích hợp cho chế độ sóng trong khu

vực nghiên cứu, xác định các điều kiện biên, điều kiện ban đầu hợp lý, tìm các lời giải

giải tích hoặc lời giải số trị cho các vấn đề nghiên cứu

Ưu điểm của phương pháp mô hình tốn là cho phép mơ tả cả diễn biến trong quá khứ và diễn biến trong tương lai với những điều kiện thay đổi tùy ý theo mong muốn của người nghiên cứu Phương pháp này cho lời giải nhanh, linh hoạt, thời gian nghiên cứu ngắn và kinh phí không cao, chủ yếu là chỉ phí cho việc thu thập số liệu và chỉ phí bản

quyền mơ hình tính tốn (nếu có)

Nhược điểm lớn nhất của phương pháp mô hình toán là sử dụng các phương trình tốn học để mơ tả hiện tượng nhưng các phương trình này thực sự chưa thật sát với điều kiện thiên nhiên Độ tin cậy của kết quả nghiên | cứu theo phương pháp này phụ thuộc

rất nhiều vào chất lượng và số lượng của các số liệu đầu vào, điều kiện biên của mô

hình

Phương pháp cũng yêu cầu người xây dựng mô hình, người thực hành và người xử lý số liệu có phải có kinh nghiệm và có trình độ chuyên môn khá cao Người chạy mô hình tốn ngồi những hiểu biết cơ bản về mô hình toán sử dụng còn phải có những am hiểu nhất định về lập trình máy tính và đặc biệt phải có chuyên môn sâu về vấn đề động lực sông biển nói chung và ở đây là lý thuyết sóng nói riêng Có như vậy, việc

lựa chọn loại mô hình, miền tính, việc để xuất các kịch bản nghiên cứu, việc lựa chọn

thông số mô hình, việc thiết lập và kiểm nghiệm mô hình, việc xử lý số liệu nghiên cứu mới có thể thực hiện được với thời gian ngắn, biến đổi linh hoạt và số liệu có độ tin cậy

Do tính linh hoạt và chỉ phí thấp với độ tin cậy chấp nhận được, phương pháp mơ hình tốn hiện nay được ứng dụng rất rộng rãi để nghiên cứu các vấn đề động lực sông biển nói chung và nghiên cứu chế độ sóng nói riêng phục vụ công tác quy hoạch tổng thể công trình và làm số liệu tham khảo cho thiết kế

Ngoài chỉ phí cho thu thập số liệu đầu vào như các phương pháp khác, phương pháp mô hình toán cũng có thêm chỉ phí về bản quyền nếu sử dụng các mô hình thương mại Chi phi nay thường bắt buộc phải có nếu sử dụng các mô hình được xây dựng nhằm

Trang 17

1.2

121

117-2012/KHXD-TD

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SW.AN tính toán và dự báo sóng Báo cáo tổng kết đề tài

bao gồm chỉ phí mua phần mềm ban đầu và chỉ phí cho nâng cấp và cập nhật mô hình Tuy nhiên, người sử dụng có thể giảm chỉ phí này để từ đó giảm chỉ phí thiết kế công trình, tăng tính cạnh tranh nếu biết ứng dụng các mô hình phi thương mại với độ chính xác tương đương Các mô hình này cũng rất phù hợp cho các công tác nghiên cứu ban đầu hoặc các công trình chỉ có tính chất nghiên cứu lý thuyết đơn thuần nhằm giảm thiểu các chỉ phí sử dụng Mô hình sóng SWAN sử dụng mã nguồn mở tính toán chế độ sóng là một dạng mô hình như vậy

Hiện nay, mô hình toán thường đã cung cấp đủ những yêu cầu cơ bản cho thiết kế, mô

hình vật lý chủ yếu được đề nghị sử dụng khi nghiên cứu tại những khu vực trước

công trình có địa hình phức tạp có thể dẫn đến những biến động đáng kể về trạng thái biển gần công trình và/hoặc cần phải làm rõ sự tương tác của sóng với công trình (như sóng leo, sóng tràn, xói chân công trình, mắt ổn định của viên đá) Mô hình vật lý cũng thường sử dụng để nghiên cứu sóng nhiễu xạ do hiện tượng này thường bao gồm những tương tác tổng hợp cần nghiên cứu bằng mô hình cụ thẻ Tuy nhiên, do có nhiều

vấn đề thiết kế cần phải tiến hành nghiên cứu nên mơ hình tốn vẫn là lựa chọn kinh tế

hơn Độ chính xác mong muốn vì vậy phải cân nhắc để cân đối với chi phí cho cả mơ hình tốn và mô hình vật lý Hệ số tỷ lệ và tính tương tự cũng cần phải lưu ý khi cân đối chỉ phí sử dụng và khi thiết kế mô hình vật lý nếu sử dụng

Tổng quan về các mô hình hens trường sóng hiện nay trên Thế giới và

ở Việt Nam THƯ VIỆN owes) cÚ

"` TRƯỜNG ĐẠI H oe sue

Giới thiệu chung XÂY DỰNG ve Wn poo" al Ay

Hiện nay, có nhiều mô hì au được dùng dé tính toán trường sóng Việc

lựa chọn mô hình nào sẽ được dùng để tính toán, phụ thuộc vào các yếu tố động lực tại

chỗ như điều kiện khí tượng thuỷ văn, sóng, dòng chảy, thuỷ triều cũng như các yếu tố hình thái như địa hình khu vực, độ dốc đáy v.v Một số phần mềm máy tính hiện đại và các tài liệu nghiên cứu đã công bố trong và ngoài nước như Cẩm nang bảo vệ

bờ (SPM, Shore Protection Manual 1984) của Trung tâm nghiên cứu công trình ven

biển, Bộ Quốc phòng Mỹ Cụ thể là phần mềm ACES ver 1.06 (1992) được dùng để tính toán các đặc trưng sóng nước sâu từ số liệu gió bão Các đặc trưng này được lấy làm đầu vàơ cho một mô hình thứ hai, mô hình Truyền song tuyén tinh RCPWAVE (1986) kết hợp hiệu ứng khúc xa - nhiễu xạ nhằm tính truyền sóng nước sâu vào khu vực nghiên cứu

Ngoài ra, một số mơ hình tốn nổi tiếng hiện nay như MIKE - Viện khoa học Thủy lực Dan mạch DHI, DELFT - Trường Đại học công nghệ TuDelft Hà Lan, SOBEK - Viện

khoa học Deltares Hà Lan cũng có những modul riêng phục vụ cho tính toán sóng như MIKE 21 SW, DELFT Đây là các mô hình thương mại được bán với giá thành khá

tạm

Phiên bản: 2 gh Trang 17| 76

Trang 18

1.2.2

117-2012/KHXD-TĐ

cao bao gồm chỉ phí mua phần mềm và chuyển giao công nghệ ban đầu, chỉ phí cập nhật và nâng câp mô hình hàng kỳ, chỉ phí bản quyền theo thời gian hoặc bản quyền

theo công trình

Một số mô hình tính sóng độc lập với độ tin cậy tương đương các mô hình trên như

SWAN - Hà Lan cũng được các cơ sở nghiên cứu trên Thế giới thiết lập và ứng dụng khá phổ biến Đây là các mô hình phi thương mại, thường thiết lập dạng mã nguồn mở, cho phép người dùng tương tác trực tiếp cơ sở dữ liệu của mô hình và người dùng

không phải trả bất kỳ khoản chỉ phí nào cho việc sử dụng mô hình Mô hình được lấy trực tiếp từ mạng Internet và chạy độc lập trong máy tính cá nhân hoặc máy tính mạng

có yêu cầu nhất định về cấu hình may Phân loại mô hình toán tính sóng

Hiện nay có 2 loại mô hình tốn tính sóng chính: mơ hình pha trung bình (phase- averaged model) va m6 hinh chuyén pha (phase-resolving model)

