Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Mơi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 122-129 Tính tốn chế độ sóng vận chuyển trầm tích dọc bờ vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hịa Vũ Cơng Hữu*, Đinh Văn Ưu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 08 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 26 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 12 năm 2016 Tóm tắt: Các bãi tắm phía bắc nam sơng Cái vịnh Nha Trang xảy q trình xói năm gần Việc xác định chế độ thủy động lực nguyên nhân gây xói cho bãi tắm khu vực toán mở đề tài hút nhiều nhà khoa học Nghiên cứu trình bày kết tính tốn chế độ sóng 20 năm cho vịnh Nha Trang mơ hình phổ sóng dừng EBED dịng vận chuyển trầm tích dọc bờ qua mặt cắt theo phương pháp CERC cho bãi tắm phía bắc phía nam sơng Cái vịnh Kết tính tốn cân dòng vận chuyển dọc bờ cho thấy khu vực có xu bồi xói tồn dòng rip (dòng ngang bờ) Các kết có ý nghĩa tham khảo cho nghiên cứu tính tốn q trình ven bờ vịnh Nha Trang Từ khóa: Bãi biển Nha Trang, CERC, sóng vỡ, vận chuyển dọc bờ, mơ hình sóng EBED Mở đầu Trang từ sông Cái Bên cạnh mạnh du lịch, khu vực bãi biển vịnh Nha Trang tồn số hạn chế sau: a) Bãi biển chịu tác động sóng lớn thời kỳ mùa đơng, có bão gió mùa đơng bắc [1-2]; b) Bãi biển bị tác động bồi xói, biến đổi mạnh theo mùa [1-2]; c) bãi biển hẹp, có độ dốc lớn sâu, gây bất lợi cho việc tắm biển vào thời kỳ mùa đông; d) Sự phát triển cồn ngầm cửa sông Cái tác động tới bãi tắm lân cận cửa [3] Vịnh Nha Trang nằm phía đơng thành phố Nha Trang, thuộc tỉnh Khánh Hòa, giới hạn phía bắc mũi Kê Gà, phía nam mũi Đông Ba Vịnh Nha Trang vịnh biển lớn thứ hai sau vịnh Vân Phong tỉnh Khánh Hòa với diện tích khoảng 500 km2 Đây 29 vịnh đẹp giới, trung tâm du lịch dịch vụ có tốc độ tăng trưởng nhanh tỉnh Khánh Hịa nói riêng khu vực Nam Trung Bộ nói chung Vịnh Nha Trang có chiều dài khoảng 16 km chiều rộng khoảng 13 km Vịnh thơng với biển ngồi qua hai cửa: cửa phía đơng bắc, cửa nhỏ phía đơng nam Nguồn nước đổ vào vịnh Nha Phương pháp mơ Khi sóng truyền từ vùng nước sâu vào vùng ven bờ, q trình biến đổi sóng thường biến đổi đáng kể biến đổi địa hình đáy hiệu ứng nước nơng, khúc xạ, sóng vỡ kết _ Tác giả liên hệ ĐT.: 84-633041948 Email: vuconghuu80@gmail.com 122 V.C Hữu, Đ.V Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 122-129 dẫn đến biến đổi đặc trưng sóng Trường hợp phức tạp xung quanh cơng trình ven bờ Trong thập kỷ gần đây, mơ hình sóng nghiên cứu phát triển mạnh mẽ Mỗi mơ hình có ưu nhược điểm riêng Cho đến nay, phân mơ hình thành loại “các mơ hình trung bình pha (phase-averaged models)” “các mơ hình xét theo pha thực (phaseresolving models)” Các mơ hình xử lý theo pha tính tốn đặc trưng sóng chi tiết miền thời gian cách giải phương trình bảo tồn khối lượng động lượng Các mơ hình phát triển theo phương pháp thường gọi mơ hình Boussinesq [4] Một số