Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày các kết quả phân tích số liệu số liệu dòng chảy và năng lượng rối đo đạc và mô phỏng trong đợt khảo sát thực địa tại Nha Trang vào tháng 5 năm 2013. Các số liệu dòng chảy và năng lượng rối được đo đạc trong đới sóng tràn bằng máy Vectrino ADV. Để hiểu được bản chất của sự lan truyền sóng trong đới sóng tràn trên bãi biển Nha Trang, một mô hình số dựa trên lý thuyết vỡ đập cũng đã được triển khai.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển; Tập 16, Số 2; 2016: 115-121 DOI: 10.15625/1859-3097/16/2/7585 http://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst CƠ CHẾ CỦA DỊNG CHẢY SĨNG TRONG ĐỚI SĨNG TRÀN KHU VỰC BÃI BIỂN NHA TRANG Nguyễn Kim Cương1,2*, Trần Văn Mỹ2, Lefebvre Jean-Pierre2,3 Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐH QGHN Trung tâm Động lực học Thủy khí Mơi trường, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐH QGHN UMR 5566-LEGOS (IRD-CNRS-CNES-Paul Sabatier University, Toulouse, France) * E-mail: cuongnk@hus.edu.vn Ngày nhận bài: 28-12-2015 TĨM TẮT: Bài báo trình bày kết phân tích số liệu số liệu dòng chảy lượng rối đo đạc mô đợt khảo sát thực địa Nha Trang vào tháng năm 2013 Các số liệu dòng chảy lượng rối đo đạc đới sóng tràn máy Vectrino ADV Để hiểu chất lan truyền sóng đới sóng tràn bãi biển Nha Trang, mơ hình số dựa lý thuyết vỡ đập triển khai Các kết tính tốn cho thấy mơ hình mơ tương đối tốt trình lan truyền bãi bore nước Độ cao bore nước chứng minh tỷ lệ tuyến tính với độ cao sóng khơi Phân bố lượng rối định lượng phân tích Từ khóa: Sóng tràn, bãi biển Nha Trang, Vectrino ADV, lượng rối GIỚI THIỆU CHUNG Đới sóng tràn (swash zone) phận biển mà khoảng rộng từ giới hạn sóng bắt đầu vỡ giới hạn cao mà nước biển lên Đây khu vực biến động phức tạp, nơi xảy trình thủy động lực học hình thái học khác Đới sóng tràn nơi tiếp giáp trực tiếp đất liền biển Đây dải hẹp đầy biến động phức tạp trình thủy động lực học Tuy nhiên, thay đổi đường bờ, bãi biển kết trình rối, trình vận chuyển trầm tích tác động trực tiếp sóng Ranh giới chức đới sóng tràn khác thời gian tùy theo điều kiện thủy triều sóng Chính thay đổi định hình nên địa mạo bãi biển Nghiên cứu tập trung nghiên cứu chất trình lan truyền sóng sau sóng đổ Cơ chế sóng tràn bị chi phối đặc điểm khu vực nghiên cứu (độ dốc bãi biển, phân bố kích thước hạt, chế độ sóng) [1] Bởi đới sóng tràn không ổn định, lượng rối lớn, thủy triều chi phối, dòng chảy hẹp, khó khăn để có liệu xác đới sóng tràn (hình 1) Các nghiên cứu trước tiến hành cách sử dụng thiết bị đo dòng chảy tần số cao (ADV) cảm biến quang tán xạ ngược [2-6] Gần đây, kỹ thuật (ADV, Video) thử nghiệm thành công [7, 8] hầu hết nghiên cứu thực phòng thí nghiệm Trong nghiên cứu này, trình đo đạc kết đo đạc sóng tràn bãi biển Nha Trang trình bày Từ chất vật lý q trình lan truyền sóng sau sóng đổ phân tích làm sáng tỏ Bên cạnh đó, Puleo Holland, 2001; Puleo nnk., 2002; Broccini Baldock, 2008; Hugues Baldock, 2004 [9-11] mô q trình lan truyền sóng đới 115 Nguyễn Kim Cương, Trần Văn Mỹ, … sóng tràn mơ hình mơ chế vỡ đập (dambreak model) khẳng định khả ứng dụng dạng mô hình mơ trường dòng chảy bãi biển Nghiên cứu áp dụng mơ hình tương tự để xem xét khả mô dạng mơ hình cho bãi biển thực tế bãi biển Nha Trang Hình Sơ đồ mặt cắt bãi biển phân bố