Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển và giải pháp bảo vệ bãi biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN NGỌC THẾ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN VÀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN NGỌC THẾ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN VÀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình Biển Mã số : 958 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Thanh Tùng GS TS Nguyễn Trung Việt HÀ NỘI, NĂM 2021 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo quy định Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Thế i LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Thanh Tùng GS.TS Nguyễn Trung Việt tận tình hướng dẫn tác giả suốt trình nghiên cứu để hoàn thành luận án Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, khoa Cơng trình, mơn Kỹ thuật Cơng trình Biển, trường Đại Học Thủy Lợi Trường Cao đẳng Công nghệ Kinh tế Thủy lợi miền Trung, giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài: “Nghiên cứu q trình xói lở bờ biển Hội An đề xuất giải pháp bảo vệ bờ biển cách bền vững” cho phép tác giả thành viên chính, trực tiếp tham gia nghiên cứu sử dụng số liệu dự án Nhân dịp này, tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới nhà khoa học, nhóm cộng tác nghiên cứu, thầy đồng nghiệp với tình cảm iiong chân thành động viên, giành nhiều thời gian công sức giúp đỡ đóng góp ý kiến quý báu suốt trình nghiên cứu thực luận án Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình quan tâm, động viên, khích lệ, ủng hộ tạo điều kiện thuận lợi để tác giả yên tâm thực hoàn thành luận án ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC DÂNG DO SĨNG VÀ CƠNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN 1.1 Khái quát chung nước dâng sóng ảnh hưởng nước dâng sóng 1.1.1 Các thuật ngữ liên quan đến nước dâng sóng 1.1.2 Phạm vi ảnh hưởng tác động nước dâng sóng tới bãi biển 1.2 Tổng quan nghiên cứu nước dâng sóng giới 10 1.3 Tổng quan nghiên cứu Việt Nam nước dâng bão, nước dâng sóng cơng trình bảo vệ bờ biển 15 1.3.1 Các nghiên cứu nước dâng, nước dâng sóng 15 1.3.2 Các giải pháp cơng trình bảo vệ bờ biển áp dụng Việt Nam 17 1.4 Các nghiên cứu liên quan đến biển Cửa Đại, Hội An 19 1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu luận án 22 1.6 Kết luận Chương 22 CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN 24 2.1 Lựa chọn phương pháp xác định nước dâng sóng luận án 24 2.2 Các số liệu phục vụ nghiên cứu 26 2.2.1 Tài liệu địa hình 26 2.2.2 Tài liệu thủy, hải văn 29 2.2.3 Số liệu bùn cát đáy 35 2.3 Phương pháp phân tích nước dâng sóng từ số liệu đo đạc 36 2.3.1 Cơ sở khoa học phân tích nước dâng sóng từ hình ảnh camera 36 iii 2.3.2 Phân tích ảnh, trích xuất dao động mực nước từ camera cọc tiêu 43 2.3.3 Tính tốn nước dâng sóng từ chuỗi số liệu đo đạc 44 2.4 Phương pháp mơ hình tốn mơ nước dâng sóng 48 2.4.1 Giới thiệu mơ hình sử dụng nghiên cứu luận án 48 2.4.2 Tính tốn lan truyền sóng từ nước sâu vào vùng ven bờ 49 2.4.3 Tính tốn nước dâng sóng biến động bãi biển 54 2.5 Kết luận Chương 58 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN 59 3.1 Đặt vấn đề 59 3.2 Phân tích khái quát số quy luật biến động mặt cắt ngang bãi 61 3.2.1 Phân tích biến động mặt cắt ngang bãi biển qua giai đoạn 61 3.2.2 Khái quát số quy luật biến động mặt cắt ngang bãi biển 67 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng nước dâng sóng đến biến động bãi biển 69 3.3.1 Trường hợp tính tốn vị trí mặt cắt tính tốn 69 3.3.2 Kết mơ nước dâng sóng bão ven biển Cửa Đại 71 3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng nước dâng sóng đến biến