ĐIỀU KIỆN THUỶ - THẠCH ĐỘNG LỰC VÙNG BIỂN VEN BỜ VÀ CÁC HOẠT ĐỘNG NHÂN TẠO Ở VÙNG VEN BIỂN
1- Kết quả xử lí số liệu
a/ Chế độ dòng chảy tổng hợp
Thời gian có gió GMĐB trên vùng biển bắc Quảng Ngãi (điểm quan trắc có độ sâu 50 m) tại cả tầng sâu 10m và tầng sát đáy (48m) hướng dòng chảy tổng hợp có xu thế chảy dọc bờ về phía Nam, hoặc Đông Nam.
Tại tầng đo có độ sâu 10m tốc độ lớn nhất đạt từ 76 - 80cm/s (bảng 5.1); tại tầng đo có độ sâu 48m, tốc độ dòng chảy lớn nhất từ 17- 27cm/s (bảng 5.2). Tại điểm đo này, hướng chảy ưu thế của dòng chảy tổng hợp là hướng Đông Nam với tốc độ trung bình xấp xỉ 46 cm/s, chiếm xấp xỉ 69%, tiếp đến là hướng Nam với tốc độ trung bình xấp xỉ 57 cm/s, chiếm 31%.
Bảng 5.1: Tần suất theo hướng và tốc độ dòng chảy tại bắc Quảng Ngãi Tổng số 491 số liệu. Tầng đo: 10 m
Khoảng tốc độ
Hướng dòng chảy Lặng
(%)
Tần suất
Tổng số
Suất bảo
N NE E SE S SW W NW
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13)
< 5 100
5- 9 100
10- 19 0.2 4.1 4.3 21 100
20- 29 5.5 5.5 27 95.7
30- 39 8.8 1.8 10.6 52 90.2
40- 49 21.8 3.5 25.3 124 79.6
50- 74 27.7 23.0 50.7 249 54.4
75- 84 1.0 2.6 3.7 18 3.7
Tổng, % 0.2 68.8 31.0 100 491
Vtb, cm/s 17.0 45.9 56.9 Vmax,cm/s 17.0 76.0 80.0
Tại tầng đáy, dòng chảy theo hướng dọc bờ không còn chiếm ưu thế nữa mà nhường chỗ cho xu thế vuông góc với bờ, với tốc độ trung bình trong khoảng từ 11- 15 cm/s, và tốc độ chảy lớn nhất tới 27 cm/s (bảng 5.2).
Như vậy, có một qui luật chung về hướng dòng chảy tổng hợp cả ngoài khơi và ven bờ gần tương tự như nhau, chỉ chênh nhau về trị số tốc độ.
Tóm lại, với các kết quả khảo sát ghi nhận được chứng tỏ trong mùa đông (thời kỳ thống trị của GMĐB) vai trò của hoàn lưu gió tầng mặt có tác động mạnh tới ven biển Quảng Ngãi. Với dòng triều, thường ở độ sâu lớn vai trò của dòng triều mới thể hiện tính ưu thế của mình. Dòng sóng có tác động mạnh mẽ trong đới sóng đổ nằm sát bờ. Dòng trôi do gió luôn có mặt trong các mùa khác nhau nhưng biến động mạnh bởi cường độ gió trên mặt biển và địa hình đáy ven bờ. Do đó tác động của dòng chảy tổng hợp rất khác nhau trên mỗi đoạn bờ cụ thể.