sóng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Khảo sát thực địa Số liệu khảo sát báo tiến hành đo dòng chảy đới sóng tràn máy Vectrino II tháng năm 2013 bãi biển Nha Trang Vì đới sóng tràn thay đổi theo dao động độ cao mực nước thủy triều nên tác giả tiến hành đo dòng chảy đới sóng tràn máy Vectrino II phải dịch chuyển vị trí đặt máy theo dao động độ mực nước thủy triều Do phải chọn vị trí đặt máy Vectrino II đới sóng vỡ sóng tràn cho đầu sensor ngập nước nhiều Khoảng cách từ đầu sensor tới đáy xác định khoảng 7,5 cm Do Vectrino II có khoảng trắng khơng đo cách đầu đo khoảng cm nên nghiên cứu đo khoảng 3,5 cm với 35 cell, khoảng cách cell 1mm, tần số đo 0,015 s (hình 2) Các số liệu đo đạc máy Vectrino hỗ trợ trạm đo sóng ngồi khơi máy AWAC độ sâu 10 m Hình Triển khai đo dòng chảy đới sóng tràn Vectrino II (Nortek) 116 Cơ chế dòng chảy sóng đới sóng … Mơ hình số vỡ đập (dambreak model) Mơ hình vỡ đập phát triển nghiên cứu ứng dụng phương trình nước nơng hay gọi phương trình Saint Venant Phương trình tổng quát có dạng: U F S U t x q (1) q F uq g ( 2 zb ) (2) S z g b x độ hệ thống 21 cọc (hình 3) Thơng qua hình ảnh thu từ camera đặt ngang bãi (hình 3), độ cao bore nước xác định làm điều kiện ban đầu cho mơ hình số Với việc sử dụng camera độ phân giải cao hồn tồn xác định khoảng cách từ máy Vectrino để phục vụ đo đạc kiểm chứng kết mơ hình Một tham số khác vận tốc ban đầu bore nước xác định công thức: u0 gH b [11]; g gia tốc trọng trường; Hb độ cao cột nước ban đầu xác định từ camera KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU (3) Trong đó: t: thời gian (s), U: vector chứa dòng chảy bảo tồn (m/s), x: tọa độ Decartes (m), F: thông lượng x-hướng (m3/s), S: nguồn (m3/s), η zb mức độ bề mặt nước, độ cao đáy so với mốc đo đạc hệ thống cọc (m), h = η - zb, q = uh: lưu lượng đơn vị chiều rộng (m3), g: gia tốc trọng trường (m/s2), u: vận tốc trung bình theo độ sâu (m/s), / : độ dốc đáy Hình Quan trắc yếu tố sóng đới sóng tràn Mơ hình giải phương pháp thể tích hữu hạn với ngơn ngữ lập trình Matlab Để giải mơ hình số này, điều kiện ban đầu cần cung cấp: Độ cao cột nước (bore) sóng đổ truyền lên bãi độ dốc đáy Độ dốc đáy xác định việc đo đạc cao Quan hệ độ cao sóng ngồi khơi độ cao bore nước đới sóng tràn Như mơ tả hình 3, độ cao bore nước thu thơng qua xử lý ảnh camera đặt bãi biển thu Hình thể mối quan hệ độ cao bore nước độ cao sóng ngồi khơi đo đạc máy AWAC Về bản, sóng ngồi khơi lan truyền vào bờ ảnh hưởng địa hình bãi biển nơng nên biến dạng đổ tạo nên bore nước lan truyền lên bãi biển Mặc dù trình tương đối phức tạp bị ảnh hưởng nhiều yếu tố: hướng sóng, hướng gió, địa hình … độ cao sóng ngồi khơi độ cao bore nước có mối quan hệ tương đối khăng khít (hình 4) Có thể kết luận rằng, độ cao bore nước tỷ lệ thuận với độ cao sóng ngồi khơi Hình Mối quan hệ độ cao sóng ngồi khơi độ cao bore nước Phân bố vận tốc dòng chảy đới sóng tràn Sau sóng đổ, lượng sóng bị tiêu hao phần phần lại tiếp tục làm cho cột nước tiếp tục di chuyển lên bãi Chính 117 Nguyễn Kim Cương, Trần Văn Mỹ, … phần lượng góp phần khuấy đưa hạt bùn, cát khỏi vị trí dòng chảy sóng mang khỏi vị trí ban đầu Đây chế xói lở/bồi tụ làm thay đổi địa mạo bãi biển Theo đó, xác định vận tốc hướng dòng chảy đới sóng tràn việc quan trọng, góp phần xác định ảnh hưởng sóng tới hình thái bờ biển Theo pha nước lên sau