Chương 3 Ứng dụng thực tiễn cho bãi biển Cửa Lò-Nghệ An
3.2 Số liệu và phương pháp nghiên cứu
3.2.1 Số liệu
Trong nghiên cứu này các số liệu được sử dụng là sự kết hợp giữa số liệu thực đo, số liệu thu thập và số liệu tái phân tích tồn cầu. Cụ thể:
- Số liệu địa hình: số liệu địa hình được sử dụng để xây dựng lưới tính cho mơ hình là số liệu thực đo khu vực gần bờ vào tháng 6/2018 (khu vực được thể hiện trong hình 15) kết hợp với số liệu hải quân đo đạc năm 2009. Bộ số liệu được đồng bộ hóa về hệ cao độ quốc gia, hệ tọa độ UTM48 [3].
Hình 15. Khu vực đo địa hình chi tiết
- Số liệu hiệu chỉnh kiểm định mơ hình: trong luận văn sử dụng số liệu sóng thực đo trong hai mùa tại Cửa Lị để hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình. Trong đó, số liệu sóng mùa gió mùa Đơng Bắc được sử dụng để hiệu chỉnh mơ hình và số liệu mùa gió mùa Tây Nam phục vụ kiểm định mơ hình. Chi tiết các trạm đo được thể hiện trong bảng 1 [4, 7].
Bảng 1.Chi tiết trạm đo sóng
Mùa gió mùa Đơng Bắc Mùa gió mùa Tây Nam Tọa độ trạm ngoài khơi 105046’49,90”E
18049’55,1”N
105046’53” E 18049’50” N Tọa độ trạm ven bờ 105043’42,27”E
18048’31,49”N
105043’40,1”E 18048’30,4”N
Hình 16. Trạm đo sóng
- Số liệu tại biên tính tốn: để xác định điều kiện sóng đầu vào tại biên của mơ hình luận văn sử dụng số liệu sóng tái phân tích tồn cầu của Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ - National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) tại vị trí có tọa độ 190N, 106,50E. Số liệu sau khi thu thập sẽ được thống kê làm cơ sở để xác định kịch bản tính tốn.
3.2.2 Phương pháp
Với số liệu đã được chuẩn bị, việc tính tốn được thực hiện.
Do miền tính (được trình bày chi tiết ở phần sau) là khu vực nhỏ gần bờ, trong khi đó các số liệu được sử dụng để làm điều kiện biên lại ở vị trí xa bờ cho nên trong tính tốn sử dụng mơ hình SWAN tính tốn lan truyền sóng từ khu vực ngồi khơi và trích xuất số liệu tại biên cho mơ hình SWASH. Việc này được thực hiện cho cả quá trình hiệu chỉnh kiểm định lẫn q trình tính tốn theo các kịch bản.
Trong luận văn này, số liệu sóng thực đo tại trạm ngồi khơi được sử dụng làm biên đầu vào để tính tốn lan truyền sóng, sau đó, so sánh kết quả với trạm ven bờ để hiệu chỉnh mơ hình nhằm đưa ra bộ thơng số phù hợp với khu vực tính tốn. Tiến hành kiểm định với bộ số liệu thực đo mùa còn lại để khẳng định mức độ phù hợp của bộ thông số đã xác định. Hệ số Nash được sử dụng để đánh giá kết quả của mơ hình.
Sau khi có được bộ thơng số phù hợp với khu vực tính tốn, tiến hành tính tốn theo các kịch bản. Các kịch bản được xây dựng dựa vào thống kê số liệu sóng tái phân tích tồn cầu NOAA từ năm 1979 đến năm 2017. Các kịch bản được đưa ra dựa vào sự xuất hiện của các hướng sóng chủ đạo. Trong mơ hình SWASH, sóng với các hướng khác nhau được đưa vào, tuy nhiên, cần chú ý khi tính bằng lưới Đề các, giá trị hướng sóng là góc lượng giác tính từ gốc 0 của trục Ox đến vecto hướng sóng theo ngược chiều kim đồng hồ. Theo đó, giá trị của các hướng sóng khi đưa vào tính tốn tương ứng là: N (2700), NE(2250), E(1800), SE(1350), S(900), SW(450), W(00), NW(3150).
Trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, việc tính tốn vận chuyển bùn cát ở vùng ven bờ là nội dung hết sức quan trọng, vì bùn cát chính là yếu tố trung gian trong q trình gây nên hiện tượng xói lở hay bồi lấp ở bờ biển. Biết được lượng vận chuyển bùn cát ven bờ thì mới có thể dự báo được sự biến đổi của đường bờ trong điều kiện tự nhiên cũng như đánh giá được ảnh hưởng của các cơng trình xây dựng sau này.
Trên cơ sở kết quả tính tốn trường sóng và trường dịng chảy tiến hành thử nghiệm tính tốn vận chuyển bùn cát qua một số mặt cắt từ số liệu sóng và dịng chảy được xuất ra từ mơ hình. Hiện nay, có khá nhiều cơng thức để tính tốn vận chuyển bùn cát tùy thuộc vào hình thức vận chuyển là di dáy hay lơ lửng hay dựa vào việc vận chuyển bùn cát là do sóng hay do dịng chảy hay kết hợp giữa sóng và dịng chảy như cơng thức về vận chuyển trầm tích tổng cộng do dịng chảy của Van Rijn (1984) hay công thức của Engelund và Hansen (1972), công thức Acker và White (1973) cũng về tính tốn vận chuyển trầm tích tổng cộng do dịng chảy, cơng thức của Bailard (1981) đối với vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng, cơng thức Soulsby – Van Rijn cho vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng và dịng chảy kết hợp… Trong nghiên cứu này, với mục đích thử nghiệm tính tốn vận chuyển bùn cát do sóng, học viên lựa chọn sử dụng cơng thức tính vận chuyển bùn cát di đáy của Van Rijn (2007) [23]: 𝑞𝑏 = 𝛼𝑏𝜌𝑠𝑈ℎ(𝑑50/ℎ)1.2𝑀𝑒1.5 Trong đó: 𝑞𝑏 vận chuyển di dáy (kg/s/m) 𝛼𝑏 = 0.015 𝑀𝑒 = (𝑈𝑤− 𝑈𝑐𝑟)/[(𝑠 − 1)𝑔𝑑50]0.5 tham số chuyển động (-)
𝑈𝑒 = 𝑈 + 𝛾𝑈𝑤 vận tốc hiệu quả (effective velocity) (m/s) với 𝛾 = 0.4 cho sóng khơng đều và 0,8 cho sóng đều
U vận tốc dịng chảy trung bình theo độ sâu (m/s)
𝑈𝑤 = 𝜋𝐻𝑠/[𝑇𝑝sinh (𝑘ℎ)] vận tốc quỹ đạo phổ (m/s) dựa vào lý thuyết sóng tuyến tính.
𝐻𝑠 độ cao sóng có nghĩa (m); 𝑇𝑝 chu kì sóng phổ (s)
𝑈𝑐𝑟,𝑤 là vận tốc tới hạn (m/s) của sóng (Van Rijn, 1993)
𝑈𝑐𝑟,𝑐 = 0.19(𝑑50)0,1log (12ℎ/3𝑑90) nếu 0,0001<𝑑50<0,0005 m 𝑈𝑐𝑟,𝑐 = 8.5(𝑑50)0,6log (12ℎ/3𝑑90) nếu 0,0005<𝑑50<0,002 m
𝑈𝑐𝑟,𝑤 = 0.24[(𝑠 − 1)𝑔]0,66𝑑500,33(𝑇𝑝)0,33 nếu 0,0001<𝑑50<0,0005 m 𝑈𝑐𝑟,𝑤 = 0.95[(𝑠 − 1)𝑔]0,57𝑑500,43(𝑇𝑝)0,14 nếu 0,0005<𝑑50<0,002 m
3.3 Ứng dụng mơ hình SWASH tính tốn trường sóng và dịng chảy phát sinh do sóng cho khu vực Cửa Lị - Nghệ An
3.3.1 Miền tính và lưới tính tốn
Miền tính: Khu vực tính tốn thuộc khu vực biển Cửa Lò – Nghệ An được giới hạn như trên hình 18. Khu vực quan tâm là khu vực tính từ đảo Lan Châu xuống phía Nam khoảng 2km, tuy nhiên, để tránh ảnh hưởng từ biên và sai số do các sóng có hướng khơng vng góc tại biên, khu vực tính tốn được mở rộng lên phía Bắc và xuống phía Nam mỗi bên khoảng 200m.