Bảng 5.2: Tần suất theo hướng và tốc độ dòng chảy tại tầng đáy Tổng số số liệu: 491. Độ sâu điểm đo: 50 m, Tầng đo: 48 m
Khoảng tốc độ
Hướng dòng chảy Lặng
(%)
Tần suất
Tổng số liệu
Suất bảo
N NE E SE S SW W NW
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13)
< 5 13.6 13.6 67 100
5- 9 1.4 1.2 2.2 1.0 1.0 4.5 6.7 3.3 21.4 105 86.4
10- 19 4.7 6.1 8.1 3.5 5.7 11.0 14.7 9.2 62.9 309 65.0
20- 29 0.4 1.2 0.2 0.2 2.0 10 2.0
30- 39
Tổng (%) 6.1 7.7 11.6 4.5 6.9 15.5 21.6 12.4 13.6 100 491 Vtb
(cm/s)
11.9 13.3 13.8 12.1 14.5 11.8 12.0 11.3 Vmax
(cm/s)
19.0 20.0 27.0 16.0 22.0 19.0 20.0 17.0
5.4- Vận động của dòng bùn cát ven biển
5.4.1 - Vật liệu bề mặt và phân bố trầm tích đáy ven biển Quảng Ngãi
Cấu trúc địa hình đáy biển ven bờ ở Quảng Ngãi tương đối đa dạng bởi sự hiện diện của các khối sót địa chất ở vùng bờ. Đới ven biển nằm trong vùng sóng biến dạng (do khúc xạ) đến vùng sóng vỗ bờ nằm trong khoảng từ đường bờ tới độ sâu 20- 25m có vật liệu bề mặt chủ yếu gồm các loại cát và vật liệu hạt
mịn (bột, sét). Đây là vùng có vật liệu đáy di cư mạnh nhất do tác động của sóng và dòng chảy ven bờ. Vì vậy, trên các mô hình tính toán dòng chảy cũng như khảo sát thực địa, chúng tôi đã chú trọng nghiên cứu chi tiết các cấu trúc thuỷ- thạch động lực trong đới sóng biến dạng và đổ vỡ ven bờ.
Qua 04 đợt khảo sát trong các năm 2000- 2002, chúng tôi đã tiến hành thu thập mẫu trầm tích mặt đáy biển trên các điểm khảo sát khác nhau từ mép nước tới độ sâu 20- 25m ở các khu vực cửa Đại, cửa Lở, cửa Mỹ á và ven biển Sa Huỳnh. Kết quả phân tích mẫu cho thấy:
- Ven biển cửa Đại- cửa Lở (sông Trà Khúc- sông Vệ): trầm tích bề mặt trong đới sóng vỡ chủ yếu là cát nhỏ (Md=0,1÷0,25mm), ra xa dần là cát – bột (Md=0,20÷0,05mm), bột (Md=0,10÷0,01mm) và bột- sét (Md=0,0÷0,005mm).
Một số khu vực ven bờ có trầm tích cát thô hoặc cát sạn. Trong đới sóng vỡ, bùn cát đáy có độ chọn lọc khá tốt (So=1,40÷2,00). Song nhìn chung độ chọn lọc không đồng đều, càng ra xa bờ độ chọn lọc càng kém dần ( So=2,20÷2,80), chứng tỏ vai trò của dòng chảy ngoài đới sóng vỡ không cao.
- Ven biển cửa Mỹ Á (sông Trà Câu): từ bờ ra tới độ sâu 20- 25m trên mặt đáy chủ yếu là vật liệu cát nhỏ và cát trung cỡ hạt trung bình Md= 0,11÷0,32mm với độ chọn lọc khá tốt, hệ số chọn lọc So dao động từ 1,06 ÷ 1,40; điều đó chứng tỏ hoạt động của sóng và dòng chảy trên mặt đáy khá mạnh.
- Ven biển Sa Huỳnh: tại khu vực khách sạn Du lịch các mẫu bề mặt đáy biển nông có thành phần chủ yếu từ cát hạt nhỏ tới cỡ trung bình (Md=0.12÷0.62).
Các mẫu chất đáy đều có độ chọn lọc tương đối tốt (hệ số chọn lọc So=1.20÷2.47); một số khu vực ven bờ, trong đới sóng vỡ còn có cát thô. Tại ven biển thôn Long Thạnh phân bố chủ yếu là cát trung, cát thô và một số ít cát hạt nhỏ có độ chọn lọc từ tốt đến rất tốt (So=1,10÷1,45) chứng tỏ điều kiện động lực khá mạnh trong vùng nước có độ sâu nhỏ hơn 20m; thành phần động lực chính bao gồm tác động của sóng và các loại dòng chảy khác nhau, như đã đề cập.