sóng đổ, hạt nước hướng theo chiều chuyển động tia sóng (về phía bờ) theo qn tính chậm dần Sau đó, theo pha nước rút xuống, hạt nước chuyển động theo hướng ngược lại (hình 5) Hình Biến thiên vận tốc hướng dòng chảy đới sóng tràn lúc h 48’ ngày 29/5/2013 Trên hình 5, dòng chảy đới sóng tràn diễn nhanh khoảng vài giây hướng dòng chảy thay liên tục thời gian ngắn Trong khoảng 5,39 s, đới sóng tràn có tới đợt nước lên rút Vận tốc dòng chảy đới sóng tràn lớn 1,2 m/s hướng dòng chảy khơng đối lập hồn toàn Điều xảy bãi biển chiều sóng lan truyền khơng hồn tồn vng vóc với bãi biển ảnh hưởng địa hình bãi biển Các kết tương tự thu vào thời điểm khác bãi biển Nha Trang (hình 6) Hình Biến thiên vận tốc hướng dòng chảy đới sóng tràn lúc h 49’ ngày 29/5/2013 Một kết đáng ý từ số liệu đo đạc khẳng định pha nước lên xuống sau sóng đổ không đồng 118 với liên tiếp ngược hướng bãi biển thực tế Trên hình dẫn chuỗi phân bố dòng chảy đới sóng tràn theo thời gian Trong s đầu, có pha nước xuống pha lên khoảng s sau Do bãi biển phân bố hai chiều nên sau sóng đổ, tùy theo địa hình bore nước vng góc với bãi biển xiên Khi pha lên pha xuống bore nước tương tác với dẫn đến phân bố bất đối xứng dòng chảy pha nước lên pha nước xuống Điều tương tự pha nước lên (hình 8) Hình Biến thiên vận tốc hướng dòng chảy đới sóng tràn lúc 16 h 35’ ngày 29/5/2013 Hình Biến thiên vận tốc hướng dòng chảy đới sóng tràn lúc h 04’ ngày 30/5/2013 Phân bố lượng rối đới sóng tràn Khi sóng biển lan truyền từ ngồi khơi vào bờ, độ cao sóng tăng lan truyền tới giá trị tới hạn so với độ sâu nước, sóng đổ tạo thành bore nước lan truyền lên bãi Năng lượng sóng đổ biến chuyển động sóng thành chuyển động rối, đặc trưng xốy cuộn có kích thước khác Chính q trình góp phần làm khuấy hạt trầm tích khỏi vị trí đưa vào trạng thái lơ lửng Do vậy, dòng chảy mang làm thay đổi địa mạo bãi đường bờ Hình thể phân bố lượng rối đới sóng vỡ sóng tràn tương ứng với pha bore nước Năng lượng rối đạt giá trị lớn khoảng 97 m2/s2 nhỏ Cơ chế dòng chảy sóng đới sóng … 72 m2/s2 Khi vận tốc dòng chảy đới sóng tràn tăng lượng rối trung bình tăng dần lên, lượng rối pha nước lên thường lớn so với pha nước xuống Mặc dù vậy, lượng rối trung bình khơng lớn vận tốc dòng chảy đạt giá trị lớn Mô vận tốc chuyển động bore nước mơ hình số Dam-break Hình Biến thiên vận tốc hướng dòng chảy lượng rối trung bình đới sóng tràn lúc h 48’ ngày 29/5/2013 Bảng Các trường hợp mô Khi sử dụng máy Vectrino với độ phân giải cao tần số cao, lượng rối bore nước phân tích làm sáng tỏ chế trình chuyển động rối Trong khoảng 35 mm (từ 40 cm đến 75 cm từ đầu sensor), lượng rối có thay đổi lớn theo độ sâu Một điểm đáng ý lớp nước mỏng 3,5 cm sát đáy, lượng rối có phân bố khác biệt tầng (hình 10) Năng lượng rối cao phía đáy biển đạt giá trị khoảng từ 50 ÷ 400 m2/s2 Những vị trí tập trung lượng rối cao gần trì pha nước lên xuống Đây nơi trầm tích bị khuấy động mạnh Hình 10 Phân bố lượng rối đới sóng tràn lúc h 48’ ngày 29/5/2013 Trong báo này, mơ hình số vỡ đập mô tả ứng dụng tính tốn cho bãi biển Nha Trang Tuy nhiên, mơ hình dừng lại mức mơ chiều cho q trình lan truyền sóng bãi biển thực Độ dốc bãi biển độ cao ban đầu bore nước đưa vào từ số liệu khảo sát tháng năm 2013 Mơ hình mô cho trường hợp lan truyền nước với độ cao vận tốc ban đầu khác (bảng 1) Vận tốc ban đầu bore nước xác định