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 dòng 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, dòng chảy chủ yếu là dòng 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 và vơ số các lực tạo thành dòng chảy khác nhau và liên tục biến đổi.
Trong tự nhiên, sóng đóng vai trị khuấy trầm tích lên và tạo dịng chảy mang vật chất đi. Vận chuyển bùn cát do sóng thường tạo thành biến đổi địa hình, đối với đường bờ, sự di chuyển bùn cát dọc bờ có vai trị quan trọng trong sự biến động đường bờ. Trong luận văn này, học viên chỉ sử dụng kết quả của mơ hình SWASH để thử
việc có thể sử dụng kết quả của mơ hình SWASH cho việc tính tốn dịng vận chuyển bùn cát mà chưa đi sâu nghiên cứu biến động đường bờ.
Để phục vụ tính tốn vận chuyển bùn cát, số liệu sóng và dịng chảy tại một số mặt cắt đại diện được trích xuất. Kết quả tính tốn về lượng bùn cát vận chuyển qua các mặt cắt được thể hiện trong bảng 4.
Hình 27. Mặt cắt tính tốn vận chuyển bùn cát
Tại khu vực bãi biển Cửa Lị – Nghệ An với các sóng có hướng chủ đạo là hướng SE và E, dịng chảy chủ yếu hướng từ Nam lên Bắc làm cho dịng bùn cát cũng có xu hướng vận chuyển từ Nam lên Bắc. Có thể thấy với kịch bản sóng hướng E, do tần suất xuất hiện nhỏ nhất nên lượng vận chuyển bùn cát qua các mặt cắt theo hướng này tương đối nhỏ. Chủ yếu gây ra vận chuyển bùn cát đối với khu vực này là sóng hướng SE và NE. Nếu như sóng hướng NE có xu hướng làm bùn cát vận chuyển xuống phía Nam thì sóng hướng SE có xu hướng làm bùn cát vận chuyển lên phía Bắc. Có thể thấy định lượng về lượng bùn cát vận chuyển lên phía Bắc có xu hướng lớn hơn phía Nam. Từ kết quả tính tốn có thể nhận thấy rằng dịng bùn cát có xu hướng vận chuyển lên phía Bắc.
Bảng 4. Kết quả tính tốn bùn cát vận chuyển qua các mặt cắt
Hướng Q (m3/năm) Ghi chú MC1 NE -29.88 43.54 (+) hướng lên phía bắc (-) hướng xuống phía Nam E -1.83 SE 75.25 MC2 NE 332.68 350.53 E -0.03 SE 17.88 MC3 NE -249.61 -120.25 E -4.50 SE 133.85 MC4 NE -33.71 -33.69 E 0.02 SE 0.00 MC5 NE -190.96 287.76 E 0.14 SE 478.58
Bùn cát có xu hướng vận chuyển từ phía Nam lên phía Bắc, trong q trình di chuyển, những hạt có kích thước lớn khơng bị di chuyển hoặc di chuyển một quãng đường nhỏ sẽ bị lắng đọng lại, những hạt mịn hơn sẽ tiếp tục bị di chuyển do tác động của sóng và dịng chảy, q trình tiếp tục diễn ra. Tại khu vực uốn gần đảo Lan Châu nơi có dịng chảy yếu, q trình vận chuyển bùn cát di đáy ít diễn ra. Bùn cát từ phía nam di chuyển lên thường sẽ lắng đọng tại vị trí này. Tại đây, cát thường là cát mịn có độ chọn lọc cao, do những hạt lớn đã bị lắng đọng trong quá trình di chuyển, đến tại vị trí này tạo thành bãi cát mịn. Điều này làm cho nhiều du khách chọn vị trí này làm nơi vui chơi tắm biển. Tuy nhiên, tại vị trí uốn cong gần đảo Lan Châu có sự hội tụ của dịng chảy từ phía Nam đi lên và dịng chảy từ phía đầu đảo đi xuống thường tạo dịng tách bờ rất nguy hiểm, chính dịng này cuốn người tắm biển đi gây nhiều vụ đuối nước thương tâm. Do vậy, cần có những cảnh báo cho người dân, du khách biết để tránh gặp phải những tai nạn đáng tiếc.