động bãi biển 78 3.3.4 Phân tích ảnh hưởng nước dâng sóng đến biến động bãi biển 84 3.4 Kết luận Chương 90 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CƠNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN 93 4.1 Giới thiệu chung 93 4.1.1 Vị trí địa lý, địa hình địa mạo khu vực nghiên cứu 93 4.1.2 Hiện trạng bãi biển Cửa Đại, Hội An 94 4.2 Mục tiêu giải pháp cơng trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An 98 4.3 Các nghiên cứu đề xuất phương án bố trí cơng trình bảo vệ bãi biển 98 4.4 Phương án bố trí cơng trình ngăn cát, giảm sóng 99 4.4.1 Phương án chung bố trí mặt cơng trình 99 4.4.2 Các phương án bố trí cơng trình 100 4.5 Đánh giá hiệu kỹ thuật phương án bố trí cơng trình 101 4.5.1 Phương pháp đánh giá 101 iv 4.5.2 Độ cao sóng sau bố trí phương án cơng trình bảo vệ 101 4.5.3 Biến động bãi biển theo phương án bố trí cơng trình 103 4.6 Lựa chọn phương án cơng trình 106 4.7 Kết luận Chương 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 I Những kết đạt cửa luận án 108 II Những đóng góp luận án 111 III Những tồn kiến nghị hướng tiếp tục nghiên cứu 111 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHẦN PHỤ LỤC 119 PHỤ LỤC 119 PHỤ LỤC 154 v DANG MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình Tình trạng xói lở nghiêm trọng khu vực biển Cửa Đại, Hội An Hình Phạm vi khu vực nghiên cứu Hình 1.1 Sơ đồ mô tả thuật ngữ nước dâng bão, nước dâng sóng Hình 1.2 Hình thái bãi biển Hình 1.3 Cơ chế phá hủy đụn cát ven bờ Hình 1.4 Hình ảnh minh họa tác động NDDS đến xói lở chân đụn cát bãi Tân Mỹ, Cửa Đại đợt bão tháng 10/2016 10 Hình 1.5 Ứng suất xạ sóng 10 Hình 1.6 Trắc diện mực nước sóng (a) độ cao sóng (b) theo liệu thực nghiệm 13 Hình 1.7 Một số hình ảnh tiêu biểu cơng trình bảo vệ bờ biển Việt Nam 19 Hình 2.1 Sơ đồ mô tả liên kết, bổ trợ phương pháp nghiên cứu 25 Hình 2.2 Tổng hợp địa hình khu vực biển Hội An 26 Hình 2.3 Vị trí đo đạc mặt cắt ngang địa hình bãi biển MCN-01, MCN-02 27 Hình 2.4 Mặt cắt ngang địa hình đợt khảo sát 28 Hình 2.5 Mặt cắt ngang địa hình thời điểm trước, sau đợt ảnh hưởng bão SARIKA năm 2016 MCN-02, bãi Tân Mỹ, Cửa Đại 28 Hình 2.6 Đo đạc khảo sát địa hình khu vực nghiên cứu sau đợt bão 3/2017 29 Hình 2.7 Biểu đồ thống kê số lượng bão xuất tháng từ 1979 – 2020 30 Hình 2.8 Biểu đồ thống kê số lượng bão phạm vi kính ảnh hưởng 30 Hình 2.9 Đường đi, đồ sóng tái phân tích đồ trường gió bão DOKSURI di chuyển ngày 14/9/2017 15/9/2017 31 Hình 2.10 Vị trí bố trí trạm đo đạc thủy, hải văn khu vực nghiên cứu 32 Hình 2.11 Diễn biến độ cao sóng 02 lần đo, đợt hai trạm SMS01 (phía Bắc Cửa Đại) trạm SMS02 (phía trước cửa sơng Cửa Đại) 33 Hình 2.12 Diễn biến độ cao sóng đo đạc đợt 2, tháng 3/2017 trạm SMS01 33 Hình 2.13 Đo đạc hải văn biển Cửa Đại, Hội An từ ngày 10/3/2017 đến 26/3/2017 33 Hình 2.14 Biến trình tốc độ hướng dòng chảy đợt khảo sát đợt trạm SCR1 34 Hình 2.15 Biến trình tốc độ hướng dòng chảy đợt khảo sát đợt trạm SCR1 34 Hình 2.16 Diễn biễn mực nước từ ngày 12/1/2016 đến 4/3/2017 trạm đo 34 vi Hình 2.17 Vị trí lấy mẫu bùn cát đáy 35 Hình 2.18 Thành phần hạt đưa vào mơ hình 35 Hình 2.19 Sơ đồ tổng hợp màu 37 Hình 2.20 Sơ đồ mặt cắt dọc theo cọc tiêu 37 Hình 2.21 Sơ đồ phân tích sóng theo đường mực nước trung bình 37 Hình 2.22 Thiết lập, bố trí camera hệ thống cọc tiêu bãi tắm KS Agribank 38 Hình 2.23 Bố trí hệ thống cọc tiêu MCN địa hình bãi tắm KS Agribank 39 Hình 2.24 Một số hình ảnh lắp đặt thiết bị quan trắc thu nhận dao động mặt nước biển bão DOKSURI (từ ngày 12 đến 15//9/2017) bãi tắm KS Agribank 39 Hình 2.25 Các vị trí, độ dài quy ước kiểm tra cọc tiêu 40 Hình 2.26 Biến dạng ảnh vị trí cọc tiêu 40 