Mô hình pha trung bình thường được biết đến với dang mé hinh phé séng M6 hinh

này giả định khoảng biến đổi các tính chất sóng lớn hơn nhiều so với chiều dài sóng Trong trường hợp này, các giá trị được tính từ một giá trị trung bình ví dụ như năng lượng sóng hoặc phổ (hướng) năng lượng sóng trong một chu kỳ sóng Mô hình này thường dùng để mô tả các hiện tượng vật lý như trường gió đầu vào, tiêu hao năng lượng do sóng bạc đầu và ma sát đáy, sóng khúc xạ và sóng cạn Mô hình này cũng dùng dé xử lý các hiện tượng sóng vỡ do địa hình đáy Khi mô hình được kết hợp với

phổ hướng tần suất đầy đủ (gọi là mô hình sóng thế hệ thứ ba), mô hình có thể tính

toán cho trường hợp dòng năng lượng sóng phi tuyến Mô hình loại này không thích

hợp dé phản ánh các hiện tượng ngắn hạn như sóng nhiễu xạ, sóng phản xạ

Khi bỏ qua hiện tượng sóng nhiễu xạ, phản xạ, có thể sử dụng các mô hình phổ sóng

thế hệ thứ ba như WAM (WAMDI group, 1988), SWAN (Booij, 1999, Ris, 1999), WAVEWATCH (Tolman, 1991, 1996), TOMAWAC (Benoit, 1997) Cac mé hinh nay bao gồm cả mô tả hiện tượng tán xạ sóng vỡ theo quan hệ phi tuyến và cung cấp phổ

hướng sóng đầy đủ và các thông số sóng tổng hợp như chiều cao sóng có ý nghĩa của phổ sóng, H„o và các chu kỳ sóng trung bình, Tm-io, Tọi, Tọa được xác định từ phổ

sóng

Ngồi ra, một số mơ hình phổ đơn giản hơn có thể áp dụng để tính toán cho các trạng

thái tĩnh dựa trên việc đơn giản hóa các hiện tượng vật lý, ví dụ như mô hình HISWA

Trang 19

117-2012/KHXD-TD

(Stive và Dingeman, 1984, Van der Meer, 1990), REPLA (Hamm, 1995), hoic SWAN

1D (Boojj, 1999) mô tả hiện tượng biến đối trường sóng ngẫu nhiên thông qua sự biến

đổi của các thành phần cấu thành sóng đó (sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính hoặc phi tuyến cho trường hợp đáy phẳng) Các mô hình này sẽ cho kết quả các thông số sóng địa phương đối với các dạng thức mặt cắt ngang địa hình bờ biển khác nhau có tính đến sự truyền năng lượng sóng do hiện tượng sóng vỡ

Tắt cả mô hình phổ sóng đều không quy định về số điểm tính dọc theo chiều dài sóng

Bước tính Ax và Ay được chọn phụ thuộc vào các yêu cầu về độ ổn định của mô hình và lưới phân bố của số liệu đầu vào nên lưới tính toán sẽ khá gần với hình thái bờ biển cần mô phỏng Nếu địa hình có nhiều biến đổi (như rãnh đáy, hố xói, ngưỡng cạn), bước tính Ax nên chọn ít nhất bằng một vài lần chiều dài đặc trưng của các vật cản đáy

(theo phương x của phương truyền sóng) Đối với khu vực bờ biển, nên sử dụng các mô hình sử dụng lưới cong phi tuyến (như SWAN) hoặc lưới phần tử hữu hạn phi cấu

trúc (như TOMAWAC) là các mô hình cho phép điều chỉnh lưới hay điều chỉnh đáy

địa hình biến đổi nhanh tại các khu vực cần thiết

Mô hình chuyền pha hay mô hình Boussinesq cô điển sử dụng các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng với mật độ 10-50 khoảng tính cho mỗi bước sóng và

chu kỳ sóng Các phương trình này có thể mô tả khá chính xác sự phát triển của các

sóng đơn trong một chuỗi sóng Vì vậy mô hình này thường khuyến nghị sử dụng cho các trường hợp sóng biến đổi gấp (với khoảng cách tương đương hoặc nhỏ hơn bước sóng) Do đó, mô hình rất thích hợp để tính toán sóng nhiễu xạ và sóng phản xạ Ngoài ra, mô hình vẫn mô phỏng được các hiện tượng sóng khúc xạ và sóng cạn, sóng vỡ do ma sát đáy và do độ sâu nước

Nếu cần phải phản ánh một cách chính xác hiện tượng phi tuyến hoặc phải tính đến

hiện tượng nhiễu xạ và phản xạ thì cần phải áp dụng mô hình chuyền pha phi tuyến dựa trên các phương trình dạng Boussinesq Loại mô hình này đang được chú ý phát triển trong thời gian gần đây và đã có những cải tiến đáng kể nên một số phiên bản

công nghiệp hiện đã có thể áp dụng cho các nghiên cứu thực tế Một số mô hình có thể kế đến như FUNWAVE (Wei, 1995), TRITON (Borsboom, 2001) Tuy nhiên các

mô hình loại này thường yêu cầu phải có tài nguyên máy tính nhiều hơn so với loại mô hình pha truúg bình

Bước lưới tính toán Ax, Ay thường được lấy bằng L/50 dén L/20 và bước thời gian tính cũng phụ thuộc vào độ ổn định mô hình và cũng nằm trong khoảng T/50 đến T/20

Hiện nay mô hình dạng này mới phát triển đến mô hình ID nhưng các mô hình 2D dựa

Trang 20

117-2012/KHXD-TD

Các mô hình trên được ứng dụng như sau:

-_ Để xác định các thông số Sóng nước sâu, có thể sử dụng mô hình phổ sóng (mô

hình thế hệ thứ hai hoặc tốt hơn là mô hình thế hệ thứ ba) Các mô hình này sử

dụng trường gió với miền tính bao trùm khu vực nghiên cứu và đà gió đủ lớn để có thể mô phỏng chính xác các điều kiện khí tượng và hướng sóng đến Dữ liệu về gió có thể lấy từ các số liệu phân tích khí tượng hoặc số liệu đo đạc vệ tỉnh với bước thời gian thường tính là 3 - 6 giờ Cơ sở dữ liệu trên cho các mơ hình tốn tính sóng hiện có sẵn cho rất nhiều khu vực khác nhau trên thế giới

- Dé tinh truyền sóng từ khu vực nước sâu đến chân công trình, cả hai loại mô

hình trên đều có thể sử dụng được phụ thuộc vào độ lớn của miễn tính và hiện

tượng sóng ưu thế cần mô phỏng Nếu cần mô phỏng sóng nhiễu xạ và phản xạ là chính, nên dùng mô hình chuyển pha Các trường hợp khác thông dụng hơn có thể sử dụng mô hình phổ (như mô hình HISWA, SWAN, TOMAWAC )

Các mô hình này đòi hỏi phải có điều kiện biên sóng ở khu vực nước sâu của

mô hình cũng như trường gió trên toàn miễn tính

Hiện nay, một số mô hình nổi tiếng và hiện đại đều có các phiên bản phần mềm tính tốn cả 2 loại mơ hình trên (mô hình phổ và mô hình Boussinesq) Ví dụ như bộ phần mềm MIKE, modul tính sóng có modul MIKE 21 SW (spectral wave) tính sóng theo mô hình phổ và modul MIKE 21 BW (Boussinesq wave) tính sóng theo mô hình

Boussinesq

Trang 21

117-2012/KHXD-TĐ

CHƯƠNG2 GIỚI THIỆU VẺ MƠ HÌNH SWAN TÍNH TOÁN SÓNG

Phiên bản: 2

Thang 4/2013

Trang 22

2.1

117-2012/KHXD-TĐ

Lịch sử phát triển của mô hình SWAN

Trong 2 thập kỷ trở lại đây, một số mô hình phổ sóng do gió cao cấp, gọi là thế hệ mô hình thứ 3, đã được thiết lập và phát triển như mô hình WAM (WAMDI Group, 1988), WAVEWATCH III (Tolman, 1991), TOMAWAC (Benoit, 1996) va SWAN (Booij, 1999) Các mô hình này giải phương trình cân bằng tác động sóng không có giới hạn ưu tiên trong phổ sóng của quá trình phát triển sóng