quan nghiên cứu phát triển thành phần mềm chuyên dụng DHI, … Tuy nhiên, mơ hình loại u cầu số lượng tính tốn lớn thường áp dụng với quy mô không gian nhỏ vùng nước nơng Các mơ hình trung bình pha bỏ qua biến đổi sóng pha sóng, xét đến biến đổi trung bình sóng miền tần số dựa quan hệ cân lượng cân tác động Loại mơ hình đặc biệt thích hợp với biến đổi hướng sóng quy mơ khơng gian lớn giảm khó khăn mặt tính tốn Loại mơ hình kể đến SWAN model (Booij et al., 1999), STWAVE model (Smith et al., 1999) and WABED model (Linet al., 2008) áp dụng phổ biến vùng nước sâu nước nông Các tác giả Panchang Demirbilek (1998) loại mơ hình dự báo sóng áp dụng vùng ven bờ sử dụng phương trình cân lượng hay cân tác động không trực tiếp mô tả hiệu ứng nhiễu xạ phản xạ Tuy vậy, trình bổ sung vào theo phương pháp gần [5-6] Nhóm tác giả P.T.Nam, L.X.Hồn (2010) bổ sung hiệu ứng sóng cuộn, tương tác sóng dịng chảy Mơ hình kiểm nghiệm dựa số liệu thí nghiệm Bộ quốc phịng Mỹ [7] Khu vực quan tâm vịnh Nha Trang, nhiên miền tính sóng mở rộng lên phía bắc xuống phía nam (Hình 2) 123 Hình Vịnh Nha Trang Hình Miền tính sóng (trái) khu vực vịnh Nha Trang (phải) Mơ hình sóng hiệu chỉnh với số liệu thực đo thời đoạn đặc trưng cho mùa đông mùa hè Các hình minh cho thấy kết tính tốn thực đo Hình So sánh hướng sóng (thời đoạn mùa đơng) 124 V.C Hữu, Đ.V Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 122-129 Hình So sánh hướng sóng (thời đoạn mùa hè) Hình So sánh chu kỳ sóng (thời đoạn mùa hè) Hình So sánh độ cao sóng (thời đoạn mùa đơng) Tiếp theo, mơ hình sử dụng để tính tốn mơ trường sóng cho 20 năm với số liệu sóng ngồi khơi lấy từ nguồn số liệu sóng tồn cầu với ốp 6h [8] Tính tốn tham số sóng vỡ: Các tham số sóng vỡ nhạy cảm tính tốn ven bờ Trong nghiên cứu này, phương pháp tính trực tiếp dựa hệ phương trình bảo tồn lượng sóng kết hợp với quy luật biến đổi góc sóng Snell áp dụng [9] ( 1) Hình So sánh độ cao sóng (thời đoạn mùa hè) Chỉ số m tương ứng sóng nước sâu Chỉ số b tương ứng với sóng vỡ Cơng thức sử dụng phổ biến tính tốn dịng vận chuyển dọc bờ công thức CERC [10] Phương pháp dựa nguyên lý thông lượng vận chuyển dọc bờ (tổng lơ lửng di đáy) tỷ lệ với lượng sóng dọc bờ đơn vị độ dài bãi Công thức CERC hiệu chỉnh dựa liệu trường cho bãi cát có dạng: Q = a1CgbHb2 sin2θb (2) Với Với ρ mật độ nước biển, ρs mật độ cát, p độ xốp cát đáy, hệ số K1 = 0.37 Hình So sánh chu kỳ sóng (thời đoạn mùa đơng) V.C Hữu, Đ.V Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 122-129 125 Trong công thức CERC, tham số quan trọng độ cao sóng vỡ hướng sóng vỡ Sai số độ cao sóng 10% dẫn đến sai số 25% lượng vận chuyển Kết tính tốn trường sóng VCDB Kết tính tốn cho thấy: Khu vực bãi tắm phía bắc (phía bắc cửa sơng Cái) che chắn độ cao sóng nhỏ so với ngồi khơi Tại khu vực bãi tắm phía nam cửa sơng Cái, sóng ngồi khơi có hướng đơng nam hướng nam bị đảo phía nam che chắn nên truyền vào khu