Các kết quả phân tích đặc trưng sóng gồm có: Thơng kê tần suất sóng nhiều năm, tần suất trung bình theo từng tháng, tần suất trung bình trong mùa gió đơng bắc (các tháng 1, 2, 11 và 12) và tần suất trung bình trong mùa gió tây nam (các tháng 6, 7, 8 và 9)
Dưới đây là kết quả phân tích sóng:
Trong các hình 15 và 16 là kết quả phân tích chế độ sóng trong nhiều năm, trong mùa gió đơng bắc và mùa gió tây nam, được trình bày dưới dạng các hoa sóng.
Bảng 2. Bảng tần suất sóng trung bình nhiều năm
Hs range N NE E SE S SW W NW 0.0-0.5 0.92 4.11 22.54 0.77 0.02 0.02 0.16 0.64 0.5-1.0 1.38 6.25 24.68 0.42 0.00 0.00 0.20 0.45 1.0-1.5 1.01 5.76 9.15 0.04 0.00 0.00 0.04 0.08 1.5-2.0 0.43 5.82 4.62 0.00 0.00 0.00 0.00 0.02 2.0-2.5 0.24 4.30 1.88 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 2.5-3.0 0.12 2.20 0.47 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 3.0-3.5 0.07 0.79 0.07 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 3.5-4.0 0.02 0.18 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 4.0-4.5 0.00 0.04 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 4.5-5.0 0.01 0.02 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 5.0-5.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 5.5-6.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6.0-6.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6.5-7.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 7.0-7.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 >7.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Tổng % 4.21 29.47 63.43 1.24 0.02 0.02 0.40 1.21
Hình 16. Hoa sóng tại trạm ngồi khơi trong mùa gió đơng bắc và mùa gió Tây nam
Trong tính tốn vận chuyển trầm tích các yếu tố sóng đóng vai trị quan trọng, sóng là tác nhân chính trong việc khuấy động trầm tích và gây ra dịng chảy trong vùng nước nông ven bờ đặc biệt là trong vùng sóng đổ. Trong các vùng biển như tại cửa Thuận An, dao động mực nước khá nhỏ (trung bình 0.25m), gây ra dịng chảy thủy triều khơng lớn, khi đó các yếu tố sóng đóng vai trị chính trong q trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển. Do vậy các kết quả phân tích chế độ các yếu tố sóng cho chúng ta thấy được bức tranh khái quát về chế độ vận chuyển trầm tích dưới sự tác động của sóng. Từ các kết quả phân tích chế độ sóng là cơ sở hình thành các kịch bản tính tốn vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy trên mơ hình số. Theo như các kết quả trong bảng 2 ta có thể thấy tại khu vực Thuận An các sóng có tần suất lớn nhất có hướng đơng (E) và đông bắc (NE) và đồng thời cũng là các sóng có độ cao khá lớn. Các hướng sóng khác nhỏ hơn cả về tần suất cũng như độ lớn của các tham số sóng.
Q trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy là quá trình liên tục, kết quả tại thời điểm sau có sự ảnh hưởng và kế thừa từ các thời điểm trước đó. Cho nên phương pháp tính tốn cho kết quả tốt nhất là mơ phỏng với các tham số đầu vào trong thời gian thực, các kết quả tính tốn liên tục được so sánh và hiệu chỉnh. Tuy nhiên việc tính tốn như trên không thể tiến hành cho một thời gian dài, bởi lẽ các tính tốn tiêu tốn khá nhiều thời gian cũng như tài nguyên máy tính. Trong các trường hợp yêu cầu có một chế độ về vận chuyển trầm tích, khi đó địi hỏi cần có chuỗi số liệu đủ dài để làm các phân tích thống kê, phương pháp tính tốn liên tục hồn tồn khơng khả thi. Do vậy cần thiết phải nghiên cứu sử dụng phương pháp tính tốn trầm tích và biến đổi đáy biển dựa trên các số liệu thơng kê các tham số sóng. Các kết quả tính tốn của phương pháp này địi hỏi có độ chính xác giống như các tính tốn liên tục. Một phương pháp được Roelvink J. A (2001) và các cộng sự
đưa ra đó là sử dụng chuỗi tham số sóng từ đó thống kê, phân tích xác định giá trị tham số sóng có tác động tới vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy. Theo phương pháp này, giá trị chiều cao sóng có tác động đến q trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy được sử dụng trong tính tốn thay vì sử dụng giá chiều cao sóng hữu hiệu theo thống kê thơng thường. Roevink J. A đã đưa ra công thức xác định chiều cao sóng gây biến đổi đáy từ chiều cao sóng hữu hiệu trong chuỗi sóng như sau:
i i i mor P H P H 5 . 2 5 . 2 (85)
Trong đó Hmor là chiều cao sóng có tác động đến biến đổi đáy mạnh nhất, Hi chiều cao sóng hữu hiệu i,
Pi – là tần suất của sóng thứ i.