Căn cứ vào phương trình cân bằng tác động của sóng với nguồn sóng và khu nước, mô hình SWAN (viết tắt của Simulating WAves Nearshore) tính sóng nước nông là bản phát triển của mô hình sóng nước sâu thế hệ thứ 3 Mô hình này tích hợp các công thức vùng sóng nước sâu biểu diễn quá trình tạo sóng, tiêu sóng và tương tác bậc 4 sóng-sóng của mô hình WAM (Komen, 1994) Trong vùng nước nông, các quá trình

này được bổ sung các công thức thể hiện sự tiêu sóng do ma sát đáy, do tương tác bậc

3 sóng-sóng và vỡ do độ sâu Mô hình phổ SWAN đầy đủ (với mọi hướng và tần số) tính toán sự phát triển của sóng do gió trong vùng ven bờ cho trường hợp nước nông và có trường dòng chảy

SWAN được phát triển tại trường Đại học công nghệ Delt (Delft University of Technology) và có thể khai thác miễn phí tại trang web http://www.swan.tudelft.nl, Mô hình được sử dụng rộng rãi trong các cơ quan, viện nghiên cứu và các công ty tư vấn trên toàn Thế giới Đây là mô hình dạng nguồn mở (OSS - Open Source Software) có mã nguồn đi kèm cho phép bất cứ ai cũng có thể nghiên cứu, thay đổi và cải tiến phần mềm và phân phối phần mềm ở dạng chưa thay đổi hoặc đã thay đổi vốn là các quyền vốn bị cấm bởi bản quyền Các mô hình dạng này thường rẻ hơn rất nhiều, thậm chí là miễn phí hoàn toàn so với các mô hình có bản quyền (phần mềm thương mại)

Ngoài ra, các mô hình dạng này rất an toàn, nổi tiếng là đáng tin cậy do được thiết kế

với một cấu trúc an toàn bảo mật cao tại máy chủ và mã nguồn mô hình phổ biến rộng

rãi giúp người lập trình và người sử dụng dễ phát hiện và khắc phục những lỗ hổng an

toàn trước khi chúng bị lợi dụng Mô hình dạng này cũng giúp người sử dụng không

phải lệ thuộc vào nhà cung cấp do được vận hành dựa trên 3 “mở”: nguồn mở, chuẩn mở, nội dung mở, và mô hình tạo năng lực đổi mới do khuyến khích sửa đổi, cho phép

lưu hành tự do, dễ tìm, dễ sử dụng và dễ học hỏi và cho phép người lập trình phát huy mô hình ban đầu để sáng tạo nên các mô hình mới

Ban đầu, SWAN cycle 1 được xây dựng để giải quyết bài toán ổn định trên cơ sở lưới tính chữ nhật Sau đó, SWAN cycle 2 (phiên bản 30.62, 30.75, 40.01 và 32.10) đã được phát triển để giải quyết các bài toán ổn định và một số điều kiện bất ổn định tùy

chọn trên cơ sở lưới chữ nhật và lưới cong phi tuyến SWAN cycle 3 hiện nay đang được xây dựng nhằm chạy bài toán bất ổn định dựa trên lưới phi cấu trúc với số điểm mỗi ô lưới tùy ý (thường chọn từ 4 đến 10) Phiên bản mới nhất hiện nay (SWAN

W

Phiên bản: 2 $ Trang 22 | 76

Trang 23

2.2

117-2012/KHXD-TD

40.91) đang sử dụng lưới tam giác không đều hoặc lưới hỗn hợp Ngoài ra, hiện nay

khi dùng SWAN, người dùng có thể tùy ý lựa chọn chế độ chạy (kiểu tính thế hệ 1, 2 hoặc 3, bài toán én định hoặc không ổn định, bài toán 1D hoặc 2D)

Tính năng của mô hình

SWAN là mô hình sóng thế hệ thứ 3 tính toán các đặc trưng của trường sóng trong

vùng ben bờ, vùng hồ và vùng cửa sông từ các điều kiện về gió, địa hình đáy và dòng

chảy Tuy nhiên, SWAN chỉ sử dụng để tính các sóng trọng lực mặt nước và là sóng hình thành do gió (sóng do gió) Mô hình dựa trên phương trình cân bằng tác động sóng (hoặc phương trình cân bằng năng lượng trong trường hợp không có dòng chảy) với nguồn sóng và khu nước

Các quá trình truyền sóng được tính đến trong SWAN bao gồm: -_ Truyền sóng trong không gian địa lý;

-_ Khúc xạ sóng do biến đổi không gian của địa hình đáy và dòng chảy;

-_ Nhiễu xạ sóng;

- _ Sóng cạn do biến đổi không gian của địa hình đáy và dòng chảy; - Song bj chan và sóng phản xạ do dòng chảy ngược hướng;

Sóng truyền, sóng bị chặn hoặc phản xạ do các vật cản cục bộ

Các quá trình phát sinh và tiêu hao sóng được tính đến trong SWAN bao gồm: - _ Sóng hình thành do gió;

- _ Tiêu hao năng lượng do sóng bạc đầu; - _ Tiêu hao năng lượng do sóng vỡ đáy nông: - _ Tiêu hao năng lượng do ma sát đáy;

- Tương tác giữa các sóng trong khu vực nước sâu và nước nông

Ngoài ra, nước dâng do sóng của mực nước biển trung bình cũng có thể tính đến trong SWAN Tuy nhiên, dòng chảy do sóng không bao gồm trong mô hình

Mô hình SWAN tính toán cho bài toán ổn định hoặc bài tốn khơng ổn định (tùy chọn)

trong hệ tọa độ Đề Các hoặc cong phi tuyến (đối với quy mô nhỏ) hay tọa độ cầu (đối

Trang 24

2.3

117-2012/KHXD-TD

khu vực nghiên cứu, nghĩa là thời gian truyền sóng trong vùng nhỏ hơn thời gian biến đổi của các điều kiện vật lý (điều kiện biên sóng, gió, triều và nước dâng do bão) Số liệu xuất ra của SWAN bao gồm (file số gồm các bảng số liệu, bình đồ và số liệu theo thời gian):

-_ Phổ sóng một chiều và hai chiều;

- _ Chiều cao sóng có nghĩa và chu kỳ sóng; - Hướng sóng trung bình và lan truyền hướng; - _ Phố nguồn một chiều và hai chiều;

- Gia tri trung bình quân phương của quỹ đạo chuyển động sát đáy; - _ Tiêu hao năng lượng sóng;

- Lực do sóng (tính dựa trên gradient ứng suất bức xạ sóng); - Nước dâng do sóng;

-_ Hệ số khúc xa Hạn chế của mô hình

Mô hình SWAN dùng xấp xỉ DIA đối với tương tác sóng bậc 4 dựa vào độ rộng phân bố hướng của phổ sóng Xấp xi này thích hợp cho nhiều trường hợp nhưng đã oe xAp xi don giản cho song dinh dai (phan bé hướng hẹp) Nó cũng phụ thuộc vào tần số

sóng tính tốn

Mơ hình cũng dùng xấp xi LTA đối với tương tác sóng bậc 3 dựa vào độ rộng phân bố hướng của phổ sóng Các điều chỉnh trong SWAN thích hợp cho một số trường hợp nhưng người ta đã thu được từ quan trắc trong sóng luống hẹp (sóng đỉnh dai)

Trang 25

2.4 241

117-2012/KHXD-TĐ

Mô hình SWAN không tính dòng chảy do sóng Khi cần, loại dòng chảy này cần được

khai báo dang số ligu dau vao cho SWAN

Hiện tượng nhiễu xạ được mô phỏng trong những trường hợp rất hạn chế, do vậy chỉ nên sử dụng mô hình có tính đến nhiễu xạ khi chiều cao sóng biến đổi theo phương ngang trong quy mô bằng vài bước sóng Tuy nhiên, việc tính toán nhiễu xạ trong khu vực địa hình tùy ý sẽ khá phức tạp và các yêu cầu tính toán tăng đáng kể Để tránh hiện tượng này, áp dụng phương pháp tách pha (phase-decoupled approach) sẽ thu được kết quả tương đương về tái phân bố không gian và sự thay đổi hướng sóng Tuy nhiên, phương pháp này không phản ánh đúng hiện tượng nhiễu xạ trong bể cảng hoặc trước các vật cản gây phản xạ