bãi tắm qua eo biển đảo Hịn Tre đất liền Do vậy, độ cao sóng nhỏ hướng sóng có xu dọc bờ Ở phía nam cửa sơng Cái, thời kỳ mùa hè, độ cao sóng lớn đạt 0,6 m trung bình từ 0,1 đến 0,4 m, hướng sóng chủ đạo hướng đơng nam, chu kỳ sóng nhỏ cỡ 3-4s Như vậy, mùa hè chủ yếu sóng gió truyền từ phía nam tới Tại điểm phía bắc cửa sơng Cái, trường sóng chủ yếu truyền từ phía cửa đơng vịnh Do vậy, sóng khu vực có hướng đơng bắc đơng nam Khu vực bãi tắm phía nam cửa sơng Cái, độ cao sóng lớn đáng kể so với sóng ngồi khơi Hướng sóng có xu đơng đơng bắc Khi sóng ngồi khơi có hướng đơng truyền thẳng vào vịnh mà khơng bị che chắn đảo, cịn ảnh hưởng địa hình vào nước nơng nên khu vực bãi tắm có hướng sóng vng góc với bờ Khu vực phía bắc vịnh hướng sóng có xu đơng nam Hình 10 Trường sóng gió mùa tây nam Hình 11 Hoa sóng mùa (phía nam cửa sơng Cái) Hình 12 Hoa sóng mùa hè (phía nam cửa sơng) Hình Trường sóng gió mùa đơng bắc Các số liệu tính tốn sóng, từ kết khảo sát cho thấy sóng mùa đơng có đặc trưng chiều cao sóng lớn hẳn so với mùa hè (ln cao 0,5m có đạt 2,0 m), chu kỳ sóng khoảng 6s đến 10s, số thời điểm lớn 14s Hướng sóng chủ đạo tồn vịnh đơng đơng bắc 126 V.C Hữu, Đ.V Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 122-129 Kết trường sóng cho thấy dải ven bờ phía bắc nam cửa sông Cái thể đặc trưng bất đối xứng theo mùa Hình 13 Hoa sóng mùa hè (phía bắc cửa sơng) Từ mặt cắt MC1N đến MC2N dịng vận chuyển hướng lên phía bắc tăng dần từ MC1N đến MC2N (giá trị âm) Từ mặt cắt MC4N đến MC3N dịng vận chuyển hướng phía nam (giá trị dương) Dòng vận chuyển mặt cắt MC2N hướng lên phía bắc mặt cắt MC3N dịng vận chuyển lại hướng xuống phía nam Các tháng mùa hè, phần lớn độ cao sóng nhỏ 0.5m Do vậy, không xét đến tác dụng gây vận chuyển trầm tích Tại mặt cắt MC4N, hướng sóng diễn biến phức tạp vị trí gần Hịn Chồng dẫn đến dòng vận chuyển dọc bờ diễn biến phức tạp Xét đến cân trầm tích dọc bờ kết cho thấy: Dịng vận chuyển tăng dần từ MC1N đến MC2N Như vậy, bãi khoảng bị thiếu hụt trầm tích hay xu bãi bị xói Tuy nhiên, khu vực MC1N có địa hình đáy đá gốc lấn biển, chưa có bãi, vật liệu thơ, nhiều đá, khó bị xói Như vậy, nuôi bãi khu vực cần ý đến nguy co thiếu hụt trầm tích có xu bị xói Hình 14 Hoa sóng mùa đơng (phía bắc cửa sơng) Dịng vận chuyển tăng dần từ MC4N đến đến MC2N Như vậy, bãi khoảng bị thiếu hụt trầm tích hay xu bãi bị xói Tuy nhiên, khu vực MC4N có địa hình đáy đá gốc lấn biển, chưa có bãi, vật liệu thơ, nhiều đá, khó bị xói Như vậy, nuôi bãi khu vực cần ý đến nguy thiếu hụt trầm tích có xu bị xói Hình 15 Các mặt cắt (bãi tắm phía bắc) Kết tính tốn dịng vận chuyển dọc bờ mặt cắt bãi tắm phía bắc sơng Cái cho thấy: Hình 16 Dịng vận chuyển dọc bờ (các tháng) V.C Hữu, Đ.V Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 122-129 Trong khoảng MC2N MC3N dịng vận chuyển có xu tụ vào Như vậy, mặt cân bãi khoảng bồi Nhưng thực tế, bãi khu vực lại bị xói