Hình 2.27 Sơ đồ khối chương trình trích xuất tín hiệu từ ảnh camera cọc tiêu 42 Hình 2.28 Định dạng file liệu ảnh thu nhận từ camera 42 Hình 2.29 Trích xuất khung hình đại diện 42 Hình 2.30 Tín hiệu màu R-G-B mặt cắt chương trình đọc xử lý 42 Hình 2.31 Dao động mực nước cọc tiêu (từ C1 đến C6) thời đoạn đo đạc 43 Hình 32 Vị trí trạm đo mương dẫn nước vào giếng đo trạm hải văn Sơn Trà 44 Hình 2.33 So sánh mực nước dâng trạm Sơn Trà trạm Cửa Đại, Hội An 45 Hình 2.34 Tương quan mực nước trạm hải văn Sơn Trà trạm đo mực nước Cửa Đại, Hội An giai đoạn từ 12/2015 đến 3/2017 45 Hình 2.35 Đồ thị MN dâng trạm hải văn Sơn Trà (12/9/2016 đến 16/9/2016) 46 Hình 2.36 Phân bố độ cao sóng quan trắc nước dâng sóng theo mặt cắt ngang 47 Hình 2.37 Sơ đồ khối tính tốn nước dâng sóng biến động bãi biển 48 Hình 2.38 Miền tính tốn vùng 1, vùng 49 Hình 2.39 Miền tính tốn sóng chi tiết 49 Hình 2.40 Lưới tính tốn vùng 1, vùng địa hình đáy biển 50 Hình 2.41 Độ cao sóng biên nước sâu, biển Cửa Đại (10/2016) 50 Hình 2.42 Hiệu chỉnh độ cao sóng trạm SMS01 51 Hình 2.43 Hiệu chỉnh độ cao sóng trạm SMS02 51 Hình 2.44 Hiệu chỉnh chu kỳ sóng trạm SMS01 51 Hình 2.45 Hiệu chỉnh chu kỳ sóng trạm SMS02 51 vii Hình 2.46 Hiệu chỉnh hướng sóng trạm SMS01 51 Hình 2.47 Hiệu chỉnh hướng sóng trạm SMS02 51 Hình 2.48 Kiểm định độ cao sóng Trạm SMS01 (3/2017) 53 Hình 2.49 Kiểm định độ cao sóng Trạm SMS02 (3/2017) 53 Hình 2.50 Kiểm định chu kỳ sóng Trạm SMS01 (3/2017) 53 Hình 2.51 Kiểm định chu kỳ sóng Trạm SMS02 (3/2017) 53 Hình 2.52 Kiểm định hướng sóng trạm SMS01 (3/2017) 53 Hình 2.53 Kiểm định hướng sóng trạm SMS02 (3/2017) 53 Hình 2.54 Trường sóng 16h ngày 14/9/2017 54 Hình 2.55 So sánh độ cao sóng đo đạc tính tốn mặt cắt thuộc bãi biển KS AGRIBANK, Cửa Đại, Hội An 57 Hình 2.56 So sánh nước dâng sóng đo đạc tính tốn mặt cắt thuộc bãi biển KS AGRIBANK, Cửa Đại, Hội An 57 Hình 2.57 So sánh biến động địa hình mặt cắt ngang đo đạc tính tốn mặt cắt thuộc bãi biển KS AGRIBANK, Cửa Đại, Hội An 57 Hình 3.1 Bãi biển KS Agribank 10/2016 59 Hình 3.2 Bãi biển KS Agribank 59 Hình 3.3 Sơ đồ phân tích đánh giá ảnh hưởng NDDS tới biến động bãi biển 60 Hình 3.4 Vị trí trích xuất sóng khu vực nước sâu khu vực biển Cửa Đại, Hội An 61 Hình 3.5 Tương quan nước dâng độ cao sóng nước sâu thời kỳ trước mùa gió Tây Nam sau thời kỳ mùa gió Đơng Bắc 2016 62 Hình 3.6 Diễn biễn địa hình mặt cắt ngang MCN-01 từ 23/3/016 đến 17/8/2016 63 Hình 3.7 Hướng trường gió bão ngày 12/9/2016, 17/10/2016 [49] 63 Hình 3.8 Biến động địa hình mặt cắt ngang MCN-01 từ 17/8/2016 đến 26/10/2016 64 Hình 3.9 Biến động bãi biển MCN-02 đợt ảnh hưởng bão SARIKA 65 Hình 3.10 Tương quan mực nước dâng độ cao sóng bão số 7) năm 2016 65 Hình 3.11 Diễn biến mặt cắt ngang địa hình bãi biển giai đoạn 66 Hình 3.12 Hình ảnh xói lở khu vực biển từ Palm Garden đến Agribank 67 Hình 3.13 Vị trí điểm tính tốn vùng ven bờ biển phía bắc Cửa Đại, Hội An 70 Hình 3.14 Phân bố trường sóng theo tần suất bão khu vực biển Cửa Đại, Hội An 71 Hình 3.15 Biểu đồ so sánh chiều cao sóng điểm biên trường hợp 72 viii Các biểu thức chi tiết: Năng lượng cung cấp gió (Sin): Sự tăng trưởng sóng gió mô tả bởi: S ,  A BE, (2 7) với: A hệ số tăng tuyến tính, B hệ số tăng theo hàm mũ Trong mơ hình, sử dụng tốc độ gió đưa vào tính sóng tốc độ độ cao 10 m U10, tính tốn sử dụng tốc độ ma sát U*, cơng thức chuyển từ U10 sang U* nhận sau: (2 8) U∗2 = CD U10 Trong CD hệ số kéo, theo Wu (1982), ta có: 1,2875x10−3 U10 < 7,5m/5 CD (U10 ) = { −3 (0,8 + 0,065xU10 )x10 U10 ≥ 7,5 m/s Đối với hệ số tăng tuyến tính A, biểu thức Cavaleri Malanotte-Rizzoli (1981) sử dụng với lọc để loại bỏ tăng trưởng sóng tần số thấp