Trong mơ hình CMS-wave chỉ tính tốn sóng với phổ truyền tới trong góc từ -90o đến 90o so với đường bờ. Do đó cần lập lại bảng thống kê sóng cho phù hợp với miền tính tốn. Góc truyền sóng tính theo giá trị góc tuyệt đối so với đường bờ - góc 0 ứng với hướng vng góc với đường bờ, góc âm là hướng về bên tay phải theo chiều kim đồng hồ, hướng dương theo hướng bên tay trái ngược chiều kim đồng hồ. Quy định về hướng như mơ tả trong hình vẽ 17.
Hình 17. Quy định về hướng sóng trong mơ hình CMS-wave
Thơng kế tần suất sóng theo các hướng sóng có tác động tới khu vực bờ Thuận An, kết quả thu được như trong bảng 3.
Bảng 3. Bảng tần suất sóng nước sâu theo các hướng tác động tới đường bờ
Hs range ( -90÷ -60 ) ( -60÷-30 ) ( -30÷ 0 ) ( 0 ÷ 30) ( 30÷ 60 ) ( 60÷ 90 ) hướng khác 0.0-0.5 0.20 12.26 12.48 2.19 0.90 0.41 0.75 0.5-1.0 0.03 10.18 17.53 3.20 1.33 0.52 0.59 1.0-1.5 0.00 0.63 11.18 2.90 0.91 0.36 0.10 1.5-2.0 0.00 0.01 7.63 2.65 0.39 0.19 0.02 2.0-2.5 0.00 0.00 3.98 2.06 0.31 0.06 0.00
2.5-3.0 0.00 0.01 1.38 1.21 0.17 0.02 0.00 3.0-3.5 0.00 0.01 0.33 0.48 0.09 0.01 0.00 3.5-4.0 0.00 0.00 0.05 0.13 0.03 0.00 0.00 4.0-4.5 0.00 0.00 0.01 0.03 0.00 0.00 0.00 4.5-5.0 0.00 0.00 0.02 0.01 0.01 0.00 0.00 5.0-5.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 5.5-6.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6.0-6.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 6.5-7.0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 7.0-7.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 >7.5 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 Tổng % 0.23 23.11 54.59 14.88 4.14 1.58 1.47 số số liệu 141 14179 33497 9129 2538 972 904 Hướng khí tượng 150÷120 120 ÷ 90 90 ÷60 60 ÷30 30÷ 0 360 ÷330
Áp dụng cơng thức (85) tính tốn tham các tham số sóng theo từng hướng ta được các kết quả như trong bảng 4.
Bảng4. Kết quả phân tích các yếu tố sóng theo hướng tác động
Hướng (-90 ÷ -60) (-60 ÷ -30) (-30 ÷ 0) (0 ÷ 30) (30 ÷ 60) (60÷ 90) Hmor 0.86 1.32 2.43 2.34 1.76 1.06 Tp 5.58 6.93 8.90 7.52 6.99 5.81 Dir -67.98 -42.42 -19.11 12.17 42.67 72.57 Tổng % 0.23 23.11 54.59 14.88 4.14 1.58 Hướng khí tượng 150÷120 120 ÷ 90 90 ÷60 60 ÷30 30÷ 0 360 ÷330
Trên bảng 4 là số liệu phân tích thống kê các tham số sóng cho 6 hướng truyền sóng có tác động đến vận chuyển trầm tích và biển đổi đáy. Trong đó hướng truyền sóng có tần suất lớn nhất là sóng có hướng từ 60 đến 90 độ (theo hướng khí tượng) tương ứng với sóng hướng từ đơng bắc đến đơng. Đây cũng là 6 phương án với các tham số sóng sẽ được sử dụng trong tính tốn vận chuyển trầm tích và biến động đáy biển được trình bày trong phần tiếp theo.