Qua thấy tồn vận chuyển ngang bãi đóng vai trị đáng kể làm xói bãi tắm số giai đoạn năm, đặc biệt điều kiện chịu tác động bão gió mùa mạnh Dịng vận chuyển trầm tích dọc bờ có vai trị quan trọng biến đổi dài hạn bãi, nhiên dịng trầm tích ngang bờ xảy gió mùa mạnh bão lại có vai trị định q trình hình thành đường bờ cân trắc ngang bờ cân Như vậy, để có quy hoạch phát triển bền vững bãi tắm, cần có kết hợp dạng cơng trình hạn chế dịng bùn cát dọc bờ theo dạng kè mỏ hàn kết hợp cơng trình phá sóng làm suy giảm sóng lớn bão gió mùa mạnh Kết tính tốn dịng vận chuyển trầm tích dọc bờ mặt cắt bãi tắm phía nam: Các vị trí mặt cắt chọn nhằm giới khu vực bãi tắm Từ kết tính tốn vận chuyển trầm tích qua mặt cắt giúp xác định cán cân cân vận chuyển dọc bờ Kết tính tốn cho thấy cân dòng vận chuyển dọc bờ Như vậy, khu vực bãi tắm có xu bồi thực tế phân tích diễn biến bãi lại thấy bãi phía nam bị xói Như vậy, tồn trình vận chuyển ngang bờ làm xói bãi phía nam khảng thời gian ngắn cục bão gió mùa 127 Hình 18 Dịng vận chuyển dọc bờ (các tháng) Hình 19 Sơ đồ dịng vận chuyển dọc bờ Bãi tắm phía bắc, trước UBND (phía nam nhà khách 378) có dịng vận chuyển dọc bờ biến động theo mùa rõ ràng đáng kể Đây bãi tắm cần cải tạo cho mục đích nâng cao khả mức độ an tồn bãi tắm Đối với bãi phía bắc Hịn chồng, tính tốn cho thấy khả dịng vận chuyển dọc bờ có xu gặp khu vực trước Nhà Văn Hóa Đây nơi có nhiều khả tạo dịng rip mang trầm tích phía ngồi khơng cho phép tích tụ trầm tích ven bờ dẫn đến hình thành bãi tắm Kết luận Hình 17 Vị trí mặt cắt Mơ hình sóng kiểm nghiệm với số liệu phịng thí nghiệm Mặc dù kiểm nghiệm với chuỗi số liệu thực đo sóng mùa hè 128 V.C Hữu, Đ.V Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 122-129 mùa đông trường cho kết tốt xét với khoảng thời gian ngắn Tuy nhiên, việc kiểm nghiệm thực tế cịn ít, cần có thêm số liệu sóng thực đo khu vực phục vụ cho việc hiệu chỉnh mơ hình Mơ hình sóng mơ hình sóng dừng nên kết tính sóng đáng tin cậy vùng có địa hình đáy biến đổi theo thời gian nghĩa từ vùng nước có độ sâu tới hạn vào bờ, kết có độ xác chưa cao Tuy nhiên, việc tính tốn vận chuyển trầm tích khơng phụ thuộc vào điều đặc trưng sóng mặt cắt lấy điểm nước có độ sâu ngồi vùng tới hạn (lớn độ sâu tới hạn) tính tốn đặc trưng sóng vỡ theo phương pháp đề cập Kết tính vận chuyển trầm tích dọc bờ theo phương pháp CERC có độ xác khơng cao cho thấy xu tượng bồi xói tồn dịng rip Các kết nghiên cứu có ý nghĩa tham thảo nghiên cứu biến đổi bãi biển, quy hoạch bãi tắm cho khu vực Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đề tài mã số TN.16-21 Các tác giả xin cảm ơn tài trợ Tài liệu tham khảo [1] V.C Hữu nnk Đặc trưng trường sóng diễn biến đường bờ bãi tắm khu vực Vịnh Nha Trang Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 31, Số 3S (2015) [2] Lê Đình Mầu, Nguyễn Văn Tuân, Phạm Thị Phương Thảo Đặc điểm phân bố đặc trưng sóng vịnh Nha Trang