3.2.2 .Tính các tham số liên quan đến trường sóng
3.3. Thuật toán sử dụng trong mô hìnhSBEACH
Có khoảng hàng chục mô hình tính toán biến động profile bãi biển thông qua mô hình cân bằng động sử dụng các quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ. Các mô hình này sử dụng phƣơng trình liên tục và phƣơng trình vận chuyển bùn cát, phƣơng trình bảo toàn - cân bằng bùn cát giữa lƣợng bùn cát vận chuyển vào và ra khỏi vùng tính. Thêm vào đó, điều kiện biên giữa các ô tính thƣờng đƣợc biểu diễn dƣới dạng độ dốc tới hạn mà nếu độ dốc tính toán vƣợt qua nó sẽ có sự thay đổi profile - đôi khi còn đƣợc gọi là “avalanching”. Vị trí giới hạn về phía biển và về phía lục địa thƣờng đƣợc áp dụng là giới hạn của dải sóng đổ và vùng sóng leo.
Để tính toán biến đổi đƣờng bờ cần đƣa ra phƣơng trình bảo toàn bùn cát. Phƣơng trình bảo toàn bùn cát có dạng: y q t h y (62)
Trong đó, y khoảng cách từ bờ ra ngoài biển, h độ sâu và t thời gian là các biến độc lập.
Với mỗi giá trị độ sâu h sẽ có các giá trị khoảng cách y tƣơng ứng.
Hƣớng của dòng VCBC vuông góc với bờ đƣợc xác định theo các chỉ tiêu phụ thuộc vào độ dốc của sóng vùng nƣớc sâu và tốc độ sa lắng của bùn cát không thứ nguyên. Dòng VCBC vuông góc với bờ đƣợc tính theo công thức (20).
Dạng profile cân bằng sẽ đƣợc xác định theo:
+ 𝜀
𝐾 24
5𝜌 𝑔3/2𝛾 2 = 𝐴3/2𝑦 (63)
Trong mô hình tính, vùng sóng đổ hoàn toàn sẽ đƣợc xác định tại mỗi bƣớc tính, và lƣợng VCBC đƣợc xác định theo (20). Sóng đƣợc coi là đổ hoàn toàn từ sau điểm đổ bổ nhào vào bờ hoặc là tới điểm sóng bắt đầu khôi phục lại độ cao. Điểm bổ nhào dịch chuyển vào phía bờ một đoạn so với điểm sóng đổ gọi là “khoảng cách bổ nhào”. Các tính toán VCBC tại các vùng ngoài vùng sóng đổ, từ điểm sóng đổ đến điểm bổ nhào – khoảng cách bổ nhào và phía trong điểm bổ nhào đƣợc đƣa ra tại phần 3.2.3.
Phân bố lƣợng VCBC vuông góc với bờ trong đới sóng đổ từ điểm bổ nhào vào bờ đƣợc tính theo quy luật suy giảm tuyến tính. Nếu xảy ra “avalanching”, có nghĩa là góc tính đƣợc vƣợt quá góc ban đầu, thì lƣợng bùn cát sẽ đƣợc chuyển sang ô tính bên cạnh, nhƣ vậy độ dốc của profile sẽ điều chỉnh đến độ dốc tịnh sau khi biến đổi. Một khi “avalanching” xảy ra tại một ô tính, sẽ tiến hành liên tục dọc theo lƣới tính cho đến khi đến đƣợc vị trí mà độ dốc nhỏ hơn độ dốc tịnh sau khi biến đổi. Trên hình 11 mô tả quá trình tính toán cho một số các ô tính trong đó tại ô số 1 xảy ra góc nhận đƣợc vƣợt quá góc giới hạn. Sự thay đổi độ sâu tại ô số 1 đƣợc tính theo:
N h h N h N N h N i i 1 2 1 1 1 2 1 1 (64)
với h1 - độ sâu tại ô số 1 khi góc tính đƣợc vƣợt góc ban đầu, N số ô có lƣợng bùn cát phân bố lại, hi độ sâu tại ô số i, Δh chênh lệch độ sâu của hai ô kế tiếp đƣợc xác định theo góc tịnh sau khi thay đổi.