Kết luận và kiến nghị
Mơ hình SWASH đã được kiểm nghiệm qua ba bài tốn: lan truyền sóng trên bãi nghiêng thoải, lan truyền sóng trên bãi có bar ngầm trong điều kiện bão, dịng chảy sóng trong địa hình có cồn ngầm. Kết quả này khẳng định rằng mơ hình SWASH phù hợp để tính tốn vùng ven bờ.
Tính tốn cho trường hợp thực tế ở Việt Nam kết quả cho thấy trường sóng được mơ phỏng khá tốt, thể hiện được các hiện tượng sóng trong vùng nước nơng như khúc xạ, nhiễu xạ… Việc mô phỏng tốt trường sóng là điều kiện quan trọng cho việc mơ phỏng tốt trường dịng chảy, từ đó có thể ứng dụng tính tốn vận chuyển bùn cát.
Qua tính tốn thực tiễn cho khu vực biển Cửa Lị Nghệ An nhận thấy: Mơ hình có khả năng liên kết với mơ hình SWAN thơng qua biên liên kết tính tốn đã mở ra khả năng mơ phỏng tốt trường sóng lan truyền sóng từ ngồi khơi đến vùng ven bờ; Đối với mơ hình SWASH thời gian tính tốn tương đối nhanh, tuy nhiên, mơ hình chạy chưa ổn định khi thay đổi các tham số của mơ hình; Trong các tham số của mơ hình, hệ số nhớt rối là tham số có ảnh hưởng nhiều nhất đến kết quả của mơ hình.
Nghiên cứu trong luận văn mới chỉ dừng lại ở việc ứng dụng kết quả của mô hình SWASH để tính tốn thử nghiệm lượng bùn cát vận chuyển qua một số mặt cắt mà chưa đi sâu nghiên cứu biến động đường bờ. Đây là điểm hạn chế của luận văn, tuy nhiên, qua việc tính tốn này có thể chứng minh được khả năng sử dụng kết quả của mơ hình cho việc tính tốn dịng vận chuyển bùn cát, phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo.
SWASH là một mơ hình tính sóng hiện đại, có độ chính xác khá cao và phù hợp với mơ phỏng tính tốn sóng ven bờ, nơi có sự tổng hợp của nhiều q trình thủy động lực phức tạp như sóng đổ, sóng leo, sóng tương tác phi tuyến với vật cản, cơng trình, địa hình, sóng phản xạ, nhiễu xạ… Do đó, cần có những kiểm nghiệm thêm trên thực tiễn để đưa SWASH vào ứng dụng trong các nghiên cứu tính tốn sóng ở khu vực cảng, cửa sơng hay có cơng trình chỉnh trị.
Tài liệu tham khảo Tiếng Việt
1. Báo cáo kinh tế - xã hội thị xã Cửa Lò, 2015
2. Phùng Đăng Hiếu (2016), “Thuyết minh đề tài TNMT.2016.06.09. Nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn trường động lực khu vực trong vùng sóng đổ phục vụ đánh giá dòng chảy nguy hiểm ven bờ; áp dụng thí điểm cho bãi biển Cửa Lị – Nghệ An”, Viện Nghiên cứu biển và hải đảo
3. Phùng Đăng Hiếu, Lê Đức Dũng (2018), “Báo cáo khảo sát đo địa hình khu vực Cửa Lị – Nghệ An tỷ lệ 1:2000”, Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài TNMT.2016.06.09
4. Phùng Đăng Hiếu, Lê Đức Dũng (2019), “Báo cáo kết quả đo mực nước, sóng, dịng chảy khu vực Cửa Lị – Nghệ An năm 2018 (số liệu đo mùa Đông Bắc)”, Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài TNMT.2016.06.09
5. Phùng Đăng Hiếu, Nguyễn Thị Khang (2019), “Phân tích, tính tốn chế độ sóng, hoa sóng trung bình tháng từ số liệu NOAA cho khu vực Cửa Lò – Nghệ An là cơ sở đầu vào cho tính tốn dịng chảy nguy hiểm” Báo cáo chun đề thuộc đề tài TNMT. 2016.06.09
6. Phùng Đăng Hiếu, Vũ Sinh Khiêu (2017), “Thu thập tài liệu, số liệu về điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội, khí tượng thủy văn, địa hình khu vực biển Cửa Lò- Nghệ An”, Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài TNMT.2016.06.09