Hình 18. Khu vực tính tốn
Lưới tính tốn: trong tính tốn sử dụng lưới đều trong hệ tọa độ Đề các với kích thước ơ lưới ∆𝑥 = ∆𝑦 = 1,5𝑚.
3.3.2 Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình
a. Hiệu chỉnh mơ hình
Trên cơ sở giá trị của các hệ số đã được sử dụng trong các tính tốn ứng dụng thử nghiệm cho các bài tốn trong phịng thí nghiệm ở chương 2, tiến hành hiệu chỉnh với bộ hệ số bao gồm: hệ số nhớt rối ngang theo công thức Smagorinsky với giá trị trong khoảng [0,1-0,3], hệ số ma sát đáy sử dụng theo công thức số Manning với giá trị trong khoảng [0,01-0,04], hệ số sóng vỡ 𝛼 trong khoảng [0,3-0,7], 𝛽 trong khoảng [0,15-0,4].
Quá trình hiệu chỉnh được tiến hành như sau: giữ nguyên 3 tham số, thay đổi tham số còn lại, đánh giá độ nhạy và xác định được giá trị phù hợp của tham số đó. Sau khi có được giá trị của tham số đầu tiên, q trình tiếp tục với các tham số cịn lại. Quá trình được tiếp diễn để xác định giá trị phù hợp với khu vực của từng tham số.
Trong các tham số đã lựa chọn để hiệu chỉnh, tham số có ảnh hưởng nhiều nhất đến kết quả mô phỏng là hệ số nhớt, tham số ít có ảnh hưởng nhất là hệ số sóng vỡ. Việc thay đổi giá trị của hệ số sóng vỡ khơng làm thay đổi nhiều kết quả tính tốn, do vậy, trong tính tốn này, sử dụng giá trị mặc định của mơ hình do giá trị này đã được sử dụng tại chương 2 và cho kết quả tốt đối với trường hợp địa hình có hình dạng và kích thước gần giống với thực tế trong thí nghiệm lan truyền sóng trên bãi có bar ngầm. Trong hai tham số cịn lại, sự thay đổi giá trị của tham số sẽ làm cho kết quả biến đổi nghịch biến, giá trị của các tham số tăng lên sẽ dẫn đến kết quả độ cao sóng giảm xuống và ngược lại. Trong tính tốn, nếu sử dụng các giá trị mặc định của mơ hình sẽ dẫn đến kết quả thiên cao, do vậy, cần tăng các giá trị của tham số. Trong hai tham số này, tham số có ảnh hưởng nhiều đến kết quả là hệ số nhớt, việc thay đổi giá trị của hệ số ma sát làm kết quả ít biến đổi hơn.
Trên cơ sở các tính tốn ở chương 2 cùng với quá trình hiệu chỉnh xác định được bộ tham số cho khu vực Cửa Lò – Nghệ An như sau: hệ số ma sát = 0,025, hệ
Hình 19. Kết quả hiệu chỉnh mơ hình
Kết quả tính tốn trường sóng được hiệu chỉnh với chuỗi số liệu thực đo tại trạm gần bờ trong thời gian từ 7h ngày 20/3/2019 đến 7h ngày 23/3/2019. Kết quả hiệu chỉnh mơ hình được đánh giá bằng chỉ số Nash, với giá trị bằng 0,74 cho thấy mức độ phù hợp giữa số liệu thực đo và tính tốn.
b. Kiểm định mơ hình
Với bộ tham số đã được xác định, tiến hành tính tốn kiểm định mơ hình với bộ số liệu thực đo từ 1h ngày 20/6/2018 đến 1h ngày 24/6/2018. Kết quả kiểm định cho hệ số Nash = 0,62. Kết quả này cho thấy rằng bộ tham số là phù hợp cho khu vực tính tốn.