Cơ sở lý thuyết của mô hình

Dưới đây sẽ nêu tóm lược cơ sở lý thuyết của mô hình gồm các phương trình cơ bản, các kỹ thuật mô phỏng các hiện tượng vật lý liên quan đến quá trình hình thành, phát triển và tiêu hao sóng Các phân tích, lý giải chỉ tiết xem trong mục 3, chuyên đề 2 của

đề tài

Các phương trình cơ bản trong SWAN

ad Phương trình cân bằng tác động phổ sóng

Sự phát triển của phỏ được mô tả bằng phương trình cân bằng tác động phổ Trong hệ tọa độ Đề các ta có:

ON ñc;X „ 8y a WeaN OegN _ Sint

ot Or Oy oo 8B — da (2-1)

Khi sử dụng trong quy mô thềm lục địa hoặc đại dương, người sử dụng có thể chọn cách viết trong hệ tọa độ cầu (Trái Dat) nhu sau:

ON ON -¡ OcgooseN OcgN _ OGgN _ hát

DU ae Re a cá (2-2)

Thành phần đầu tiên trong về trái biểu thị lượng thay đổi địa phương của mật độ tác động theo thời gian Thành phần thứ hai và thứ ba biểu thị sự truyền tác động trong không gian địa lý (với tốc độ truyén c,, Cy theo hướng x và y) Thành phần thứ tư biểu thị sự thay đổi của tần số tương đối do thay đổi độ sâu và dòng chảy Thành phần thứ

năm liên quan đến sự khúc xạ do độ sâu và dòng chảy Thành phần S,„, bên vé phải là

năng lượng liên quan đến nguồn hình thành sóng và khu nước, biểu thị tất cả quá trình vật lý của sóng như phát sinh sóng, tiêu hao sóng hoặc phân bố năng lượng sóng

oyna

Phién ban: 2 $ Trang 25 | 76

Trang 26

117-2012/KHXD-TD

Các biểu thức đối với các tốc độ truyền được rút ra từ lý thuyết sóng tuyến tính Giá trị

S trong về phải của phương trình là giá trị hàm nguồn mật độ năng lượng rút ra từ các

hiệu ứng phát sinh sóng, tiêu hao sóng và tương tác giữa các sóng

b Các công thức xác định các hiện tượng vật lý của sóng

Các hiện tượng vật lý của sóng biểu thị qua thông số năng lượng S,„; gồm 6 thành phần như sau:

Stor = Sin + Sug + Sua + Sas,w + Sash + Sas.br (2-3)

Trong đó, các thành phần về phải trong công thức trên lần lượt biểu thị các hiện tượng vật lý như năng lượng phát sinh trong quá trình hình thành sóng do gió, năng lượng tiêu hao trong quá trình truyền năng lượng sóng phi tuyến qua tương tác sóng bậc 3 và

bậc 4, năng lượng tiêu hao sóng do sóng bạc đầu, do ma sát đáy và do sóng vỡ do độ

sâu

Năng lượng sóng do gió (S¡n)

Sự tăng trưởng của sóng do gió được biểu thị qua công thức: Suíø,) = A + BE(ơ.) (2-4) Với A là hệ số tăng tuyến tính, tính theo biểu thức Cavaleri và Malanotte-Rizzoli (1981); BE là hệ số tăng theo hàm mũ 3 A= >2” („maxi0,eos(0 — 0„)|)*H ong? (2-5)

Trong đó @,, 1a géc dén cha hướng gió; H là hệ số chọn lọc; Øpw là tần số đỉnh phổ

trong trạng thái sóng phát triển hoàn toàn theo phổ Pierson và Moskowitz

Trong SWAN sử dụng hai biểu thức của tăng trưởng sóng (hệ số B) theo hàm mũ Biểu thức thứ nhất là của Komen (1984) trong đó B là một hàm của Us/cpp:

B= maxi0,0.2828(28'”* œs(0 — 8„) — 1)]ø xa ” (2-6)

Trong d6 cp, là tốc độ truyền pha dao động và pạ, p„ là mật độ của không khí và nước

Trang 27

117-2012/KHXD-TĐ

phục vụ thiết kế công trình Càng - Đường thủy + 2 U, ‘ Sg B= pfs (=) maxi0, eos( — Ø,,)]2ø Pw \ Cph (2-7)

Trong đó B là hang sé Miles Năng lượng sóng tiêu hao (Sạ,)

e Tiêu hao do song bac dau (Sis): - Theo Komen (1984): Sv(ø,B] =—TBỄ Blue) k (2-8) Trong đó ỡ và & biéu thị tần số và số sóng trung bình và T là hệ số phụ thuộc vào độ dốc sóng tổng hợp - _ Theo mô hình bão hòa: B(k)\?? Sis tenekl i 0) =~ CO, (2) (tanh(kh))®=P2/4 VakE(ø, 6) r (2-9)

Trong đó hàm mật độ B(k) tỷ lệ thuận với khả năng vỡ do kết nhóm của sóng e Tiéu hao do ma sat day (Sas):

ø

S„„s==—— sep sink kd Flo, 0) (2-10)

Trong đó Cụ là hệ số ma sát

Hasselman (1973) xác định giá trị Cạ = C;oy = 0.038 m”s? từ thực nghiệm của JONSWAP trong điều kiện sóng lừng Bouws và Komen (1983) chọn hệ số C;oy =

0.067 mˆs” đối với điều kiện sóng phát triển hoàn toàn trong vùng ven bờ Cả 2 giá trị này đều được sử dụng trong SWAN

Collin (1972) dựa trên công thức sóng điều hòa với các tham số lựa chọn thích hợp để

hiệu chỉnh cho trường sóng ngẫu nhiên với hệ số ma sát day Cy = CU ms, Cp= 0.015

Trang 28

:-117-2012/KHXD-TD

Chiều cao song cuc dai Hmax trong SWAN được tính Hm„ạy = yd trong dé y 1a chỉ số vỡ và d là độ sâu nước tổng cộng (bao gồm độ dâng cao đỉnh sóng) Chỉ số sóng vỡ y thường là một hằng số hoặc một hàm của độ dốc đáy hoặc độ dốc sóng tới Trong SWAN giá trị mặc định lấy bằng y = 0.73

Tiêu hao năng lượng do tương tác phi tuyến giữa các sóng (Sm): ® - Tương tác sóng bậc 4 (S„¿j):

Tương tác sóng bậc 4 trong SWAN được tính với xấp xỉ bước lặp rời rạc (Discrete Interacion Approximation - DIA) của Hasselmann (1985) Với xấp xỉ bước lặp rời

rạc, giá trị hàm nguồn S„(G,6) ứng với truyền sóng phi tuyến xác định bởi:

Snu(Ø, Ủ) = Sau (Ø, 0) + Sạm (2, 0) (2-12)

Trong đó S”„ tương ứng với cung thứ nhất, S””,„„ tương ứng với cung thứ hai (biểu

thức của S”nạ giống với S”„ nhưng có đấu trái chiều)

Theo WAMDI (1988), tương tác sóng bậc bốn trong vùng có độ sâu nước hữu hạn

bằng tương tác sóng bậc bốn tại vùng nước sâu nhân với hệ số tỷ lệ R(k,,d):

gies depth ais Rl kyd) S882” water

(2-13)

Với R tính theo biểu thức:

R(kgđ)=1+ Cont oy —Czak,d)gCnatyd kg

(2-14)

Trong đó kạ là số sóng tại đỉnh phổ JONSWAP Giá trị của các hệ số lần luot 1a: Coy, = 5.5, Csho = 5/6 va Con3 = -5/4 Trong khu vực nước nông giới hạn, kp — 0, tỷ lệ chuyển