công thức: [11] Độ cao bore nước (ho - m) Vận tốc ban đầu (Vo - m/s) Trường hợp 0,14 1,172 Trường hợp 0,509 2,35 Trường hợp 0,909 2,986 Trường hợp 1,509 3,85 Trường hợp Hình 11 Biến thiên vận tốc dòng chảy bãi biển Nha Trang trường hợp khoảng cách từ bore tới điểm đo 0,72 m Hình 11-14 thể biến thiên theo thời gian vận tốc bore nước vị trí khác bãi biển Theo vị trí xác định từ camera đặt bãi, điểm tính tốn mơ hình trích xuất tương ứng Các giá trị thực đo thể điểm hình tròn giá trị mô thể đường liền nét Có thể nhận thấy được, mơ hình mơ tương đối tốt vận tốc dòng nước đới sóng tràn đặc biệt pha nước lên Tuy vậy, pha nước xuống, giá trị vận tốc mô thường lớn so với giá trị thực đo Điều mơ hình số, q trình tương tác phức tạp 119 Nguyễn Kim Cương, Trần Văn Mỹ, … dòng nước xuống trọng lực bore nước lên chưa tính đến Khi dòng nước xuống gặp bore nước lên dẫn đến vận tốc dòng nước chuyển động chậm dần Mặc dù vậy, khẳng định mơ hình số mơ tương đối tốt vận tốc dòng nước vị trí khách điều kiện sóng bãi biển Hình 12 Biến thiên vận tốc dòng chảy bãi biển Nha Trang trường hợp khoảng cách từ bore tới điểm đo 1,65 m Hình 13 Biến thiên vận tốc dòng chảy bãi biển Nha Trang trường hợp khoảng cách từ bore tới điểm đo 2,27 m Hình 14 Biến thiên vận tốc dòng chảy bãi biển Nha Trang trường hợp khoảng cách từ bore tới điểm đo 3,72 m KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết đo đạc mô trường dòng chảy, lượng rối đới sóng tràn bãi biển Nha Trang Các hệ thống đo đạc dòng chảy với độ phân giải tần số cao triển khai cho kết 120 đáng ý Mơ hình tốn ứng dụng để mơ q trình lan truyền bore nước bãi biển Nha Trang Khi sóng lan truyền từ khơi vào bờ bị tiêu tán lượng qua q trình sóng đổ, độ cao bore nước tạo thành sau sóng đổ tỉ lệ thuận với độ cao sóng ngồi khơi Trên bãi biển thực tế, kiện lên xuống bore nước đan xen bất đối xứng với Khi có giao lưu pha nước lên xuống, lượng rối thường đạt cực đại Đây ngun nhân ảnh hưởng đến q trình bứt lên khỏi đáy cát biển làm thay đổi địa mạo bãi biển Kết mơ dòng chảy mơ hình số so sánh với kết đo đạc khẳng định mơ hình vỡ đập mơ cho dòng chảy đới sóng tràn bãi biển thực tương đối đồng Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đề tài mã số TN.15.22 Các số liệu đo đạc báo cung cấp đề tài Nghị định thư Việt Nam - Pháp: “Nghiên cứu đặc trưng động học hình thái vùng vịnh đề xuất ứng dụng giải pháp tái tạo, nâng cấp bãi biển Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa có tính đến ảnh hưởng biến đổi khí hậu” Các tác giả xin cảm ơn tài trợ giúp đỡ TÀI LIỆU THAM KHẢO Masselink, G., and Puleo, J A., 2006 Swash-zone morphodynamics Continental Shelf Research, 26(5): 661-680 Hughes, M G., Masselink, G., and Brander, R W., 1997 Flow velocity and sediment transport in the swash zone of a steep beach Marine Geology, 138(1): 91-103 Hughes, M G., and Turner, I., 1999 The beachface Handbook of Beach and Shoreface Morphodynamics Wiley, Chichester, 119-144 Puleo, J A., Beach, R A., Holman, R A., and Allen, J S., 2000 Swash zone sediment suspension and transport and the importance of bore‐generated turbulence Journal of Geophysical Research: Oceans, 105(C7): 17021-17044 Baldock, T E., 2004 Dynamics of a transient wave group breaking on a beach Dynamics, 13, 17 Cơ chế dòng chảy sóng đới sóng … Masselink, G., and Russell, P., 2005 Field measurements