Bài viết bước đầu phân tích một số hàm thống kê độ cao sóng đang được sử dụng trong các quy trình tính toán, dựa trên ý tưởng của chương trình “Quản lý và kỹ thuật công trình biển và ven bờ (COMEM)” do 5 trường đại học của Châu Âu thực hiện năm 2010.
DOI: 10.36335/VNJHM.2019(710).26-32 BÀI BÁO KHOA HỌC SO SÁNH PHÂN BỐ LÝ THUYẾT RAYLEIGH THEO SÓNG QUAN TRẮC TẠI VÙNG BIỂN VỊNH NGHI SƠN, TỈNH THANH HĨA Hồng Trưởng1 Tóm tắt: Bài báo bước đầu phân tích số hàm thống kê độ cao sóng sử dụng quy trình tính tốn, dựa ý tưởng chương trình “Quản lý kỹ thuật cơng trình biển ven bờ (COMEM)” trường đại học Châu Âu thực năm 2010 Với chuỗi số liệu quan trắc,đo đạc sóng vịnh Nghi Sơn, tỉnh Thanh Hóa năm 2017 2018, nhận thấy có khác biệt nhỏ phân bố Rayleigh độ cao chu kỳ sóng Từ khóa: Độ cao sóng, phân bố Rayleigh, vịnh, Nghi Sơn Ban Biên tập nhận bài: 26/11/2019 Ngày phản biện xong: 28/12/2019 Mở đầu Mọi hoạt động biển liên quan đến điều kiện thủy động lực biển, sóng gió mang tính định.Vì vậy, hiểu rõ trạng thái mặt biển yêu cầu bắt buộc hoạt động Ngoài việc quan trắc, đo đạc sóng thiết bị chuyên dụng, đòi hỏi hỗ trợ mơ hình tốn mơ hình thống kê Mơ hình tốn cho phép tái tranh sóng khu vực cụ thể phù hợp với điều kiện biên định; mơ hình thống kê, thơng qua hàm phân bố xác suất, cho thấy quy luật xuất yếu tố sóng vị trí mà nghiên cứu quan tâm Các đặc trưng thống kê sóng gió có ý nghĩa đặc biệt việc thiết kế cơng trình biển, mặt quy mơ tuổi thọ cơng trình Căn vào dẫn tính tốn sóng Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) [5], tổ chức quốc gia xây dựng quy phạm cho [1] Mặc dù quy phạm mang tính chuẩn mực cao, nhiên theo thông lệ, dẫn hay quy phạm thường tái thẩm định nhằm nâng cao độ xác tính tốn tăng cường lực cơng trình Các sửa đổi bổ sung có, xuất phát từ cơng trình nghiên cứu quan trắc giới, kiến nghị khác Trong chương trình “Quản lý kỹ thuật Viện Nghiên cứu biển hải đảo Email: Htruong.visi@gmail.com 26 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2020 Ngày đăng bài: 25/02/2020 cơng trình biển ven bờ (COMEM)” [4] trường đại học Na Uy, Hà Lan, Anh Tây Ban Nha thực năm 2010, người ta quan trắc sóng vị trí khác nhau: (1) vùng bờ Thái Bình Dương Costa Rica; (2) vùng bờ Đại Tây Dương Costa Rica; (3) vùng Địa Trung Hải Tây Ban Nha; (4) vùng biển Mexico bão Wilma với thời gian từ ngày đến tháng tùy theo vị trí, nhằm tính tốn lại đặc trưng sóng gió sóng lừng, đối chiếu với quan hệ lý thuyết sử dụng Kết cho thấy số khác biệt so với phân bố Rayleigh (Bảng 1) Mục tiêu Bài báo nhằm kiểm chứng số liệu đo đạc, quan trắc sóng trường với hàm phân bố Rayleigh, từ có sở hiệu chỉnh số quan hệ độ cao sóng mang tính đặc thù khu vực nghiên cứu Trong năm 2017 2018, Viện Nghiên cứu biển hải đảo, Tổng cục Biển Hải đảo Việt Nam tổ chức đợt đo sóng khu vực biển Vịnh Nghi Sơn, huyện Tĩnh Gia, tỉnh Thanh Hóa phục vụ cho nhiệm vụ Viện Nhận thấy nguồn số liệu đo đạc, quan trắc đáng tin cậy, nghiên cứu sử dụng phương pháp thống kê để đối chiếu với phân bố Rayleigh thực hiện, nhằm góp phần nghiên cứu sóng BÀI BÁO KHOA HỌC Bảng Tỷ số độ cao sóng quan trắc ven bờ Thái Bình Dương Costa Rica Thơng Tin GiỈ trị Độ lệch chuẩn Hmax/H1/3 1,546 H1/10/H1/3 1,199 H1/3/Hmean 1,545 H1/3/Hrms 1,385 Tmax/T1/3 1,506 T1/10/T1/3 0,964 T1/3/Tmean 1,133 0,169 0,059 0,056 0,029 0,179 0,056 0,055 Phương pháp nghiên cứu 2.1 Phương pháp thu thập, tổng hợp thông tin tài liệu, số liệu Đây phương pháp xử lý, tổng hợp thông tin số liệu quan trắc, đo đạc chiều cao, chu kỳ hướng sóng Viện Nghiên cứu biển hải đảo thực năm 2017 2018 có độ tin xác cao 2.2 Phương pháp thống kê Trên sở nguồn thông tin, số liệu quan trắc, đo đạc sóng thu thập, tổng hợp có độ xác tin cậy cao, Bài báo sử dụng phương pháp thống kê để đối chiếu kết quan trắc, đo đạc sóngvới phân bố lý thuyết Rayleigh 2.3 Phương pháp tổng hợp, phân tích, đánh giá Kết so sánh số liệu đo đạc, quan trắc sóng với phân bố lý thuyết Rayleigh tổng hợp, phân tích đánh giá đưa nhận xét mối tương quan, phù hợp số liệu đo đạc, quan trắc sóng với phân bố lý thuyết Rayleigh vùng biển vịnh Nghi Sơn, tỉnh Thanh Hóa Kết thảo luận 3.1 Các hàm thống kê đặc trưng sóng Có loại hàm phân bố sử dụng để tính tốn yếu tố sóng [5]: - Trong thời gian dài hàng năm, gọi hàm chế độ; - Trong thời gian tác động bão; - Trong trường hợp sóng ổn định Nghiên cứu thống kê sóng năm gần cho thấy, tất loại phân bố quy phân bố Weibull: x F (x) exp (1) x Trong x giá trị trung bình yếu tố sóng bất kỳ; α , β tham số xác định sở số liệu thực đo Giá trị lý thuyết tham số cho phân bố yếu tố sóng khác dẫn Bảng Bảng Tham số hàm phân bố Weibull Yếu tố sóng β α Độ cao sóng Chu kỳ sóng Bước sóng 2,3 0,785 0,654 0,757 3.1.1 Các hàm phân bố chế độ Loại hàm đóng vai trò lớn thiết kế loại cơng trình khác thềm lục địa bờ biển cần có chuỗi đo đạc sóng nhiều năm Các hàm phân bố chế độ độ cao sóng mơ tả quy luật lôga chuẩn: F(ln H ) ln H M(ln H)2 exp 2 (lnH) 2 (ln H) (2) Trong F (ln H ) mật độ lơgarit xác suất độ cao sóng; M (ln H ) kỳ vọng tốn học độ cao sóng; σ (lnH) độ lệch lơgarit Vì hàm phức tạp, thực hành thường sử dụng phân bố Gumbel, GEV (Generalized Extreme Value), Frechet phân bố khác 3.1.2 Sóng bão Theo Matusevsky, hàm phân bố độ cao sóng có dạng tích phân hàm phân bố sóng ổn định với mật độ phân bố độ cao sóng trung bình bão biết: H max Φ( H ) = ∫ F ( H , H ,h) f ( H )d H (3) Trong Hmax độ cao sóng lớn bão; h độ sâu đáy biển Mục đích báo đánh giá phân bố Rayleigh, thích hợp chuỗi sóng quan trắc, mối quan tâm dẫn 3.1.3 Sóng ổn định Vilensky Glukhovsky sở tổng hợp TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2020 27 BÀI BÁO KHOA HỌC H1 (10) số lớn số liệu đo đạc sóng nước nông đưa hàm phân bố độ cao sóng có xét đến độ sâu biển: H 1H /h H F (H ) exp H 1 2 h (4) T 4 F (T ) exp 4.8 T (5) Trong h độ sâu đáy biển Hàm phân bố chu kỳ sóng nước sâu không phụ thuộc vào độ sâu đáy biển có dạng: Trong T là chu kỳ sóng trung bình Theo tài liệu nghiên cứu [2] áp dụng cho vùng biển sâu có dạng: (6) T 4 F (T ) exp 4.8 T Trong H độ cao sóng trung bình Quy luật phân bố gọi Rayleigh, áp dụng cho sóng Cùng với tăng độ sâu, tỷ số H/h giảm tiến tới không, công thức (4) chuyển thành công thức (6) Theo Longuet-Higgins, lấy H rms = N ∑ H i làm tham số điển hình, độ cao sóng thể lượng trường sóng xác nhất, ta có: 2H − H / H (7) F ( H ) = e ( rms ) H rms Xác suất mà độ cao sóng riêng biệt (10)vượt giá trị định H* (xác suất vượt) cho bằng: ∞ F ( H > H* ) = ∫ F ( H )d ( H / H rms ) = e − ( H* / H rms )2 (8) Như vậy, H1/3 (trung bình 1/3 độ cao sóng lớn nhất), độ cao sóng vượt(10) 13,5% (10) sóng Áp dụng phân bố Rayleigh, liên hệ tham số sóng tiêu biểu H1/100 (trung bình H 1/100 độ cao sóng lớn nhất), H1/10 (trung 1bình 1/10 độ cao sóng lớn nhất), H1/3=Hs (độ cao sóng có nghĩa) với Hrms cho ta mối quan hệ ngồi vùng sóng đổ [3]: (9) H1/100=2,4 Hrms H* /H rms 28 H1/10=1,8 Hrms TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2020 (10) (10) (10) H1/3= Hrms=1,41 Hrms H= (12) π H rms = 0.89 H rms (11) H1 (12) (12) Theo tài liệu nghiên cứu [2] cho thấy: (13) H1/10=1,6 Hrms H1/3=1,3 Hrms (14) H1/10=1,2 H1/3 (15) T1/10 =T1/3 (16) Trong ghi, sóng có độ cao nhỏ thường có chu kỳ ngắn Trong đó, sóng có độ cao lớn độ cao trung bình khơng (10) tương quan rõ ràng với chu kỳ sóng mà thường thể H sơ đồ “phân tán” (scatter diagram), (12) cho thấy độ cao sóng nhóm định (10) có chu kỳ phạm vi nào1/2 Với sóng nước (10) phân nơng lấy: TZ = 11 H S Tuy nhiên, H1 g tích ghi sóng biển Bắc cho thấy H1(12) T=4H0,4, Địa Trung Hải: T=4+2Hs0,7 Mơ hình (12 sóng Sverdrup-Munk-Bretschneider cho T=5H0,4 Nhưng chu kỳ sóng gió riêng lẻ cho thấy nằm phạm vi từ 0,5 đến lần chu kỳ sóng trung bình (0,5 T