đổi phi tuyến tiến tới vô cùng Do vậy, trong SWAN sử dụng giới hạn bé nhất của kpd

= 0.5 và giá trị lớn nhất của R sẽ là R(k;d)„„„ = 4.43 Để tăng khả năng của mô hình

trong trường hợp phổ có hình dạng tùy ý, số sóng tại đỉnh k, tính bằng ‘p= 0.75k (Komen, 1994)

® - Tương tác sóng bậc 3 (S„n):

Tương tác sóng bậc 3 trong SWAN được tính với xấp xi tổng bậc 3 (Lumped Triad

Approximation - LTA) của Eldeberky (1996) theo từng hướng của phổ sóng như sau:

Trang 29

2.4.2

117-2012/KHXD-TD

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SWAN tính toán vả dự báo sóng 'Báo cáo tổng kết đề tài

phục vụ thiết kế công trình Cảng - Đường thủy Với - Sã4(Ø:)= maxi.aga2zcc,J?|sin đ| {F°(ø/3,0) 3E(ø(3, f) E(ø, 0\M (2-16) Và - SãsÍ,) =—251;(3ø,0) (2-17) Trong đó œep là hệ số hiệu chỉnh độ cân xứng B được xắp xi bing: fone a3 5 tanh( 2) (2-18) Và số Ursell U, được tính bằng: tư TH,Tạấi” 85x? (2-19)

Tương tác sóng bậc ba chỉ tính với trường hợp 0 < U, < 1 Hệ số tương tác J được tính theo Madsen và Sorensen (1993):

Keyalgd + 265 2)

ữ 4

5 ‘ ae 2

kadigd + Sak? — go) (2-20)

Mô phỏng hiện tượng giảm sóng do thảm thực vật

Ngoài 6 hiện tượng vật lý đề cập ở trên, trong SWAN còn có lựa chọn để tính đến hiện tượng giảm sóng khi vượt qua vùng thảm thực vật (đước, cây ngập mặn, ) tại các độ

sâu khác nhau Trong SWAN, mô phỏng phổ sóng tiêu hao do thảm thực vật như sau (Mendez và Losada): Saaveg(o.0) = 22 FV ,0) Bui (2-21) SUẾ 7s 3ø Litt ao S) sinh” kwh ~ 3sinh Èah „ „ Te =< pb Ny (§ ee

với De genta 3kcosh® kh (2-22)

Trang 30

243

2.4.4

117-2012/KHXD-TĐ

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SWAN tính toán vả dự báo sóng Báo cáo tông kết đề tài

Tác động của dòng chảy đến chế độ Sóng

Khi sóng truyền qua vùng có dòng chảy, sóng sẽ chịu ảnh hưởng của dòng chảy của

môi trường xung quanh như dòng triều, dong đại dương, dòng do gió, dòng chảy sông và cả dòng do sóng Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng dòng chảy có ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và suy giảm của sóng Nhiều nghiên cứu cho thấy khi truyền ñgượu hướng dòng chảy mạnh, độ dốc sóng và chiều cao sóng tăng lên đáng kể Thay đổi này càng rõ ràng khi sóng bị chặn bởi dòng chảy, thường thấy đối với sóng bạc đầu do dòng chảy và sóng phản xạ

Longuet-Higgins va Stewart (1960, 1961, 1962) da dé ra ly thuyét mé ta tuong tac giữa sóng và dòng chảy Sau này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện bổ sung cho lý thuyết tương tác sóng - dòng chảy Theo đó, nếu sóng truyền trong môi trường có dòng chảy, hàm mật độ tác động được bảo toàn còn hàm mật độ năng lượng thì không Do vậy, trong SWAN sử dụng các phương trình cân bằng tác động như đã nêu ở trên Mô phỏng vật cản

SWAN có thể tính sóng truyền qua công trình (dạng tuyến) như đê chắn sóng (hoặc đập) Giả thiết rằng công trình có kích thước hẹp nếu so với kích thước ô lưới Nếu thực tẾ công trình có kích thước lớn so với kích thước ô lưới thì khu vực này sẽ khuyến nghị mô phỏng tương tự như yếu tố địa hình nền

Công trình (vật cản) sẽ ảnh hưởng đến sóng theo 3 cách:

-_ Giảm chiều cao sóng của sóng truyền qua thân hoặc sóng tràn qua đỉnh công trình trên toàn bộ chiêu dài công trình;

- _ Gây ra sóng phản xạ;

- Géay ra sóng nhiễu xạ qua đầu công trình

Tuy nhiên, đối với trường sóng đỉnh ngắn không đều, ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xạ thường nhỏ trừ trường hợp sóng truyền trong khu vực dài ít hơn một hoặc hai bước sóng tính từ mũi công trình (Booij, 1993) Do đó, mô hình có thể tính toán hợp lý

trường sóng xung quanh công trình nếu như phổ hướng của sóng đến không quá hẹp

trừ trường hợp tính trong vùng sóng nước sâu vào vùng khuất sóng

Trang 31

24.5

117-2012/KHXD-TĐ

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mở SWAN tính toán và dự báo sóng 'Báo cáo tổng kết đề tài

Mô phông sóng truyỀn qua công trình

Có rất nhiều cơ chế truyền sóng qua thân công trình Trong SWAN, người dùng có thể tính sóng truyền qua thân đê (đập) có mặt kín hoặc có thể chọn một hệ số truyền sóng không đổi Nếu như đỉnh đê chắn sóng đặt tại cao trình mà (ít nhất là là một phan) sóng có thé vượt qua, hệ số truyền sóng K, (bằng tỷ số giữa chiều cao sóng (có nghĩa)

phía sau đê với chiều cao sóng trước đê) sẽ là một hàm của chiều cao sóng và độ vượt

cao đỉnh đê so với mực nước Cần lưu ý rằng, hệ số truyền sóng lớn hơn 0 và nhỏ hơn 1 Trong SWAN áp dụng hai biểu thức Biểu thức thứ nhất theo Goda (1967):

_ St ity

Ki,= 05 5(1—sin(= (+8), ae as ?<a=l

0, Roane (2-24)

Với F =h - d là độ vượt cao đỉnh đê, H; là chiều cao sóng đến mặt đón sóng của đê, h

là cao trình đỉnh đê trong hệ cao độ tính toán (cùng hệ cao độ với đáy địa hình), d là mực nước trung bình trong hệ cao độ tính toán, các hệ số œ, B phụ thuộc vào hình dạng đê cho trong bảng 2.1 (Seelig, 1979) Lưu ý rằng công thức trên chỉ áp dụng cho đê có hệ số mái dốc thoải hơn 1:0.7 (1.4:1 hoặc 55 độ) Biểu thức trên thu được từ các thí nghiệm Nụ máng sóng nên thực ra nó chỉ đúng cho các sóng đến vuông góc Do không có số liệu cho trường hợp sóng đến xiên góc nên giả thiết rằng hệ số truyền sóng không phụ thuộc vào hướng truyền sóng Hơn nữa, cũng giả thiết rằng, tần số sóng là không thay đổi khi truyền qua thân công trình (tức là chỉ có độ lớn của phổ sóng bị ảnh hưởng còn hình dạng phổ thì không thay đổi)

Trang 32

2.4.6

2.4.7

2.4.8

117-2012/KHXD-TĐ

Với B, là chiều rong dinh dé va & = tana/V Hi/Lo là hệ số sóng vỡ, œ là góc

nghiêng mái đê và Ío; = gT2/2* là chiều dài sóng nước sâu

Mô phỏng sóng phản xạ

Hiện tượng sóng phản xạ thường xuất hiện tại công trình bến hoặc công trình đê chắn sóng Tùy vào kết cấu công trình (mặt nhẫn hay nhám dạng đá đổ) mà trường sóng

phản xạ có thể phân tán nhiều hay ít SWAN có thể mô phỏng sóng phản xạ theo nhiều

hướng khác nhau

Mô phỏng sóng nhiễu xạ

Để mô phỏng hiện tượng nhiễu xạ, trong SWAN áp dụng xấp xỉ tách pha khúc xạ -

nhiễu xạ theo Holthuijsen (2003) Do hiện tượng nhiễu xạ, các vận tốc truyền sóng được hiệu chỉnh:

~ để „+ đã đã

Cạ= Cz 99 cy = Cy09 :Q= cạ gồ la Đa *+ by? (2-27)

Với ð=vi+ð (2-28)

Nhiéu xạ trong SWAN không nên dùng nếu:

- _ công trình hoặc bờ biển có hiện tượng sóng rút đáng kể, và

- _ khoảng cách đến công trình hoặc bờ biển nhỏ (nhỏ hơn vài bước sóng), và

- _ có kết hợp với sóng phản xạ trên công trình hoặc bờ biển, và - hệ số phản xạ là đáng kể

Điều này có nghĩa là nhiễu xạ của SWAN có thể áp dụng trong hầu hết các trường hợp bờ hấp thu hoặc phản xạ của đại dương, biển, vịnh, đầm phá và vịnh hẹp với vật cản thường xuyên như đảo, đê chắn sóng hoặc mũi nhơ nhưng KHƠNG ở trong cảng hoặc trước các đê phản xạ hoặc gần chân các tường đứng Phía sau đê chắn sóng (có thể có hiện tượng phản xạ), kết quả theo SWAN có vẻ hợp lý nếu các điều kiện trên được đáp ứng

Mô phông nước dâng do sóng

Trang 33

2.4.9

117-2012/KHXD-TĐ

phục vụ thiết kế công trình Cảng - Đường thủy (lưu ý rằng thành phần song song với bờ gây ra dòng chảy sóng nhưng không gây nước dâng) đ6 an = The (2-29)

Trong đó H là độ sâu nước tổng cộng (bao gồm cả nước dâng do sóng) và TỊ là độ cao trung bình của mặt nước (bao gồm cả nước dâng do sóng), S„„ là ten-xơ ứng suất bức Xạ:

ì 1

Ste = pg [|ncos*) +n — 5) Rderdd (2-30)

Để tính toán nước dâng, người ta xem xét sự phân kỳ của phương trình cân bằng mô men Nếu sự phân kỳ được bỏ qua thì ta có:

By rỡ]

OFs Fy _ 8M) _ OM _ 9

Ox Oy On PF” Be? ~ By PF By? = (2-31)

Xap xỉ này chỉ áp dụng cho vùng biển hở (nước từ ngoài vào miễn tinh là không hạn chế, ví dụ như vùng bờ biển hoặc cửa sông) và ngược lại, đối với vịnh kín (như hồ) thì không áp dụng cách tính toán trên

Giải phương trình trong SWAN

Trong mô hình SWAN sử dụng sơ đồ an theo hướng gió đối với cả hai không gian địa lý và phổ trong đó trong không gian phô bổ sung hàm xấp xỉ trung tâm Thực tế, trong không gian địa lý, trạng thái trong các điểm lưới được xác định bằng trạng thái trong các điểm lưới đầu sóng (xác định bằng hướng truyền), cho phép phân tích không gian phổ vào bốn cung phần tư Trong mỗi cung phần tư, việc tính toán có thể tiến hành độc lập với các cung phần tư khác loại trừ các tương tác giữa chúng do khúc xạ và tương

tác phi tuyến giữa các sóng

SWAN chứa ba sơ đồ là:

- Sơ đồ bước lùi không gian, bước lùi thời gian bậc một (BSBT) Trong thực tế, đây là sơ đồ hướng gió điển hình Có thể á áp dụng được cho cả sóng ồn định và sóng không ôn định trong quy mô nhỏ

Trang 34

:-2.5 2.5.1

2.5.2

117-2012/KHXD-TD

- So dé huéng gid bac hai với hàm khuyếch tán bậc ba do Stelling và Leedertse

đề xuất Sơ đồ này còn được gọi là sơ đồ S&L,, có thể áp dụng với sóng không

ổn định trong quy mô lớn

Sơ đồ BSBT được thực hiện trên bốn đoạn cong liên tiếp Để tính toán năng lượng chuyển đổi giữa bốn cung phần tư, việc tính toán được tiến hành lặp trong mỗi bước

thời gian

Đặc điểm sử dụng mô hình SWAN tính sóng

Đơn vị và hệ tọa độ

Các thông số trong SWAN sử dụng theo hệ đơn vị quốc tế SI: m, kg, s và các đơn vị tổng hợp từ các đơn vị cơ bản này như Newton (N), Watt (W)

SWAN sử dụng cả hệ tọa độ Đề các và hệ tọa độ cầu trong tính toán, thường là hệ tọa độ phẳng hoặc hệ Trái Đắt Trong hệ tọa độ Đề các, tất cả các vị trí và hướng địa lý trong SWAN, ví dụ như lưới địa hình đáy hoặc các điểm xuất kết quả, đều được định nghĩa trong hệ tọa độ Đề các chung với gốc (0,0) chọn trước do người dùng hoàn toàn

chủ động lựa chọn Trong hệ tọa độ cầu, chúng được định nghĩa theo kinh độ và vĩ độ

địa lý

Lưới số liệu đầu vào và thời gian tính toán (input grids and time windows)

Số liệu địa hình, dòng chảy, mực nước, ma sát đáy và số liệu gió (theo không gian) cần

khai báo trong SWAN được gọi là số liệu đầu vào và nằm trong một lưới đầu vào

(input grids) Đối với lưới này, người dùng có thể lựa chọn khai báo theo không gian để có thể giải quyết được các chỉ tiết có tính không gian của địa hình, dòng chảy, ma sát đáy và gió Cần đặc biệt lưu ý tới các trường hợp địa hình đáy biển có hình thù góc cạnh hoặc nông (như doi cát, ngưỡng cạn) và trường hợp địa hình đáy quá dốc Đối với những vùng nằm ngoài phạm vi số liệu, SWAN gid thiét cao trinh đáy, mực nước và ma sát đáy giống với vị trí biên đầu vào gần nhất (và sau đó dịch chuyên vị trí của biên này) Trong vùng không nằm trong vùng biên dịch chuyển (tức là trong các góc phần tư bên ngoài của các góc của lưới đầu vào), các thông số sẽ được lấy bằng với giá trị tại điểm góc gần nhất của lưới số liệu đầu vào Đối với dòng chảy và vận tốc gió, SWAN lấy giá trị bằng 0m/s cho các điểm nằm bên ngoài lưới số liệu đầu vào

Trong SWAN, số liệu địa hình, dòng chảy, mực nước, gió và ma sát đáy có thể biến thiên theo thời gian Trong trường hợp này, chúng cần phải được khai báo trong bs cửa số thời gian cho số liệu đầu vào (input time windows) Tốt nhất là tạo một cửa số thời gian cho số liệu đầu vào lớn hơn cửa sé thời gian tính toán (computational time

Trang 35

2.5.3

117-2012/KHXD-TD

đầu sớm nhất của các thông số đầu vào (đó có thể là thời gian bắt đầu của bất cứ thông số đầu vào nào, như gió chẳng hạn) SWAN giả thiết giá trị hằng số (giá trị cuối) trong

thời gian sau thời điểm kết thúc của các thơng số đầu vào Ngồi ra, bước thời gian tính nên đủ nhỏ sao cho có thể phản ánh được sự biến thiên theo thời gian của các thông số địa hình, dòng chảy, mực nước, gió và ma sát đáy

Lưới tính toán, điều kiện biên, điều kiện ban đầu và giả định ban đầu

Lưới khơng gian tính tốn (computational spatial grid) được định nghĩa bởi người

dùng với hướng tùy ý Biên của lưới tính trong SWAN có thể là biên cứng (đất liền)

hoặc biên lỏng Trên biên cứng là đất liền sẽ không có tạo sóng trên biên và trong SWAN nó sẽ hấp thu toàn bộ năng lượng sóng Trong trường hợp biên lỏng, SWAN giả thiết rằng không có sóng đi vào miễn tính qua biên đó và sóng có thể đi ra ngoài

miền tính một cách tự do Giả thiết này có nghĩa là sẽ có những lỗi tại biên khi truyền

sóng vào vùng tính toán (xem hình 2.1) Do vậy, các biên này cần phải chọn cách đủ xa khu vực tính toán quan tâm để chúng không làm ảnh hưởng đến các kết quả tính toán tại đây