5.4.2 - Vai trò sóng và dòng chảy trong quá trình xói lở- bồi tụ ven bờ
Trong đới sóng vỡ, ngoài thành phần dòng triều biến đổi theo chu kỳ và có tốc độ không mạnh, thì ngược lại dòng sóng luôn vai trò chủ đạo trong quá trình biến động địa hình ven bờ. Do cấu tạo địa hình các đoạn bờ khác nhau, dòng sóng vỡ sinh ra cũng không như nhau. Tại ven biển thôn Long Thạnh (Sa Huỳnh), bờ biển có cấu tạo các dạng bậc thềm, vùng dòng sóng mạnh nhất xẩy ra trên các sườn bờ có độ dốc lớn.
Theo tính toán, tại các sườn bờ dốc tốc độ dòng sóng tối đa đều đạt và vượt 1.0 - 2.5m/s, trong khi tốc độ giới hạn không xói với các loại cát (vật liệu bở rời) đều phải nhỏ hơn 0.8m/s (bảng 5.4). Điều này lý giải hiện tượng tại các sườn bờ dốc, địa hình ven biển biến đổi nhanh chóng chỉ sau các đợt triều cường có gió mạnh và sóng lớn. Hiện tượng thường thấy ở đây là vật liệu cát bở rời từ các
sườn bờ dốc được sóng và dòng chảy đưa ra ngoài tham gia hình thành các cồn cát ngầm ngay trong đới sóng đổ vỡ. Xuất hiện hiện tượng bùn cát di cư cục bộ dọc bờ do sóng ở một số đoạn, nhưng tốc độ không cao.
Bảng 5.4 : Tốc độ giới hạn cho phép không xói của vật liệu đáy bở rời [50]
Loại vật liệu
đáy Kích cỡ
(d,mm) Tốc độ ứng với độ sâu (V, m/s)
H = 0.4m H = 1.0m h = 2.0m H ≥ 3.0m
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
Bụi và bùn 0.005- 0.05 0.12- 0.17 0.15- 0.21 0.17- 0.24 0.19- 0.26 Cát nhỏ
Cá`t trung Cát lớn
0.05- 0.25 0.25- 1.0
1.0- 1.5
0.17- 0.27 0.27- 0.47 0.47- 0.53
0.21- 0.32 0.32- 0.57 0.57- 0.65
0.24- 0.37 0.37- 0.65 0.65- 0.75
0.26- 0.40 0.40- 0.70 0.70- 0.80 Sỏi nhỏ
Sỏi trung Sỏi lớn
2.5- 5.0 5 - 10 10 - 15
0.53- 0.65 0.65- 0.80 0.80- 0.95
0.65- 0.80 0.80- 1.0
1.0 - 1.2
0.75- 0.90 0.90- 1.1
1.1 - 1.3
0.80- 0.95 0.95- 1.2
1.2 - 1.4
Hiện tượng xói lở bờ hiện nay có thể là một giai đoạn phát triển đường bờ mới với kiểu hình thành các vách xâm thực trên bờ cao có độ dốc khá lớn và chỉ chấm dứt sau khi quá trình san phẳng đạt được độ dốc mới tương thích giữa nămg lượng sóng tác động và khả năng kháng xói của mỗi đoạn bờ. Cũng cần nhấn mạnh các hiện tượng xói lở xẩy ra mạnh mẽ trong điều kiện nước triều cường kèm theo nước dâng do gió thổi mạnh và xuất hiện sóng lớn đổ vỡ trực diện ở đới bờ. Thời gian xuất hiện tai biến này xẩy ra chủ yếu trong các tháng cuối năm, là thời kỳ hoạt động mạnh mẽ của gió GMĐB, gây ra sóng lớn và trong nhiều trường hợp còn chịu ảnh hưởng của các nhiễu động thời tiết đặc biệt như dông, bão và ATNĐ.