Hình 11. Sơ đồ “Avalanching” trong mô hình SBEACH [9].
Sau khi thay đổi độ sâu đã đƣợc xác định tại ô tính theo biểu thức (64), sự thay đổi độ sâu Δh tại các ô tiếp theo đƣợc tính nhƣ sau:
i h h h h hi i i i 1 (65)
với ký hiệu i là số thứ tự tính từ điểm bắt đầu avalanching theo hƣớng tính. Giá trị
Nlà số ô tham gia vào quá trình tính không biết trƣớc, sẽ đƣợc xác định bằng phƣơng
pháp lặp cho đến khi góc giữa hai ô N và N+1 nhỏ hơn góc tịnh sau khi biến đổi. Sự thay đổi profile bãi biển đƣợc tính theo từng bƣớc thời gian tính toán với sự phân bố lại lƣợng bùn cát trên toàn profile tuân theo luật bảo toàn bùn cát. Phƣơng trình bảo toàn bùn cát có dạng (62).
Điều kiện biên của mô hình là không có sự VCBC tại độ cao vƣợt qua giới hạn của sóng leo và vƣợt qua biên phía ngoài biển của dải độ sâu có lƣợng VCBC vuông góc với bờ đáng kể.
Trong tính toán phân bố độ cao sóng theo profile bãi biển, vào các bƣớc thời gian tính toán đã sử dụng profile bãi biển tại thời điểm trƣớc đó và tính toán lƣợng VCBC theo phƣơng trình bảo toàn khối lƣợng.
𝑖𝑘+1−𝑖𝑘 ∆𝑡 =1 2 𝑞𝑖+1𝑘+1−𝑞𝑖𝑘+1 ∆𝑦 −𝑞𝑖+1𝑘 −𝑞𝑖𝑘 ∆𝑦 (66)
với k chỉ bƣớc thời gian và i chỉ thứ tự ô tính.
Trong điều kiện sóng lớn nhƣ bão gió mùa, sóng tác động đến bờ biển không chỉ ở vùng sóng đổ mà còn vào sâu hơn nữa, leo lên mái đê, đụn cát. Các tính toán VCBC tại vùng tác động này của bão - vùng sóng tràn đã đƣợc đƣa ra ở phần trên.
Trong bão, tác động xói lở không chỉ giới hạn ở những phần ngập nƣớc trong điều kiện thời tiết bình thƣờng mà còn xảy ra tại các đụn cát trên bờ biển. Thuật toán tính xói lở đụn cát đƣợc nêu ở phần trên [9].
Độ sâu của biên phía ngoài biển (cũng là biên trong cùng về phía đất liền của vùng
sóng đổ) của vùng sóng tràn B cũng ảnh hƣởng đến xói lở chân đê, đụn cát trong bão
và là một trong các tham số sử dụng để hiệu chỉnh mô hình. Nhƣ vậy các tham số sử
dụng để hiệu chỉnh mô hình tính là: hệ số VCBC thực nghiệm K, hệ số VCBC dƣới
tác động của độ dốc bãi ε (Eps) và độ sâu biên của vùng sóng đổ và vùng sóng sóng
tràn B.
Các kết quả đo đạc hàm lƣợng bùn cát lơ lửng cho thấy, các giá trị này biến động rất lớn và phụ thuộc chặt chẽ vào các đặc trƣng thủy thạch động lực cụ thể của vùng nghiên cứu. Hiệu chỉnh mô hình là một bƣớc hết sức cần thiết để có thể áp dụng mô hình trong các tính toán chế độ, dự báo xói lở bờ biển, tác động của bão đến các công trình bảo vệ bờ biển.