Khi có yêu cầu xuất số liệu tại biên của lưới tính toán, có thể sẽ xuất hiện hiện tượng

số liệu xuất ra tại biên khác với số liệu mà người chạy mô hình nhập vào Lý do là SWAN chỉ chấp nhận các thông số sóng đến do người dùng nhập vào và nó sẽ bị thay thế bởi các thông số sóng xuất ra do người dùng chỉ định theo các kết quả tính toán thông số sóng (sóng truyền từ trong vùng tính tới biên) Khi có sai khác lớn hơn 10%

(giá trị mặc định) về chiều cao sóng có nghĩa tính toán được so với chiều cao sóng do

Trang 36

117-2012/KHXD-TĐ

Độ phân giải không gian của lưới tính toán phải đủ để có thể giải quyết các chỉ tiết liên quan của trường sóng Thông thường nên chọn độ phân giải của lưới tính toán tương tự như độ phân giải của lưới đáy địa hình hoặc dòng chảy và khi cần có thể áp dụng lưới phi cầu trúc để tính toán

Khi chạy bài toán không ổn định, người dùng phải khai báo cửa số thời gian tính toan (computational time window) Cita sé thi gian bắt đầu tại thời điểm đủ sớm để có thể thu được kết quả đầu ra tại thời điểm như mong muốn Bước thời gian tính toán cũng được khai báo bởi người dùng cho trường hợp bài tốn khơng ổn định Có thể áp

dụng cách tính bán ổn định cho bài tốn khơng ổn định bằng cách tính các bài toán ổn định theo chuỗi liên tiếp các thời đoạn ổn định

Lưới phổ tính toán (computational spectral grid) do người dùng khai báo Đối với không gian tần số, xác định khoảng tần số đơn giản bằng cách định nghĩa giá trị tần số

nhỏ nhất, lớn nhất và độ phân giải của tần số để có thẻ nội suy tần số (hàm logarit, ví dụ với Af = 0.1) Giá trị tần số thấp nhất phải nhỏ hơn khoảng 0.7 lần giá trị tần số đỉnh thấp nhất dự kiến Giá trị tần số cao nhất phải lớn hơn tối thiểu 2.5 đến 3 lần tần

số đỉnh cao nhất dự kiến (bằng 6 lần nếu dùng phương pháp XNL), thường chọn thấp hơn hoặc bằng 1Hz

Đối với không gian hướng, khoảng hướng là toàn bộ 3600 trừ khi người dùng quy định giới hạn của khoảng hướng Điều này có thể tiết kiệm thời gian và bộ nhớ tính toán ví

dụ như trong trường hợp sóng đến bờ trong cung giới hạn bằng 1800 Độ phân giải

hướng được xác định bằng số hướng do người dùng quy định Đối với sóng biển có

hướng truyền nằm trong góc 30° mỗi bên hướng sóng chính, độ phân giải chọn bằng

10” là thích hợp Đối với sóng lừng với góc truyền nhỏ hơn 100, độ phân giải nên chọn

bằng hoặc nhỏ hơn 20,

Tổng hợp lại, tham khảo bảng sau đây để xác định độ phân giải (các khoảng chia)

trong SWAN khi tính toán cho vùng bờ biển:

Bảng 2.2 Xác định độ phân giải trong SWAN khi tính toán cho vùng bờ biển

Thông số Giá trị gợi ý

Độ phân giải hướng trường hợp sóng do gió AO = 15°- 10°

Độ phân giải hướng trường hợp sóng lừng AQ =5°-2°

Khoảng tần số 0.04 <f< 1.00 Hz

Độ phân giải trục không gian Ax, Ay = (50 - 1000)m

Ngoài ra, mô hình số trong SWAN yêu cầu số điểm lưới tối thiểu trên mỗi hướng

Trang 37

2.5.4

25.5

2.5.6

117-2012/KHXD-TĐ

Lưới sô liệu xuất ra

SWAN có thể xuất số liệu theo lưới thẳng đều độc lập với lưới số liệu đầu vào và lưới

tính toán Khi tính toán dùng lưới cong phi tuyến, SWAN cũng có thể xuất số liệu theo lưới cong phi tuyến Lưới tam giác cũng có thể làm tương tự Người dùng xác định lưới số liệu xuất ra với độ phân giải tùy ý nhưng tất nhiên là phải đủ để thể hiện các chỉ tiết không gian liên quan Cần lưu ý rằng các thông số lưới đầu ra được suy từ lưới

tính toán bằng nội suy song tuyến tính Điều này có nghĩa là một số sai số có thể xảy

ra do phép nội suy này Nó cũng có nghĩa là thông số địa hình đáy hoặc dòng chảy đầu

ra thu được bằng cách nội suy hai lần: một lần từ lưới đầu vào đến lưới tính toán và một lần từ lưới tính toán đến lưới đầu ra Nếu các lưới đầu vào, lưới tính toán và lưới

đầu ra giống nhau thì lỗi nội suy sẽ không xảy ra

Trong vùng mà lưới đầu ra không bao trùm lên lưới tính toán, SWAN giả thiết giá trị

đầu ra bằng với giá trị ngoại lệ tương ứng Ví dụ như giá trị ngoại lệ của chiều cao sóng có nghĩa là -9 Giá trị ngoại lệ của thông số đầu ra có thể điều chỉnh được (lệnh

QUANTITY)

Khai báo thời gian

SWAN có thể chạy với thời gian như sau (chế độ không ổn định):

- _ Từ năm 0 đến năm 9999 nếu dùng đầu vào ISO-notation (nên dùng) hoặc

- _ Từ năm 1931 đến năm 2030 nếu dùng mã năm 2 chữ số

Khai báo các quá trình vật |ý

SWAN bao gồm một số quá trình vật lý liên quan đến hiện tượng bỗ sung năng lượng

sóng đến trường sóng hoặc rút bớt năng lượng sóng từ trường sóng Các quá trình này bao gồm: gió đầu vào, sóng bạc đầu, ma sát đáy, sóng vỡ do độ sâu, tiêu hao do thảm thực vật, truyền qua vật cản, tương tác sóng phi tuyến (bậc bến và bậc ba) và nước dâng do sóng Các quá trình này được khai báo theo các lệnh sau:

- Gid dau vào khai báo bởi lệnh GEN1, GEN2 hoặc GEN3

- _ Sóng bạc đầu khai báo bởi lệnh GEN1, GEN2 hoặc GEN3

- Tương tác sóng bậc 4 khai báo bởi lệnh GEN3 - _ Tương tác sóng bậc 3 khai báo bởi lệnh TRIAD

-_ Ma sát đáy khai báo bởi lệnh FRICTION

iy DỰNG

Phiên bản: 2 $ SK Trang 37 | 76

Trang 38

2.5.7

117-2012/KHXD-TD

- _ Vỡ bởi độ sâu khai báo bởi lệnh BREAKING

- _ Tiêu hao sóng do thảm thực vật khai báo bởi lénh VEGETATION

- _ Truyền sóng qua vật cản khai báo bởi lệnh OBSTACLE - Nước dâng do sóng khai báo bởi lệnh SETUP

Khi chạy SWAN những lần đầu, người dùng nên sử dụng các giá trị mặc định của mô hình Đầu tiên, người dùng cần xác định có hiện tượng vật lý nào đó ảnh hưởng tới kết quả hay không Nếu điều này không thể xác định qua phép tính toán đơn giản bằng tay thì nên chạy SWAN cho trường hợp có và không có hiện tượng vật lý đó trong tính

toán và sử dụng các giá trị tiêu chuẩn đã được lựa chọn trong SWAN

Sau đó, người dùng cần xác định hiện tượng vật lý nào đóng vai trò quan trọng để hiệu chỉnh các thông số cần thiết Trường hợp gió đầu vào, đầu tiên có thể thử thay đôi giá trị vận tốc gid Trường hợp ma sát đáy, thông số nên thay đổi là hệ số ma sát Rất khơng nên tắt tính tốn chế độ sóng vỡ bởi độ sâu do có thể dẫn tới hiện tượng chiều cao sóng lớn gần bờ không chấp nhận được (vì chiều cao sóng sẽ bị vỡ do tác động của đáy nông)