3.6 Thiết lập các thông số và hiệu chỉnh mơ hình
Trước khi tính tốn mơ hình cần được hiệu chỉnh các thơng số sao cho kết quả tính phù hợp với thực tế đo đạc. Đây là bước quan trọng cần được thực hiện kỹ lưỡng trước khi sử dụng bất kỳ một mơ hình số nào. Trong phần nghiên cứu này tác giả tiến hành hiệu chỉnh các thông số thông qua việc so sánh các kết quả tính tốn mực nước và dòng chảy trong đợt khảo sát đo đạc ngày 21/4/2007 tại trạm V1,
thuộc dự án VS\RDE-03. Trạm quan trắc dịng chảy nằm phía ngồi cửa Thuận An quan trắc đồng thời dao động mực nước triều và đo đạc dòng triều tại 3 tầng mặt, giữa và đáy.
Hình18. Vị trí các trạm quan trắc dao động mực nước và dòng chảy V1 3.6.1 Thiết lập các thơng số trong mơ hình CMS-wave
Hình 20. Điều kiện phổ sóng tại biên CMS-wave
Dạng phổ sóng sử dụng trên biên nước sâu là phổ TMA. Phổ sóng được tính tốn từ các tham số sóng: Độ cao Hs, chu kỳ đỉnh phổ Tp và hướng sóng với các tham số của ԑ=3.3 và n=4 tại độ sâu nước d=25m.
3.6.2 Thiết lập các thơng số trong mơ hình CMS-flow
Hình 22. Các thơng số tính tốn vận chuyển trầm tích.
Hình 23. Điều kiện biên dao động mực nước
3.6.3 Thiết lập thông số kết nối giữa hai mơ hình CMS-flow và CMS-wave
Hai mơ hình tính tốn sóng và dịng chảy được sử dụng tính cặp đồng thời. Phương pháp tính cặp sử dụng dạng trao đổi hai chiều, cho phép tính tốn và trao đổi các tham số của sóng và dịng chảy qua lại giữa hai mơ hình theo từng bước thời gian. Theo đó các tham số sóng và ứng suất bức xạ được CMS-flow sử dụng trong mỗi bước tính để tính dịng chảy do sóng và vận chuyển trầm tích. Q trình song song với nó là CMS-wave sử dụng trường dịng chảy, điều kiện địa hình đã được
cập nhật mực nước và biến đổi đáy vào trong tính tốn trường sóng. Hai q trình tính tốn diễn ra song song với bước thời gian trao đổi cập nhật các tham số là 3 giờ. Tổng lượng thời gian tính tốn trong một phương án hướng sóng là 720 giờ (30 ngày).
Hình 24. Giao diện điều khiển tính tốn cặp đồng thới giữa hai mơ hình
Hình 25. So sánh mực nước tính tốn và đo đạc tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007
Hình 26. So sánh tốc độ dịng chảy tính tốn với tốc độ dịng chảy đo đạc tại các tầng Mặt, giữa và đáy tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007
Hình 27. So sánh hướng dịng chảy tính tốn với hướng dòng chảy đo đạc tại các tầng Mặt, giữa và đáy tại trạm V1 từ 10 giờ ngày 21/4 đến 10 giờ ngày 22/4/2007
Hình 28. Trường dịng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều lên
Hình29. Trường dịng chảy tại khu vực cửa Thuận An trong pha triều xuống
Để đánh giá mức độ chính xác của các kết quả tính tốn và đo đạc, độ lệch chuẩn và sai số trung bình qn phương đã được sử dụng. Cơng thức xác định giá trị của độ lệch chuẩn (hệ số bias) và sai số trung bình quân phương như sau:
BIAS = 1
N (Vcomi − Vobsi) (86)
RMS = 1
N (Vcomi − Vobsi)2 1/2 (87)
Trong đó N – là tổng số số liệu, Vcomi- giá trị tính tốn thứ i, Vobsi – giá trị đo đạc thứ i.