tần số Pierson-Moskowitz 1,5x10−3 A= [𝑈_ ∗ 𝑚𝑎𝑥[0, 𝑐𝑜𝑠(𝜃 − 𝜃_𝑤 )]]4 χ g 2Π −4 ∗ ) ) χ = exp (−(ω/ωpM với ω∗PM = 0,13g 28U (2 9) (2 10) 2π, θW hướng gió,  hệ số lọc, PM tần số đỉnh phổ trạng thái sóng phát triển hồn tồn theo phổ Pierson Moskowitz Hai biểu thức tăng trưởng sóng theo hàm mũ sử dụng SWAN Biểu thức thứ Komen (1984) đưa hàm U*/Cph: B = max [0, 0,25 ωa U∗ [28 cos(θ − θW ) − 1]] ω ωW Cph 155 (2 11) Cph tốc độ pha ωa ωw mật độ khơng khí nước Biểu thức thứ hai Janssen (1989,1991) dựa lý thuyết sóng gió tựa tuyến tính đưa sau: ωa U∗ ( ) max[0, cos(θ − θw )]2 ω B=β ωW Cph (2 12) với  số Miles Trong lý thuyết Janssen số Miles tính từ độ cao sóng tới hạn phi thứ nguyên  1,2 λln λ κ2 gZe λ = er Cph { β= λ≤1 (2 13) r = κc/U∗ cos(θ − θw ) với  số Von Karman =0,4 Ze hệ số nhám bề mặt hiệu dụng Nếu >1 số =0 Janssen giả định profile gió có dạng sau: U(Z) = U∗ z + ze − z0 ) ln ( κ ze (2 14) với U(z) tốc độ gió độ cao z mực nước biển trung bình, zo độ dài nhám Độ dài nhám hiệu dụng phụ thuộc vào độ dài nhám z0 trạng thái mặt biển thông qua ứng suất sóng w ứng suất tổng cộng bề mặt  ze = z0 √1−τw/τ với z0 = α ̂ U2∗ g α̂ = 0,01 (2 15) Véc tơ ứng suất sóng cho dạng: 2π∞ k Iw = ρw ∬ ωBE(ω, θ) dωdθ k (2 16) 00 Giá trị U* xác định cho tốc độ gió U10 phổ sóng E(,) đưa từ phương trình Trong SWAN trình lặp thực theo sơ đồ lặp Mastenbroek (1993) 156 Tiêu tán lượng sóng (Sds): Sóng bạc đầu sinh độ dốc sóng vượt giới hạn sóng đổ Q trình sóng bạc đầu mơ tả mơ hình mạch động Hasselmann (1974) Các giá trị số sóng sử dụng vùng có độ sâu nước giới hạn k Sds,w (ω, θ) = −Γω ̃ E(ω, θ) k̃ (2 17) với tần số số sóng trung bình  hệ số phụ thuộc vào độ dốc sóng tổng hợp Hệ số phụ thuộc vào độ dốc đưa nhóm WAMDI (1988) hiệu chỉnh Gunther (1992) theo Janssen p k S̃ ) Γ = ΓKJ = Cds ((1 − δ) + δ ) ( k̃ S̃PM (2 18) với:  =0 biểu thức  giống với biểu thức WAMDI Hệ số Cds,  m hệ số hiệu chỉnh, độ dốc tổng hợp, SPM giá trị S với phổ Pierson-Moskowitz Giá trị độ dốc tổng hợp cho sau: (2 19) S̃ = k̃√Etot Tần số trung bình , số sóng trung bình k lượng tổng cộng Etot xác định theo WAMDI Giá trị hệ số hiệu chỉnh Cds,  hệ số mũ p mơ hình Janssen Komen nhận từ việc khép kín phương trình cân lượng sóng điều kiện tăng trưởng sóng lý tưởng cho vùng nước sâu, điều có nghĩa hệ số  phụ thuộc vào cơng thức gió Trong SWAN sử dụng hai cơng thức gió, có hai giá trị  Đối với biểu thức Komen, hệ số cho sau Cds = 2,36 x 10-5,  =0 p = Với biểu thức Janssen Gunther (1992) Cds= 4,10 x 10-5,  = 0,5 p = Ma sát đáy: Mơ hình ma sát đáy SWAN mơ hình thực nghiệm JONSWAP, mơ hình sức kéo Collin mơ hình nhớt xốy Madsen (1988) Cơng thức mơ hình sau: 157 Sds,b (ω, θ) = −Cbottom σ2 E(ω, θ) g sinh2 (kd) (2 20) với Cbottom hệ số ma sát, thường phụ thuộc vào tốc độ quỹ đạo chuyển động sóng đáy Urms 2π∞ Urms =∬ 00 ω2 E(ω, θ)dωdθ sinh2 (kd) (2 21) Hasselmann (1973) tìm từ kết thực nghiệm JONSWAP sau: Cbottom=CJON=0,038m2s-3 điều kiện sóng lừng Bouws Komen (1983) chọn hệ số CJON=0,067m2s-3 điều kiện phát triển sóng hồn tồn vùng ven bờ Cả hai giá trị sử dụng SWAN Biểu thức Collin (1972) dựa cơng thức sóng điều hồ với tham số chọn thích hợp để hiệu chỉnh cho trường sóng ngẫu nhiên Madsen (1988) đưa cơng thức tương tự Hasselmann Collins mô hình hệ số ma sát đáy hàm độ cao nhám đáy điều kiện sóng thực tế Hệ số ma sát đưa sau: Cbottom = fw g √2 Urms (2 22) với fw hệ số ma sát phi thứ nguyên tính từ công thức Jonson (1966), Madsen (1988) 1 ab + log10 [ ] = mf + log10 [ ] KN √fw √fw (2 23) với mf =-0,08 ab biên độ sóng sát đáy, KN quy mô độ dài nhám đáy 2π∞ a2b = ∬ 00 E(ω, θ)dωdθ sinh2 (kd) với ab/KN nhỏ 1,57 hệ số ma sát fw 0,30 158 (2 24) Sóng đổ độ sâu: Để tính lượng tiêu tán trường sóng ngẫu nhiên tượng sóng đổ, SWAN sử dụng mơ hình bore Battjes Janssen Tỉ lệ tiêu tán lượng trung bình đơn vị bề ngang phụ thuộc vào mức độ đổ sóng Dtot ω ̅ Dtot = − αBJ Q b ( ) Hm 2π (2 25) với BJ =1 Qb phân số sóng đổ xác định phương trình: − Qb Etot = −8 lnQ b Hm (2 26) với Hm độ cao sóng cực đại tồn độ sâu tần số sóng trung bình 2π∞ −1 ∬ ωE(ω, θ)dωdθ ω ̅ = Etot (2 27) 00 Mở rộng biểu thức Eldeberky Battjes (1995) cho hướng phổ, tiêu tán lượng thành phần phổ đơn vị thời gian tính tốn SWAN sau: Sds,br (ω, θ) = Dtot E(ω, θ) Etot (2 28) Độ cao sóng cực đại xác định SWAN Hm=d Chỉ số sóng đổ thường số hàm độ dốc đáy độ dốc sóng tới Trong SWAN giá trị lấy mặc định  = 0,73 Nước dâng sóng: Trong mơ hình chiều (1D) nước dâng sóng tính dựa phương trình cân mơ men thẳng đứng có cân lực sóng (građien ứng suất xạ vng góc với bờ) građien áp suất thuỷ tĩnh ̅̅̅ ∂η Fx + gd =0 ∂x (2 29) 159 với d độ sâu nước tổng cộng (bao gồm nước dâng sóng) η độ cao trung bình mặt nước (gồm nước dâng sóng) Quan trắc tính tốn dựa phương trình cân mơ men thẳng đứng Dingemans (1987) cho dịng chảy sóng tác động phân kỳ thành phần tự lực sóng gây cịn nước dâng tác động quay thành phần tự lực sóng gây Để tính tốn nước dâng, người ta cần xét phân kỳ phương trình cân mơ men Nếu phân kỳ bỏ qua ta có: ∂Fx ∂Fy ∂ ∂ς ∂ ∂ς = + (gd ) + (gd ) = ∂x ∂y ∂x ∂x ∂y ∂y (2 30) Điều kiện biên: Trong SWAN, điều kiện biên không gian địa lý trường phổ biên hấp thụ hoàn tồn với lượng sóng khỏi miền tính truyền vào bờ Các biên lưới tính biên cứng (đất) biên lỏng (nước) Trong trường hợp biên cứng cho là: khơng tạo sóng hấp thụ tồn lượng sóng truyền tới Trong trường hợp biên lỏng điều kiện sóng cho biên Đối với vùng ven bờ, lượng truyền vào vùng tính biên lỏng cho dọc biên nước sâu không cho dọc theo hai biên bên (biên hơng) Điều có nghĩa sai số biên hơng truyền vào vùng tính Vùng chịu ảnh hưởng sai số vùng tam giác với đỉnh góc biên nước sâu biên bên, phân tán tới bờ góc từ 300 tới 450 (đối với sóng gió) hai phía biên nước sâu so với hướng truyền trung bình sóng nước sâu Để khắc phục vấn đề biên bên lên lấy xa vùng cần tính để tránh sai số truyền vào vùng tính Trong trường hợp khơng có số liệu biên lỏng chọn giả thuyết khơng có sóng vào vùng tính qua biên sóng phía ngồi cách tự Điều kiện ban đầu: Các điều kiện ban đầu cho sau: tính tốn với trạng thái ban đầu lặng sóng (trên tồn miền coi khơng có sóng) Cho dạng mặc định (điều kiện sóng vị trí tính từ tốc độ gió địa phương) Có thể đưa giá trị sóng ban đầu (giá trị lấy cho tất điểm) Trường sóng ban đầu lấy từ lần chạy SWAN trước (sử dụng HOTFILE) 160 2.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình thủy lực chiều XBEACH [56] 2.2.1 Giới thiệu tóm tắt mơ hình mơ hình XBEACH XBeach mơ hình số mã nguồn mở phát triển ban đầu để mơ q trình thủy động lực học hình thái động lực học tác động lên bờ biển cát với kích thước miền hàng km theo quy mơ thời gian bão Mơ hình bao gồm trình thủy động lực học biến đổi sóng ngắn (khúc xạ, vỡ), biến đổi sóng dài (tạo ra, lan truyền tiêu tán), thiết lập sóng gây dịng chảy khơng ổn định, ngập nước ngập tràn Các trình hình thái học bao gồm tải trọng đáy vận chuyển trầm tích lơ lửng, sạt lở mặt đụn cát, tác động phá vỡ tầng đáy XBeach có hai chế độ: chế độ thủy tĩnh chế độ không thủy tĩnh Trong chế độ thủy tĩnh, biến đổi biên độ sóng ngắn giải tách biệt với sóng dài, dịng chảy thay đổi hình thái Chế độ không thủy tĩnh giải tất q trình bao gồm chuyển động sóng ngắn, với nhu cầu tính tốn nhiều 2.2.2 Chế độ khơng thủy tĩnh Lưu lượng trung bình theo độ sâu sóng dịng chảy tính phương trình nước nơng phi tuyến