of flow velocities on a dissipative and reflective beach— implications for swash sediment transport In Proceedings Coastal Dynamics (Vol 5) Vousdoukas, M I., Kirupakaramoorthy, T., Oumeraci, H., De La Torre, M., Wübbold, F., Wagner, B., and Schimmels, S., 2014 The role of combined laser scanning and video techniques in monitoring wave-bywave swash zone processes Coastal Engineering, 83, 150-165 Lefebvre, J P., Almar, R., Viet, N T., Thuan, D H., Binh, L T., Ibaceta, R., and Duc, N V., 2014 Contribution of swash processes generated by low energy wind waves in the recovery of a beach impacted by extreme events: Nha Trang, Vietnam Journal of Coastal Research, 70(sp1): 663-668 Puleo, J A., and Holland, K T., 2001 Estimating swash zone friction coefficients on a sandy beach Coastal engineering, 43(1): 25-40 10 Brocchini, M., and Baldock, T E., 2008 Recent advances in modeling swash zone dynamics: Influence of surf-swash interaction on nearshore hydrodynamics and morphodynamics Reviews of Geophysics, 46(3): 1-21 11 Hughes, M G., and Baldock, T E., 2004 Eulerian flow velocities in the swash zone: Field data and model predictions Journal of Geophysical Research, 109(C08009): 1-11 12 Puleo J A., Holland K T., Slinn D N., Smith, E., and Webb B M., 2002 Numerical modelling of swash zone hydrodynamics Proceedings of the 28th International Conference on Coastal Engineering, ASCE, pp 968-979 MECHANISM OF WAVE - INDUCED FLOWS IN SWASH ZONE IN THE NHA TRANG BEACH, VIETNAM Nguyen Kim Cuong1,2, Tran Van My2, Lefebvre Jean-Pierre2,3 Faculty of Hydro-Meteorology and Oceanography, Hanoi University of Science-VNU Centre for Environmental Fluid Dynanics, Hanoi University of Science-VNU UMR 5566-LEGOS (IRD-CNRS-CNES-Paul Sabatier University, Toulouse, France) ABSTRACT: This paper analyzed the measured and simulated data in the field survey in the Nha Trang beach in May 2013 The measurements in the surf and swash zones have been conducted In order to address the quantification of the very shallow, highly turbulent flow in the swash zone, a high frequency micro profiler was deployed (Vectrino II, Nortek) In addition, a dambreak model to simulate process of wave propagation in the swash zone was developed and applied It is confirmed that the numerical model reasonably reproduces the measured data The height of water bore in the swash zone gets greater with the increase of offshore wave height The results enable the estimation of the Reynolds stress component and Turbulent Kinetic Energy Swash bed shear stresses play an important role in controlling the swash morphodynamic processes on sand and gravel beaches Keywords: Swash zone, Nha Trang beach, Vectrino ADV, TKE 121 ... hướng dòng chảy đới sóng tràn lúc h 48’ ngày 29/5/2013 Trên hình 5, dòng chảy đới sóng tràn diễn nhanh khoảng vài giây hướng dòng chảy thay liên tục thời gian ngắn Trong khoảng 5,39 s, đới sóng tràn. .. tốc hướng dòng chảy đới sóng tràn lúc 16 h 35’ ngày 29/5/2013 Hình Biến thiên vận tốc hướng dòng chảy đới sóng tràn lúc h 04’ ngày 30/5/2013 Phân bố lượng rối đới sóng tràn Khi sóng biển lan truyền... vận tốc dòng chảy bãi biển Nha Trang trường hợp khoảng cách từ bore tới điểm đo 3,72 m KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết đo đạc mơ trường dòng chảy, lượng rối đới sóng tràn bãi biển Nha Trang Các