Do bộ số liệu thực đo dòng chảy là kết quả dịng chảy tổng cộng khơng tách được riêng dịng cho sóng nên q trình hiệu chỉnh kiểm định dịng chảy khơng được thực hiện, tuy nhiên, qua kết quả tính tốn ở chương 2 có thể khẳng định mơ hình phù hợp để tính tốn trường dịng chảy khu vực ven bờ.
3.3.3 Kịch bản tính tốn
Qua thống kê số liệu sóng từ NOAA cho ngồi khơi khu vực Cửa Lị Nghệ An thấy rằng: tại khu vực này sóng ảnh hưởng chủ yếu là sóng hướng NE (32,83%), SE (41,94%) và E (19,88%). Do vậy, tiến hành tính tốn theo các kịch bản là các hướng sóng chính với độ cao sóng và chu kì sóng đưa vào tính tốn là độ cao sóng có nghĩa và chu kì sóng tương ứng của từng hướng.
Bảng 2. Thống kê sóng nhiều năm tại Nghệ An (1979-2017)
Hướng H1/3 (m) T1/3 (s) Tần suất (%) N 1.42 4.89 0.77 NE 1.57 6.89 32.83 E 0.98 5.72 19.88 SE 0.95 5.72 41.94 S 0.66 3.47 1.25 SW 0.62 3.32 2.52 W 0.56 3.18 0.47 NW 0.60 3.12 0.36
Kịch bản tính tốn được đưa ra như trong bảng 3.
Bảng 3. Kịch bản tính tốn
Kịch bản Hướng Độ cao (m) Chu kì (s)
1 NE 1,57 6,89
2 E 0,98 5,72
3 SE 0,95 5,72
3.3.4. Kết quả tính tốn
Với bộ tham số phù hợp cho khu vực tính tốn, các kịch bản, điều kiện tính tốn được đưa ra, tiến hành mô phỏng và nhận được kết quả như sau:
Kết quả tính tốn trường sóng
Hình 21. Trường sóng kịch bản sóng hướng NE
Với kịch bản hướng sóng đầu vào là hướng NE, khi sóng lan truyền từ ngồi khơi vào vùng ven bờ độ cao sóng tương đối lớn do khơng có sự cản trở của đảo hay cơng trình, khu vực nhỏ sát bờ độ cao sóng nhỏ, trong q trình lan truyền sóng bị phân tán tạo nên như vực sóng khơng đều. Tại khu vực uốn gần đảo Lan Châu độ cao sóng nhỏ, khi sóng hướng NE lan truyền đến đảo Lan Châu do đây là khu vực bờ đá, đón sóng trực tiếp nên độ cao sóng tại khu vực này khá lớn vào khoảng 0,6-0,7m, với kịch bản hướng sóng này cũng xuất hiện những khu vực nhỏ lặng sóng dọc bờ biển, đây chính là những nơi có nguy cơ xảy ra dịng rip gây nguy hiểm cho người tắm biển. Với hướng sóng có xu hướng vng góc với bờ sẽ tạo ra những vùng hội tụ và phân kì năng lượng năng lượng sóng là ngun nhân gây ra dịng rip.
Hình 22. Trường sóng kịch bản sóng hướng E
Đối với sóng hướng E, việc tính tốn cho kết quả có sai số do hướng sóng khơng vng góc với biên là nhỏ nhất. Tương tự như đối với kịch bản sóng hướng NE, khu vực ven bờ độ cao sóng nhỏ. Q trình lan truyền sóng từ ngồi khơi vào làm xuất hiện những vệt sóng có độ cao lớn nhỏ xen kẽ nhau. Độ cao sóng trong kịch bản này tương đối nhỏ vào khoảng 0,5m.
Với kịch bản sóng hướng SE, khi sóng lan truyền từ ngồi khơi vào độ cao sóng giảm, hướng sóng có xu hướng chuyển thành sóng hướng E do đảo Hịn Ngư chắn ở phía ngồi. Độ cao sóng tương đối nhỏ trong kịch bản này.