tính, bao gồm áp suất khơng thủy tĩnh Phương trình cân hoạt động sóng ngắn Sóng cưỡng phương trình động lượng vùng nước nông nhận từ phiên phụ thuộc vào thời gian phương trình cân tác dụng sóng Tương tự mơ hình HISWA [63] Đại học Delft, phân bố theo hướng mật độ hoạt động tính đến, phổ tần số biểu thị tần số, biểu thị tốt tham số phổ fm-1,0 Phương trình cân hoạt động sóng đưa ra: ∂A ∂cx A ∂cx A ∂cx A Dw + Df + Dv + + + =− ∂t ∂x ∂y ∂θ σ (2 31) Tác động sóng A tính sau: A(x, y, t, θ) = Sw (x, y, t, θ) σ(x, y, t) (2 32) đó:  biểu thị góc tới so với trục x, Sw biểu thị mật độ lượng sóng định hướng tần số sóng nội Tần số nội vận tốc nhóm cg thu từ quan hệ phân tán tuyến tính σ = √gktanhkh 161 (2.32a) Tốc độ truyền sóng khơng gian x, y theo phương cho bởi: Cx (x,y,t,) =cg cos() (2 33) Cy (x,y,t,) =cg sin() (2 34) c0 (x, y, t, θ) = σ ∂h ∂h ( sinθ − cosθ) sinh2kh ∂x ∂y (2 35) đó: h đại diện cho độ sâu nước địa phương k số sóng Tần số sóng nội  xác định mà khơng có tương tác dịng sóng với tần số xuyên tâm tuyệt đối  Tương tác Sóng – dịng chảy Trong XBeach, điều tính đến cách hiệu chỉnh số sóng k với việc sử dụng phương trình Eikonal, điều có tác động đến nhóm tốc độ truyền sóng (x, y khơng gian hướng) Số sóng ngang sóng dọc bờ, kx ky, xác định theo phương trình (2.36; 2.37) Trong cơng thức này, số phụ đề cập đến hướng thành phần vectơ sóng k x = k n−1 + kx x (2 36) (2 37) k y = k n−1 + ky y đó: số phụ n-1 đề cập đến số sóng bước thời gian trước đó, kx ky hiệu chỉnh số sóng kx ky số sóng hiệu chỉnh có tính đến diện dịng chảy Các số hạng hiệu chỉnh xác định phương trình thứ hai, phương trình Eikonal: ∂k x ∂w + =0 ∂t ∂x ∂k y ∂w + =0 ∂t ∂y (2 38) (2 39) Số sóng sau cho: k = √k 2x + k 2y (2 40) Tần số bán kính tuyệt đối  tính bằng: ω = σ + k x uL + k y v L + (2 41) đó: uL vL vận tốc Lagrangian trung bình qua bờ độ sâu dọc bờ Tốc độ truyền sóng (theo phương x y) cho bởi: 162 cx (x, y, t, θ) = cg cos(θ) + uL cy (x, y, t, θ) = cg sin(θ) + v (2 43) L (2 44) Tốc độ lan truyền khơng gian có hướng , nơi tính đến khúc xạ đáy (số hạng đầu) khúc xạ dòng điện (hai số hạng cuối), nhận từ: cθ (x, y, t, θ) = σ ∂h ∂h ∂u ∂u ( sinθ − cosθ) + cosθ (sinθ − cosθ ) sinh2kh ∂x ∂y ∂x ∂y + sinθ (sinθ (2 42) ∂v ∂v − cosθ ) ∂x ∂y Sự tiêu tán lượng sóng Năm cơng thức phá sóng khác thực XBeach Các cơng thức chọn cách sử dụng ngắt từ khóa (Bảng PL2.1) Bảng PL 2.1 Các cơng thức phá sóng khác thực Cơng thức phá sóng Loại sóng Từ khóa Roelvink (1993a) Cố định roelvink1 Roelvink (1993a) Phiên mở rộng roelvink2 Daly et al (2010) Cố định roelvink_daly Baldock et al (1998) Đứng im baldock Janssen & Battjes (2007) Đứng im janssen Tổng tiêu tán lượng sóng, tức tích hợp theo hướng, sóng phá vỡ mơ hình hóa theo Roelvink (1993) [64] Trong cơng thức tiêu tán sóng vỡ, ý tưởng tính tốn tiêu tán với phần nhỏ sóng đứt Qb nhân với tiêu tán kiện vỡ Trong công thức này,α áp dụng làm hệ số tản sóng O, Trep chu kỳ sóng đại diện Ew lượng sóng Phần phá sóng xác định với chiều cao sóng bình phương gốc Hmrs chiều cao sóng lớn Hmax Chiều cao sóng tối đa tính tỷ số độ sâu mực nước (h) cộng với phần nhỏ chiều cao sóng  Hrms cách sử dụng số ngắt  Trong cơng thức cho Hrmss  đại diện cho mật độ nước g số hấp dẫn Tổng lượng sóng Ew tính cách tích phân thùng hướng sóng α ̅w = D Q E Trep b w 163 (2 45) Q b = − exp (− ( Hrms n Hmax ) ), Hrms = √ 8Ew ρg , Hmax = γ (h + δHrms ) (2.45a) 2π Ew (x, y, t) = ∫ Sw (x, y, t, θ)dθ (2.45b) Trong biến thể (2.45), người ta sử dụng cơng thức phá sóng khác, trình bày (2.46) Cơng thức khác so với công thức Roelvink (1993) chọn cách sử dụng từ khóa: roelvink2 Sự khác biệt với cơng thức ban đầu tiêu tán sóng với