Như trên đã đề cập, do thiếu các chuỗi số liệu quan trắc sóng trực tiếp tại ven biển Quảng Ngãi, hơn nữa việc đo đạc tốc độ dòng sóng rất khó thực hiện bằng các thiết bị thông thường do chúng biến động nhanh trong một chu kỳ sóng, kéo dài từ vài giây đến vài chục giây (s). Chúng tôi đã chọn giải pháp tính toán sóng, dòng chảy sóng và vận chuyển bùn cát ven bờ (VCBC) gián tiếp từ số liệu quan trắc gió bằng các phương pháp khác nhau. Dưới đây là những mô hình tính toán được sử dụng trong nghiên cứu này.
V.5- Cơ sở lý thuyết các phương pháp tính sóng, dòng chảy sóng và vận chuyển bùn cát ven bờ
5.5.1- Tính sóng vùng biển sâu
Sử dụng phương pháp tính sóng SMB [58,60] là phương pháp tính sóng dựa trên cơ sở thống kê quan hệ giữa các yếu tố tạo ra sóng như tốc độ gió (U), đà sóng (F), thời gian gió thổi (t), độ sâu khu vực tính (h) vv.. với các yếu tố sóng chính gồm có độ cao (H), chu kỳ sóng (T), độ dài bước sóng (λ) vv... Phương pháp SMB cũng được sử dụng tính sóng cho vùng ven bờ khi độ dốc nhỏ hơn 0.001 vì trong trường hợp này không thể sử dụng phương pháp tính lan truyền sóng.
Độ cao hữu hiệu và chu kỳ sóng được xác định theo công thức
= 3/4
2 2 / 1 4 2
/ 3 2 2
530 . 0 tanh
00565 . 0 tanh 530
. 0 tanh 283 . 0
A A A
A
U gd U gF U
gd U
gH (V.1)
= 3/8
2 3 / 1 8 2
/ 3
2
833 . 0 tanh
0379 . 0 tanh 833
. 0 tanh 54 . 7
A A A
A
U gd U gF U
gd U
gT (V.2)
3 / 2 2
101
88 .
6
=
A
A U
x gF U x
gt (V.3)
Với: H - độ cao sóng hữu hiệu [m], g - gia tốc trọng trường,
Ua - tốc độ kéo của gió trên mặt nước [m/s], d - độ sâu của điểm tính sóng ,
F - đà sóng [m], T - chu kỳ sóng [s].
t - thời gian gió thổi [s].
Tốc độ kéo của gió trên mặt nứơc được tính theo :
Ua =0.71U1.23 (V.4)
Với: U - tốc độ gió đo tại độ cao 10m trên mặt biển [m/s]
Tại các trạm đo gió có độ cao khác với 10m sẽ sử dụng phân bố gió tầng sát mặt biển theo quy luật logarit để chuyển về tầng cao 10 mét, theo công thức chuyển đổi như sau:
7 /
)1
/ 10 )(
( ) 10
( U Z Z
U = (V.5)
Đà sóng được tính theo phương pháp 7 tia với bước hướng là 22.5 độ (o).
5.5.2 - Phương pháp tính dòng chảy sóng dọc bờ
Để xác định dòng chảy do sóng đã sử dụng mô hình dòng chảy dọc bờ của Longuet- Higgins [54] được trình bày dưới đây:
+ Lực tạo ra dòng chảy dọc bờ là gradient vuông góc với bờ của bức xạ sóng dọc bờ Sxy. Lấy vi phân của bức xạ sóng dọc bờ theo hướng vuông góc với bờ ta có:
- Phía ngoài vùng sóng đổ:
=0 x d dSxy
(V.6) - Phía trong vùng sóng đổ:
C m x gh
d dSxy
0 2 0 / 3
2 sin
) 16 (
5 ργ α
= (V.7)
Với: C0 Tốc độ pha của sóng tại vùng nước sâu, g Gia tốc trọng trường,
m Độ dốc của đáy biển = dh/dx, γ Hệ số sóng đổ,
ρ Mật độ nước
α0 Góc truyền sóng so với đường bờ tại vùng nước sâu.