Kết quả tính tốn sai số của dao động mực nước đo đạc và tính tốn: Bias = 0.065, Rms = 0.177
Kết quả tính tốn sai số của vận tốc dịng chảy đo đạc tại tầng giữa và vận tốc tính tốn: Bias = 0.0352, Rms = 0.0963
Từ các kết quả trên cho thấy kết quả tính tốn mực nước, tốc độ và hướng dịng chảy ứng với các thơng số cài đặt trong mơ hình là khá phù hợp. Các kết quả về giá trị có sự sai khác nhỏ. Các hệ số bias mang giá trị dương chứng tỏ các giá trị tính tốn lớn hơn so với các giá trị đo đạc.
3.7. Kết quả tính tốn
Mơ hình tính cặp đồng thời mơ phỏng sự vận chuyển trầm tích và biến động bãi biển được thiết lập theo các thông số đã được hiệu chỉnh tại phần trên. Tính tốn vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy được thực hiện theo 6 hướng sóng chính, trong mỗi hướng sóng được tính tốn trong 720 giờ (30 ngày). Kết quả tính tốn vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy biển được trình bày theo 3 dạng: Thứ nhất, kết quả được trình bày trên các hình vẽ theo mặt rộng. Thứ hai, chọn ra 5 mặt cắt đặc trưng, biểu thị biến động đáy biển trên hình vẽ của các mặt cắt ngang. Thứ ba, dựa trên số liệu tại các mặt cắt ngang tính tốn, lập bảng thống kê giá trị tổng lượng trầm tích vận chuyển qua mỗi mặt cắt theo các hướng sóng khác nhau.
3.7.1 Kết quả tính tốn biến động đáy
Hướng sóng 1 (120 đến 150 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=0.86, Tp =5.58, hướng trung bình= -67.98, tần suất=0.23 % và dao động mực nước trên biên ngồi của CMS-flow.
Hình 30. Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 120 đến 150 độ
Hình 31. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 120 đến 150 độ
Hướng sóng 2 (90 đến 120 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=1.32, Tp =6.93, hướng trung bình =-42.42, tần suất= 23.11 % và dao động mực nước trên biên ngồi của CMS-flow.
Hình 32 Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 90 đến 120 độ
Hình 33. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 90 đến 120 độ
Hướng sóng 3(60 đến 90 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=2.43, Tp =8.90, hướng trung bình =-19.11, tần suất=54.59 % và dao động mực nước trên biên ngồi của CMS-flow.
Hình 34. Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 60 đến 90 độ
Hình35. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 60 đến 90 độ
Hướng sóng 4(30 đến 60 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=2.34, Tp =7.53, hướng trung bình =12.17, tần suất=14.88% và dao động mực nước trên biên ngồi của CMS-flow.
Hình 36. Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 30 đến 60 độ
Hình 37. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 30 đến 60 độ
Hướng sóng 5(0 đến 30 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=1.76, Tp =6.99, hướng trung bình =42.67, tần suất=4.14 % và dao động mực nước trên biên ngoài của CMS-flow.
Hình 38. Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 0 đến 30 độ
Hình 39. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 0 đến 30 độ
Hướng sóng 6 (330 đến 0 độ): Các tham số sóng tính tốn: Hmor=1.06, Tp =5.81, hướng trung bình = 72.57, tần suất = 1.58% và dao động mực nước trên biên ngồi của CMS-flow.
Hình 40. Kết quả tính tốn bồi xói sau 30 ngày với sóng tác động có hướng từ 330 đến 0 độ
Hình 41. Địa hình đáy biển khu vực cửa Thuận An sau thời gian tính tốn 30 ngày dưới tác động của sóng có hướng từ 330 đến 0 độ
Như vậy từ các tính trên ta thấy, các hướng sóng có tác động mạnh nhất đến q trình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy là các hướng sóng trong trường hợp 2, 3 và 4 tương ứng với trường sóng có hướng Đơng và Đơng bắc. Các hướng sóng này chiếm tới 92.58 % trong chuỗi sóng. Các tác động của sóng tới q trình vận chuyển trầm tích là đáng kể. Phía trước và sau cơng trình kè trên bờ phía nam cửa Thuận An có sự biến động rất lớn và có xu thế bồi lắng tại vùng lân cận chân cơng trình. Q trình vận chuyển trầm tích cũng làm cho khu vực luồng tàu tại trung tâm cửa có biến động lớn, q trình bồi lắng ở giữa cửa làm cho tuyến luồng giảm độ