Hình 23. Trường sóng kịch bản sóng hướng SE
Có thể thấy kết quả tính tốn bằng mơ hình SWASH cho kết quả trường sóng khá khác so với mơ hình thường dùng trước đây như mơ hình Mike 21 SW. Nếu như quá trình lan truyền sóng từ ngồi khơi vào vùng ven bờ được tính bằng mơ hình Mike độ cao sóng suy giảm theo độ sâu, thì khi tính bằng mơ hình SWASH do phân tán tần số, độ cao sóng suy giảm trong q trình truyền sóng tạo nên những những con sóng có độ cao lớn nhỏ xen kẽ nhau. Nhiều q trình được tính đến làm cho kết quả mô phỏng sát với thực tế hơn.
Trong cả ba kịch bản tính tốn, khu vực sát bờ đều có độ cao sóng nhỏ, khu vực mũi đảo Lan Châu có độ cao sóng tương đối lớn do đây là khu vực đón sóng trực tiếp, khu vực uốn cong chỗ gần đảo Lan Châu do là vùng khuất sóng nên đây là chỗ sóng khá nhỏ trong tất cả các trường hợp
Kết quả tính tốn trường dịng chảy
Các hướng sóng khác nhau lan truyền vào bờ có tác động khá khác nhau đến khu vực bãi tắm Cửa Lị, Nghệ An. Với sóng NE, sóng lan truyền trực tiếp vào khu
vực bãi tắm, hiệu ứng nước nơng và khúc xạ có tác động chính đến phân bố trường sóng vùng gần bờ. Các hướng sóng E, SE bị tác động chắn của đảo Hòn Ngư nên bị suy giảm độ lớn khá nhiều khi tiếp cận bãi biển. Các quá trình khúc xạ, nhiễu xạ, biến dạng có ý nghĩa lớn trong việc phân bố trường sóng khu vực ven bờ. Do đó, trường dịng chảy ven bờ của các sóng hướng E, SE sẽ khác so với trường dịng chảy do sóng hướng NE gây ra.
Hình 24. Trường dịng chảy kịch bản sóng hướng NE
Đối với sóng hướng NE, trường dịng chảy có sự biến đổi mạnh, dịng chảy co xu thế men theo sườn nam đảo Lan Châu, dọc bờ biển xuất hiện những dịng ngang bờ.
Hình 25. Trường dịng chảy kịch bản sóng hướng E
Với kịch bản sóng hướng E và SE, dịng chảy chủ yếu là dịng dọc bờ, dịng ven bờ đều có hướng đi từ Nam lên Bắc men theo bờ biển và tồn tại trong khoảng phía trong vùng sóng đổ là chủ yếu. Duy có khu vực khúc uốn gần đảo Lan Châu, do có sự hội tụ của hai dịng chảy phía đầu đảo đi xuống và dịng dọc bờ đi lên dẫn đến khu vực này thường tồn tại dòng tách bờ khá nguy hiểm. Dòng này hướng ra khơi về phía các đảo đá nhỏ chắn phía ngồi và có độ lớn vận tốc khá cỡ 0,5m/s.
Hình 26. Trường dịng chảy kịch bản sóng hướng SE
Thử nghiệm ứng dụng kết quả của mơ hình SWASH để tính tốn vận chuyển bùn cát
Q trình vận chuyển trầm tích đóng một vai trị hết sức quan trọng trong ổn định bờ biển. Rất nhiều vấn đề liên quan tới xây dựng các cơng trình bờ địi hỏi cung cấp các số liệu tính tốn định lượng về bồi tụ, xói lở và ổn định đường bờ. Sóng, dịng chảy cùng với các tính chất vật lý của vật liệu đáy là những nhân tố quan trọng quyết định cho các q trình trên. Việc tính tốn vận chuyển bùn cát ở biển rất phức tạp do q trình vận chuyển bùn cát ở biển khơng những chịu tác động của dòng chảy mà còn chịu ảnh hưởng của các dao động mực nước do thủy triều, các tác động của sóng