roelvink2 tỷ lệ với H3/h thay H2 ̅w = D α Hrms Q b Ew Trep h (2 46) Ngồi ra, cơng thức [65] cho biết sóng hồn tồn vỡ độ cao sóng vượt ngưỡng () ngừng đứt độ cao sóng giảm xuống ngưỡng khác (2) Công thức chọn break = roelvink_daly ngưỡng thứ hai, (2), đặt cách sử dụng từ khóa (2) { Q b = if Q b = if Hrms > γh Hrms < γ2 h (2 47) Trong trường hợp sóng tĩnh [66] áp dụng, trình bày (2.48, 2.48a) Trong cơng thức phá vỡ này, sóng vỡ phân đoạn Qb chiều cao sóng vỡ Hb tính tốn khác so với cơng thức phá vỡ sử dụng cho tình khơng đứng n, α áp dụng làm hệ số tiêu tán sóng, frep biểu thị tần số nội đại diện y hệ số hiệu chuẩn ̅w = D αQ b ρgfrep (Hb2 + Hrms ) Q b = exp [− ( H2b H2rms )], Hb = 0,88 k (2 48) [ γkh 0,88 ] (2.48a) Cuối cùng, sử dụng cơng thức [JB07] để phá sóng sóng tĩnh Cơng thức sửa đổi công thức Baldock √π αfrep ρgHrms Qb 16h (R3 + R) exp(−R2 ) − erf(R) Qb = + √π ̅w = D R= Hb Hrms (2 49) (2.49a) (2.49b) 164 Trong trường hợp cố định đứng yên, tổng tiêu tán sóng phân bố tỷ lệ thuận hướng sóng với cơng thức (2.50) Dw (x, y, t, θ) = Sw (x, y, t, θ) ̅ (x, y, t) D Ew (x, y, t) w (2 50) Ứng suất xạ Với phân bố khơng gian tác động sóng, ứng suất xạ đánh giá cách sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính mơ tả bởi: Sxx,r (x, y, t) = fcos2 θSr dθ Sxy,r (x, y, t) = Sỹ,r (x, y, t) = fsinθcosθSr dθ Syy,r (x, y, t) = fsin2 θSr dθ (2 51) (2 52) (2 53) Sự nhiễu loạn sóng Sự rối loạn sóng gây bề mặt nước phải chuyển phía đáy để ảnh hưởng đến khuấy lên trầm tích [RS89] sử dụng mơ hình phân rã theo cấp số nhân với độ dài trộn tỷ lệ với Hrms để ước tính thời gian lượng nhiễu loạn trung bình lớp đáy từ nhiễu động mặt nước: k kb = exp( h Hrms −1 (2 54) ) kb phương sai nhiễu loạn đáy k phương sai nhiễu loạn trung bình theo thời gian mặt nước kb = k̅ s h )−1 exp ( Lmix (2 55) Phương trình nước nơng Đối với sóng tần số thấp dịng chảy trung bình, chúng tơi sử dụng phương trình nước nơng Để tính đến thơng lượng khối lượng sóng gây dịng chảy (trở lại) tiếp theo, chúng đúc thành công thức trung bình theo chiều sâu Lagrangian trung bình (GLM) ([AM78], [WRG00]) Trong khn khổ vậy, phương trình động lượng liên tục xây dựng theo vận tốc Lagrangian định nghĩa khoảng cách mà hạt nước di chuyển chu kỳ sóng, chia cho chu kỳ Vận tốc liên quan đến vận tốc Eulerian (vận tốc trung bình sóng ngắn quan sát điểm cố định) cách: 165 uL = uE + uS vL = vE + vS (2 56) uS vS đại diện cho Stokes trôi theo hướng x- y tương ứng ([Phi77]) Sự trơi dạt Strokes tính tốn lượng Ew hướng sóng ngắn thay đổi nhóm sóng thu từ cân hoạt động sóng uS = Ew cosθ phc and vS = Ew sinθ phc (2 57) Các phương trình động lượng GLM kết đưa bởi: ∂uL ∂uL ∂uL ∂2 uL ∂2 uL τsx τEbx ∂η Fx Fv,x = uL + vL − fv L − vh ( + = − −g + + ) ∂t ∂x ∂y ∂x ∂y ph ph ∂x ph ph (2 58) τsy τEby ∂v L ∂v L ∂v L ∂2 vL ∂2 v L ∂η Fy Fv,y L L L =u +v − fu − vh ( + − −g + + )= ∂t ∂x ∂y ∂x ∂y ph ph ∂y ph ph (2 59) ∂η ∂hu ∂hv + + =0 ∂t ∂x ∂y (2 60) Độ nhớt ngang Theo mặc định, độ nhớt ngang (vh) tính cách sử dụng mơ hình [Sma63] để tính đến trao đổi động lượng ngang quy mô không gian nhỏ kích thước lưới tính tốn, cho là: vh = δu δv δu δv ) + ( ) + ( + ) ∆x∆y δx δy δx δy cS2 21/2 √( (2 61) cS số Smagorinsky đặt 0,1 tất mơ mơ hình Cũng sử dụng giá trị người dùng xác định cho độ nhớt ngang cách tắt mơ hình Smagorinsky định giá trị trực tiếp Phương trình khuếch tán Nồng độ trầm tích cột nước lập mơ hình cách sử dụng sơ đồ khuếch tán-đối lưu trung bình theo độ sâu với thuật ngữ chìm nguồn dựa nồng độ trầm tích cân ([GV83]): hCeq − hC ∂hC ∂hCuE ∂hCv E ∂ ∂C ∂ ∂C + + + [Dh h ] + [Dh h ] = ∂t ∂x ∂y ∂x ∂x ∂y ∂y Ts (2 62) In đại diện cho nồng độ trầm tích trung bình theo