+ Lực ma sát đáy: là lực ma sát tổng cộng do sóng và dòng chảy :
+
=
13 . 1 2
2 0.75 0.45
V V U
C
g b
cxw ρ ξ
τ (V.8)
Với: C Hệ số Chezy,
Ub Tốcđộ quỹ đạo do sóng tại đáy,
V Tốc độ trung bình của dòng chảy theo độ sâu,
ξ Tham số phụ thuộc vào hệ số Chezy và thành phần ma sát đáy do sóng.
+ Lực trao đổi rối ngang:
x d dTL
( ) ( )
= dx
x dv x d m d g x N d
dTl ρ 1/2 3/2 5/2 (V.9)
Với: TL =hτl ; τl Trao đổi rối ngang do sóng,
N Hệ số không thứ nguyên biểu thị ảnh hưởng của trao đổi rối ngang do sóng (N<0.016- theo Longguet- Higgins 1970)
Phương trình cân bằng giữa 3 thành phần lực nêu trên là :
=0 +
− dx
dT x
d
dS L
cxw
xy τ (V10)
Giải phương trình (V10) với các thành phần sức căng bức xạ của sóng, mà sát đáy và lực trao đổi rối ngang theo (V6), (V7), (V8), (V9) nhận được các biểu thức phân bố dòng chảy dọc bờ theo mặt cắt vuông góc với đường bờ:
a. Trường hợp bỏ qua trao đổi rối ngang:
+ Trong vùng sóng đổ :
f hm C C
V g
w
α γ π
0
sin 0
2 8
1= 5 (V11)
Với: fω Là hệ số không thứ nguyên phụ thuốc vào độ ghồ ghề đáy và biên độ dao động của sóng tại đáy.
+ Ngoài vùng sóng đổ:
0 1=
V (V12)
b. Dòng chảy dọc bờ tại dải sóng đổ:
Bỏ qua trao đổi rối ngang, dòng chảy dọc bờ tại dải sóng đổ Vbr được xác định khi cho h=hbr.
m f h C C
V g br
w
br π α γ
0
sin 0
2 8
=5 (V13)
c. Trường hợp tính đến trao đổi rối ngang:
+ Dòng chảy dọc bờ không thứ nguyên: Longuet- Higgins đưa ra các thành phần không thứ nguyên X và V như sau :
xbr
X = x
vbr
V= v (V14)
Hệ số không thứ nguyên P đại diện cho ảnh hưởng của trao đổi rối ngang của dao động quỹ đạo sóng đến ma sát đáy:
γ π Cf
m
P=N (V15)
Với: Cf Là hệ số cản lớp biên đáy do sóng và dòng chảy dọc bờ.
Longuet- Higgins đã giải (V10) với các hệ số không thứ nguyên X,V và P đã nhận được kết quả như sau :
+ Trường hợp tổng quát, P ≠ 0.4
1 1
X p
B AX
V = + 0<X<1 (Trong vùng sóng đổ) (V16)
2 2
Xp
B
V = X>1 (Ngoài vùng sóng đổ) (V17)
−
=
P A
2 1 5
1
(V18)
P P1
16 9 4 3
1 =− + + (V19)
P P1
16 9 4 3
2 =− − + (V20)
P A P B P
2 1
2 1
1
−
= − (V21)
P A P B P
2 1 2 1
1
−
= − (V22)
+ Trường hợp riêng, P = 0.4
X X X
V ln
7 5 49 10 −
= 0<X<1 (Trong vùng sóng đổ) (V23)
X X X
V ln
7 5 49 10 −
= X>1 (Ngoài vùng sóng đổ) (V24)
5.5.3 - Phương pháp tính dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ (VCBC)
Dòng VCBC dọc bờ theo phương pháp Bijker [58] bao gồm dòng VCBC đáy và dòng VCBc lơ lửng.