trường gió mùa điển hình TTNCB, tập XVII, 9-17, 2010 [3] Đề tài Nghị định thư Việt-Pháp cấp nhà nước “Nghiên cứu chế độ thủy động lực vận chuyển bùn cát vùng cửa sông bờ biển vịnh Nha Trang – Khánh Hòa, 2013-2014” [4] Madsen P A, Murray R, Sorensen O R 1991 A new form of the Boussinesq equations with improved linear dispersion characteristics Coastal Engineering,15(4): 371(388) [5] Mase H 2001 Multi-directional random wave transformation model based on energy balance equation Coastal Engineering Journal, 43(4): 317(337) [6] Mase H, Oki K, Hedges T, et al 2005 Extended energy balance equation wave model for multidirectional random wave transformation Ocean Engineering, 32(8-9): 961(985) [7] Nam, T.P., Larson, M., Hanson, H., and Hoan, L.X (2009) A numerical model of nearshore waves, currents and sediment transport Coastal Engineering 56(2009), 1084-1096 [8] http://apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-fulldaily/levtype=sfc/ [9] Larson, M., Hoan, L.X., and Hanson, H (2010) A direct formula to compute wave height and angle at incipient breaking Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 136(2), 119-122 [10] Shore Protection Manual, US Army Corps of Engineers, 1984 Calculation of Wave Regime and Longshore Sediment Transport in Nha Trang Bay, Khanh Hoa Province Vu Cong Huu, Dinh Van Uu VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Abstract: The north and south beaches of Cai river mouth of Nha Trang bay has been eroded significantly in recent years The hydrodynamic regime and reason of beach erosion causing are still open problems and are subjected to many scientists This research presents the results of calculation of V.C Hữu, Đ.V Ưu / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 122-129 129 the 20 years wave regime for Nha Trang Bay using the steady-spectrum model (EBED) and longshore sediment transport by CERC method at cross-sections of the north and south beaches of Cai river mouth of Nha Trang bay The result shows that the imbalance of longshore sediment transport and the trend of rip current may be occurred at beach areas These results should have meaningful reference in the investgations of nearshore processes in Nha Trang bay Keywords: CERCE, EBED model, wave model, Nha Trang Wave, longshore sediment transport ... chuyển trầm tích Tại mặt cắt MC4N, hướng sóng diễn biến phức tạp vị trí gần Hòn Chồng dẫn đến dòng vận chuyển dọc bờ diễn biến phức tạp Xét đến cân trầm tích dọc bờ kết cho thấy: Dòng vận chuyển. .. giảm sóng lớn bão gió mùa mạnh Kết tính tốn dịng vận chuyển trầm tích dọc bờ mặt cắt bãi tắm phía nam: Các vị trí mặt cắt chọn nhằm giới khu vực bãi tắm Từ kết tính tốn vận chuyển trầm tích qua... hạn vào bờ, kết có độ xác chưa cao Tuy nhiên, việc tính tốn vận chuyển trầm tích khơng phụ thuộc vào điều đặc trưng sóng mặt cắt lấy điểm nước có độ sâu vùng tới hạn (lớn độ sâu tới hạn) tính