độ sâu thay đổi theo thang thời gian nhóm sóng hệ số khuếch tán trầm tích Sự theo trầm tích biểu thị thời gian thích ứng, cho phép gần đơn giản dựa độ sâu nước địa phương vận tốc rơi trầm tích Một giá trị nhỏ tương ứng với phản 166 ứng trầm tích gần tức thời Hệ số hệ số hiệu chỉnh hiệu chuẩn có tính đến thực tế xác định liệu trung bình theo độ sâu Ts = max(fTs h , Ts, min) ws (2 63) Vận chuyển trầm tích Trong phiên XBeach, có sẵn hai cơng thức vận chuyển trầm tích Cơng thức hai cơng thức trình bày phần sau Đối với hai phương pháp, tổng nồng độ cặn cân tính theo phương trình (2.64) Trong phương trình này, giá trị nhỏ nồng độ bùn cát cân (cho tải trọng đáy tải trọng lơ lửng) so với nồng độ bùn cát tối đa cho phép 1 Ceq = max(min(Ceq,b , Cmax + (Ceq,s , Cmax ) , 2 (2 64) Công thức vận chuyển trầm tích có phương trình Soulsby-Van Rijn Nồng độ cặn cân tính tốn theo: 2.4 Ceq,b = u2rms,2 Asb + 0.018 (√vmg h cd − UCr ) (2 65) 2.4 Ceq,s u2rms,2 Ass (√vmg + 0.018 = − UCr ) h cd (2 66) Hệ số tải trọng đáy tải trọng treo tính với: 1.2 Asb D50 1.2 D−0.6 ∗ ) , Ass = 0.0125h ( ) = 0.005h ( h∆gD50 h∆gD50 (2 67) Trong đường kính cặn khơng thứ ngun (D *) tính theo cơng thức sau Là độ nhớt động học dựa biểu thức Van Rijn hàm nhiệt độ nước XBeach giả định nhiệt độ không đổi 20 độ C, điều dẫn đến độ nhớt động học không đổi ∆g 1/3 D∗ = ( ) D50 v Nồng độ cặn cân tính tốn theo: Ceq,b 1.5 Asb 2 (√vmg + 0.64urms,2 − UCr ) = h 167 (2 68) Ceq,s 2.4 Ass 2 (√vmg + 0.64urms,2 − UCr ) = h (2 69) Công thức vận chuyển trầm tích thứ ba có phương trình Van Rijn (1993 phân biệt vận chuyển trầm tích độ cao tham chiếu trầm tích coi vận chuyển tải trọng đáy độ cao tham chiếu coi tải trọng lơ lửng Vận chuyển đáy nằm tính tốn với: Sb=0.006swsD50M0.5Me0.7 (2 70) Đối với tải trọng lơ lửng, trước tiên, nồng độ chuẩn tính theo: ca = 0.015ρs D50 Ta1.5 αD0.3 ∗ (2 71) Hiệu ứng độ dốc bãi Ảnh hưởng mái dốc lên thủy động lực cục không xem xét XBeach Hai biểu thức thực để thay đổi cường độ vận chuyển bùn cát Phương thức phương thức mặc định XBeach: ∂zb ∂x ∂zb = qy − αhC√(uL )2 + (v L )2 ∂y qx,slope = qx − αhC√(uL )2 + (v L )2 (2.72) qy,slope (2.73) Phương pháp áp dụng cho vận chuyển tổng lượng bùn cát cho vận chuyển tải trọng đáy Phương pháp thứ hai dựa công thức kỹ thuật [Sou97]: qslope = q(1 − α ∂zb ) ∂s (2.74) Ngoài ra, phương pháp áp dụng cho vận chuyển tồn vận chuyển theo đáy Để thay đổi hướng vận chuyển tải trọng đáy, sử dụng biểu thức: dzb dy tan(αψ,new ) = d cos(αψ ) − f(θ) zb dx f(θ) = D 9( 50 )0.3 θ0.5 h sin(αψ ) − f(θ) (2.75) (2.76) qb.x = |qb |cos(αψ,new ) (2.77) qb.y = |qb |sin(αψ,new ) (2.78) 168 Cuối cùng, điều chỉnh việc bắt đầu tiêu chí chuyển động cho vận chuyển tồn vận chuyển tải trọng đáy thông qua ([Sou97]): adjused θcr = θcr cos(ψ) sin(β) + √cos2 (β)tan2 (ψi ) − sin2 (ψ)sin2 (β) tan(ψi ) (2.79) Xói lở đụn cát Để giải thích cho sụt giảm vật liệu cát từ mặt đụn cát đến bờ biển q trình xói mịn cồn cát bão gây (từ khóa: tuyết lở) giới thiệu để cập nhật tiến hóa đáy Avalanching giới thiệu thông qua việc sử dụng độ dốc quan trọng cho khu vực khô ướt Người ta cho khu vực ngập nước dễ bị sụt trượt nhiều đó, hai mái dốc tới hạn riêng biệt cho điểm khô ướt sử dụng Giá trị mặc định 0,3 Khi vượt độ dốc tới hạn này, vật liệu trao đổi ô liền kề với lượng cần thiết để đưa mái dốc trở lại độ dốc tới hạn | ∂zb | > mcr ∂x (2.80) Để ngăn chặn việc tạo sóng xung kích lớn thay đổi đột ngột mức đáy, việc cập nhật đáy sạt lở giới hạn tốc độ tối đa Công thức (2.81, 2.82) cho thấy thay đổi mức đáy kết bước thời gian ∆zb = ((| ∂zb ∂zb | − mcr ) ∆x, vav,max ∆t) , >0 ∂x ∂x ∆zb = max (− (| ∂zb ∂zb | − mcr ) ∆x, vav,max ∆t) ,