Số liệu đầu vào và đầu ra

Để chạy SWAN, người dùng phải nhập các file số liệu đầu vào sau đây:

- _ File chứa thông tin chỉ dẫn của người dùng cho SWAN (command file);

- _ File chứa thông tin số liệu đầu vào: lưới tính toán, địa hình đáy, dòng chảy, ma sát và gió (nếu có);

- _ File chứa thông tin về sóng trên biên mô hình (nếu có)

Do SWAN là chương trình mã nguồn mở nên để hỗ trợ người dùng tạo file lệnh, chương trình cung cấp sẵn một file để người dùng chỉnh sửa File gốc này ban đầu chỉ bao gồm các thông tin, tất cả các dòng đều bắt đầu bằng dấu chấm than

SWAN khá linh động khi xuất kết qua SWAN cho phép xuất kết quả với nhiều thông số sóng và thông số liên quan đến sóng khác nhau (ví dụ, ứng suất do sóng và quỹ đạo chuyển động tại đáy) Tuy nhiên, nguyên tắc chung là số liệu xuất ra bởi SWAN sẽ do

Trang 39

2.5.8

117-2012/KHXD-TD

Nghiên ciru img dung mé hinh ma nguén mé SWAN tinh toán và dự báo sóng

phục vụ thiết kế công trình Cảng - Đường thủy Báo cáo tổng kết đề tài

- _ Định nghĩa về vị trí địa lý của số liệu xuất ra Vị trí của số liệu xuất ra có thể là

một vùng năm trong lưới địa lý hoặc nằm dọc theo một đường thẳng cho trước

(ví dụ theo đường đồng sâu cho trước) hoặc tại các vị trí đầu ra riêng biệt

- _ Yêu cầu về thời gian xuất kết quả (chỉ có trong bài toán không ổn định)

- _ Yêu cầu về loại số liệu xuất ra (thông số sóng, dòng chảy hay các thông số liên quan khác)

Cac lénh trong SWAN

Trong SWAN bao gồm 10 nhóm lệnh và 47 lệnh như sau (bảng 2.3): Bảng 2.3 Các nhóm lệnh và lệnh trong SWAN Stt | Nhóm lệnh / Lệnh [ Nội dung * | Bat dau I | Bat dau

1 PROJECT Tiêu đề của vẫn đề cần tính toán

2 SET Thiết lập giá trị các thông số chung cần thiết 3 MODE Ché độ tính: ôn định / không ôn định hoặc 1D/2D 4 COORD Lựa chọn giữa hệ tọa độ Đề-các hay hệ tọa độ cầu

$ Mô tả mô hình

I Lưới tính toán

5 CGRID Định nghĩa kích thước lưới tính toán

6 READGRID Quy định đọc lưới dạng lưới cong phi tuyên hay lưới phi cấu trúc

III | Vàng số liệu đầu vào

7 INPGRID Định nghĩa vùng tính của địa hình đáy, mực nước, dòng chảy và ma sát

8 READINP Doc vùng tính của số liệu đầu vào

9 WIND Kích hoạt lựa chọn gió không đổi

IV_ | Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

10 BOUND Định nghĩa hình dạng của phổ tại biên của lưới tính

11 | BOUNDSPEC Định nghĩa phô (tham số) tại biên của lưới tính

12 | BOUNDNESTI Định nghĩa điều kiện biên từ kết quả chạy bằng SWAN với lưới thô

13 |BOUNDNEST2 | Định nghĩa điêu kiện biên từ kết quả chạy bằng mô hình VAM

14 | BOUNDNEST3 Định nghĩa điều kiện biên từ kết quả chạy bằng mô hình Wavewatch III 15 | INITIAL Xác định vùng sóng ban đầu

V Các hiện tượng vật lý

16 |GENI Chay bang SWAN thé hé thir nhat

I7 | GEN2 Chay bang SWAN thé hé thir hai

18 | GEN3 Chay bang SWAN thé hé thir ba

19 | QUAD Kiểm soát tính toán của tương tác sóng bậc 4

20 BREAKING Kích hoạt tính tiêu hao sóng do sóng vỡ bởi độ sâu

21 FRICTION Kích hoạt tính tiêu hao sóng do ma sát đáy

22 TRIAD Kích hoạt tính tương tác sóng bậc 3

Phiên bản: 2 3 ` “Trang 39 | 76

Tháng 4/2013 i

Trang 40

25.9

117-2012/KHXD-TD

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mã nguồn mé SWAN tinh toán và dự báo sóng Báo cáo tổng kết đề tài

phục vụ thiết kế công trình Cảng - Đường thủy St | Nhóm lệnh/ Lệnh | Nội dung

23 VEGETAT Kích hoạt tính tiêu hao sóng do thảm thực vật

24 | LIMITER Loại bỏ tương tác sóng bậc 4 nêu vượt quá số Ursell nhất định

25 OBSTACLE Định nghĩa các đặc tính của các vat can trên lưới phụ

26 | SETUP Kích hoạt tính toán nước dâng do sóng

27 DIFFRAC Kích hoạt tính sóng nhiễu xạ

28 =| OFF Loại bỏ quá trình vật lý nào đó

VI | Thông số khác

29 | PROP Xác định thông số của chế độ truyền sóng

30 | NUMERIC Thiệt lập một số thông sé trong SWAN

* Số liệu xuất ra VII | Vị trí số liệu xuất ra

31 FRAME Dinh nghĩa lưới sô liệu xuất ra (lưới thường)

32 | GROUP Dinh nghĩa nhóm số liệu xuất ra (cho lưới thường và lưới cong phi tuyến) 33 | CURVE Định nghĩa lưới cong xuất ra

34 | RAY Định nghĩa các đường thang xuất số liệu (tia)

35_ |ISOLINE Định nghĩa đường đăng sâu để xuất số liệu doc theo no

36 POINTS Định nghĩa các điểm độc lập xuất số liệu

37 |NGRID Định nghĩa lưới lông xuất số liệu

VIN | Dạng số liệu xuất ra

38 | QUANTITY Định nghĩa tính chất của loại số liệu xuất ra

39 | OUTPUT Quy xen định dạng của số liệu đầu ra dạng khỏi, bảng hay phô 40 | BLOCK Yêu cầu số liệu đầu ra dạng khối (phân bễ theo không gian địa lý) 41 TABLE Yêu cầu số liệu đầu ra dạng bảng (tập hợp các vị trí khác nhau)

42 SPECOUT Yêu câu số liệu đầu ra dạng phô

43 |NESTOUT Yêu cầu số liệu đầu ra dạng phố phục vụ tính lông bước tiếp theo IX | Xuất kể quả tức thời

44 | TEST | Yêu cau xuat két qua tirc théi nham muc dich kiểm tra

* Lệnh khóa

X | Lệnh khóa file số liệu đầu vào

45 | COMPUTE Bat đầu quá trình tính

46 | HOTFILE Lưu trữ kết quả cho quá trình chạy SWAN tiếp theo 47 | STOP Kết thúc nhập liệu bởi người dùng

Nội dung chỉ tiết của các lệnh xem trong Hướng dẫn sử dụng của SWAN (User Manual)

Ký hiệu các tham sỗ trong SWAN

Trong mô hình SWAN, các tham số tính toán liên quan đến sóng được sử dụng trong đầu vào và đầu ra của mô hình được ký hiệu như sau (bảng 2.4):

Phiên bản: 2

Tháng 4/2013 $ Trang 40 | 76

Định dạng
Số trang	120
Dung lượng	36,87 MB