S = Sb + Ss (V25)
+ Dòng VCBC đáy dưới tác dụng của sóng và dòng chảy:
Dòng VCBC đáy được tính theo:
] } ) 2 ( 1 1 {
27 . exp[ 0
2 2
2 2 50
/ 1 50
V V U
C g D
CD BV S
b
b à + ξ
Λ
= − (V26)
Với:
B Hằng số (=1 – 5),
D50 Đường kính trung bình của bùn cát đáy, V Tốc độ dòng chảy dọc bờ,
C Hệ số Chezy (
r C 12h
log
=18 ),
r Tham số ghồ ghề đáy biển,
∆ Mật độ tương đối (∆ =
w w s
ρ ρ
ρ − )
à Tham số súng cỏt đỏy (à = ' 3/2
C
C )
C: Hệ số Chezy khác (
90
' 12
log
18 D
C = h), D50 Đường kính 90% của bùn cát đáy,
và các tham số khác đã được nêu trong phần tính dòng chảy dọc bờ.
Trong công thức tính dòng VCBC đáy theo Bijker (V26) dòng VCBC đáy gồm có hai thành phần. Thành phần đầu D50g1/2
C
BV được gọi là tham số VCBC (transport factor) tính đến dòng VCBC do tác dụng của dòng ven với vận tốc V và thành phần trong hàm mũ gọi là tham số kéo (stirring factor) gây ra do tác động của vận tốc quỹ đạo của sóng Ub. Vận tốc quỹ đạo này tăng sẽ làm tăng dòng VCBC. Trên thực tế và lý thuyết, vận tốc quỹ đạo sóng tại đáy ở vùng ven bờ đặc biệt là tại dải sóng đổ thường lớn hơn rất nhiều so với tốc độ dòng chảy.
Điều này nói lên vai trò quan trọng của động lực sóng đối với các quá trình bồi xói vùng bờ.
Tốc độ dòng chảy V trong công thức (V26) bao gồm các thành phần dòng chảy sau:
+ Dòng chảy ổn định ở vùng ven bờ do gió, dòng chảy sông đổ ra, dòng mật độ ...
+ Dòng chảy tuần hoàn vùng ven bờ cửa sông – dòng triều, + Dòng chảy do sóng gây ra khi truyền không thẳng góc với bờ.
Dòng VCBC đáy theo (V26) được xác định là dòng VCBC tại tầng sát đáy có độ dày tương đương với tham số ghồ ghề đáy (r). Trong giới hạn của tầng sát đáy nêu trên hàm lượng bùn cát đáy Cb được tính theo:
∫
= r b
b
dz z V C S
0
' ')
( (V27)
Hay:
r C S
c b b
ρ 34 τ . 6
= (V28)
+ Dòng VCBC lơ lửng dưới tác dụng của sóng và dòng chảy:
Dòng VCBC lơ lửng được tính theo công thức:
∫
= h
r
s C z V z dz
S ( ') ( ') ' (V29)
Với: C(z’) Hàm lượng bùn cát tại tầng z’, V(z’) Tốc độ dòng chảy tại tầng z’.
C(z’) được xác định theo:
+
−
= −
2 2 '
' '
1 2 exp
) (
V U w
z z h r h C r z C
b c
b χ τ ξ
ρ (V30)
Với: Cb Hàm lượng bùn cát đáy, w tốc độ lắng chìm,
χ Hệ số Von Karman (=0.4).
Thay các gía trị Cb theo công thức (V28) vào (V30) và sau đó thay giá trị C(z’) theo (V30) vào công thức tính dòng VCBC lơ lửng (V29) đồng thời chấp nhận phân bố dòng chảy theo độ sâu tuân theo quy luật logarit, Bijker nhận được sự phụ thuộc trực tiếp của dòng VCBC lơ lửng qua dòng VCBC đáy dưới dạng:
S Q S
b
s =1.83 (V31)
Với Q là một hàm của hai tham số Q=f(A’,Z*):
+ Tham số A’ là tỷ số giữa độ ghồ ghề đáy và độ sâu:
h
A' = r (V32)
+ Tham số Z* phụ thuộc vào các đặc trưng bùn cát và động lực sóng, dòng chảy:
+
= 2
*
2 1 1
V U Z W
c ξ b
τ χ
ρ
(V33)
Bijker đã lập bảng tính Q theo các tham số A’ và Z* để sử dụng cho tính toán dòng VCBC lơ lửng thông qua dòng VCBC đáy.
V.6 - Kết quả tính toán và phân tích chế độ vận chuyển bùn cát (VCBC)