7. Phùng Đăng Hiếu, Trần Đức Trứ (2018), “Báo cáo kết quả đo mực nước, sóng, dòng chảy khu vực Cửa Lò – Nghệ An năm 2018 (số liệu đo mùa hè)”, Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài TNMT.2016.06.09
8. Phùng Đăng Hiếu, Nguyễn Thị Khang, Lê Đức Dũng, Trần Đức Trứ (2018) “Mơ phỏng dịng rip và dịng chảy ven bờ phát sinh do sóng theo các phương pháp khác nhau của phần mềm Mike 21” Tạp chí Khoa học Thủy lợi và Mơi trường - Số 61 (6/2018)
9. Vũ Như Hoán (2000), “Thủy triều ở ven biển Việt Nam”, NXB khoa học và kỹ thuật, Hà Nội
10. Đinh Văn Ưu, Nguyễn Thọ Sáo, Phùng Đăng Hiếu (2006), “Thủy lực biển”, NXB
Đại học Quốc gia Hà Nội
Tiếng Anh
11. Blayo, E. and Debreu, L., (2005), “Revisiting open boundary conditions from thepoint of view of characteristic variables”, Ocean Model., 9: 231–252 12. Haller, M.C., Dalrymple, R.A. and Svendsen, I.A., (2002), “Experimental studyof
nearshore dynamics on a barred beach with rip channels” J. Geophys. Res.,107 (C6), doi:10.1029/2001JC000955
13. Holthuijsen, L.H., (2007), “Waves in oceanic and coastal waters” Cambridge University Press, Cambridge
14. Kennedy A.B., Chen Q., Kirby J.T. and Dalrymple R.A. (2000), “Boussinesq modeling of wave transformation, breaking and runup. Part I. One dimension” Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering 126, pp. 39-47 15. Lam, D.C.L. and Simpson R.B., (1976), “Centered differencing and the box
schemefor diffusion convection problems” J. Comput. Phys., 22: 486-500 16. Madsen P.A., Sorensen O.R., Schaffer H.A (1997a), “Surf zone dynamics
simulated by Boussinesq type model. Part I. Model description and cross- shore motion of regular waves”. Coastal Engineering, 32, 255-287
17. Madsen P.A., Sorensen O.R., Schaffer H.A (1997b), “Surzone dynamics simulated by Boussinesq-type model. Part II: Surfbeat and swash oscillations for wave groups and irregular waves” Coastal Engineering, Vol 32, pp. 289- 319
18. Schaffer H.A., Madsend P.A., Diegaard R. (1993), “A Boussinesq model for wave breaking in shallow water”, Coastal Engineering Vol. 20, No. 3-4, pp. 185-
19. Stelling, G. and Zijlema, M., (2003),“An accurate and efficient finite- differencealgorithm for non-hydrostatic free-surface flow with application to wavepropagation”, Int. J. Numer. Meth. Fluids, 43: 1–23
20. SWASH user manual
21. Ting F.C.K and Kirby (1994), “Observation of undertow and turbulence in a laboratory surfzone”, Coastal Engineering 24, pp. 51-80
22. Van Gent, M.R.A. and Doorn, N., (2000),“Numerical model investigations oncoastal structures with shallow foreshores; Validation of numerical models basedon physical model tests on the Petten Sea-defence”. Report H3351, WL|Delft Hydraulics, Delft, The Netherlands
23. Van Rijn L.C., “Simple general formulate for sand transport in rivers, estuaries and coastal waters”, www.leovanrijn-sediment.com
24. Zijlema, M. and Stelling, G.S., (2008), “Efficient computation of surf zone wavesusing the nonlinear shallow water equations with non-hydrostatic pressure”, Coastal Engineering, 55: 780–790
25. Zijlema, M., Stelling, G. and Smit, P., (2011), “SWASH: An operational public domain code for simulating wave fields and rapidly varied flows in coastal waters”, Coastal Engineering, 58, 992-1012