CHƯƠNG V TƯƠNG TÁC BIỂN – KHÍ QUYỂN
5.4 Phương pháp thực nghiệm Ecman xác định dòng chảy gió
5.4.2 Phương pháp thực nghiệm Ecman xác định dòng chảy gió
Phương pháp này dựa trên cơ sở lý thuyết Ecman, vì vậy còn gọi là phương pháp thực nghiệm Ecman.
1) Các điều kiện về chế độ gió và dòng chảy trong khu vực:
Các số liệu đưa vào để xác định các hệ số quan hệ phải ổn định trong các điều kiện dừng với thời gian xác định nào đó. Cụ thể là để xác định ra hệ số gió K cần phải có đủ số liệu đo đạc về dòng chảy và gió ở khu vực; mặt khác cần phải xác định thời gian bao lâu để tốc độ gió đó truyền tải năng lượng cho biển để duy trì một hệ dòng chảy gió ở đó.
Phương pháp này chỉ là phương pháp gần đúng áp dụng cho vùng ven bờ; còn đối với vùng biển xa bờ, với tốc độ gió yếu sai số tính toán sẽ lớn bởi vì hệ dòng chảy ở đó không phải chỉ do gió chi phối.
Đối với vùng nước nông, nơi thường xảy ra quá trình xáo trộn lớn của triều dâng, triều rút,... thì điều kiện về hướng gió ổn định trong thời gian xác định là quan trọng hơn cả so với các điều kiện khác.
Đối với từng vùng biển với các kiểu đường bờ khác nhau cần phải khai thác các nguồn số liệu đo đạc về dòng chảy và quan trắc về gió để xác định riêng cho khu vực đó hệ số gió K. Trong điều kiện chưa có hệ số gió K cho vùng biển của mình, có thể xác định hệ số gió K theo bảng tra.
2) Hệ số gió K:
Hệ số gió K ở một nơi là đại lượng thể hiện mối quan hệ giữa gió và dòng chảy gió ở nơi đó. Khi đo đạc được dòng chảy tổng cộng, để có thể có được dòng chảy gió ta phải thực hiện các bước tách dòng. Trong điều kiện ở vùng ven bờ, nếu dòng triều có vai trò lớn, ta chỉ việc tách dòng triều ra khỏi dòng chảy tổng cộng, phần dòng chảy còn lại được xem là dòng chảy gió. Nếu dòng chảy sóng hay dòng ven là khá lớn với bậc đại lượng xác định nào đó, ta chỉ cần loại bỏ các dòng này là đủ. Nhiều khi khu vực nghiên cứu có chế độ gió ổn định và đủ mạnh, ta có thể sử dụng ngay giá trị dòng chảy tổng cộng đo đạc được vì khi đó có thể xem như thành phần dòng chảy gió ở đó chiếm ưu thế.
Có thể tính hệ số gió K theo công thức:
K =
gio dc
v v
Trong đó: K là hệ sô gió; vdc là tốc độ dòng chảy và vgió là tốc độ gió.
Như vậy, tốc độ gió càng nhỏ thì hệ số gió càng lớn và ngược lại tốc độ gió càng lớn thì hệ số gió càng nhỏ.
Kết quả tính toán thực nghiệm của một số vùng biển trên thế giới cho thấy đối với vùng biển xa bờ 20 – 30 km, ở độ sâu 30 – 40 m, hệ số gió K thường lấy là 1,0 – 1,2; khi đó tốc độ dòng chảy gió đo bằng cm/s và tốc độ gió đo bằng m/s.
3) Xác định dòng chảy gió:
- Sơ đồ xác định dòng chảy gió như sau:
Trong đó:
Hướng gió Ngió: được tính từ phương Bắc (N) cho tới đường mút cuối của hướng gió (ví dụ: hướng gío NE ở đây là 225o).
Góc gió ψ: được tính từ đường vuông góc với đường bờ tới đường mút cuối của hướng gió.
Góc bờ ψ1: được tính từ phương Bắc (N) cho tới đường vuông góc với đường bờ
- Dòng chảy gió được xác định theo các công thức sau:
vdc = K × vgió
Ndc = Ngió ± α
Trong đó: vdc: tốc độ dòng chảy (cm/s); vgió: tốc độ gió (m/s);
Ndc: hướng dòng chảy (o); Ngió : hướng gió (o);
α : góc lệch của dòng chảy so với hướng gió (o).
Góc lệch của dòng chảy so với hướng gió là hàm số của độ sâu và hướng gió so với đường bờ; ký hiệu là α. Góc lệch này ở nhiều vùng bờ trên thế giới dao động trong khoảng 0o – 53o
Tra bảng (5.2 và 5.3) để xác định hệ số gió K và góc lệch α theo các giá trị gió và độ sâu hay khoảng cách xa bờ xác định.
Bảng (5.2) trình bày các giá trị của hệ số gió K (tử số), góc lệch dòng chảy so với hướng gió α0 (mẫu số) áp dụng cho vùng nước nông ven bờ.
Bảng (5.3) trình bày các giá trị của hệ số gió K (tử số), góc lệch dòng chảy so với hướng gió α0 (mẫu số) áp dụng cho vùng bờ có độ sâu lớn.
Bảng 5.2: Hệ số gió K (tử số), góc lệch dòng chảy so với hướng gió α0 (mẫu số)
áp dụng cho vùng nước nông ven bờ Góc Độ sâu (m)
gió 8 10 15 20 25 30 35 40 0 1.34/6 1.28/9 1.08/14 0.97/18 0.91/20 0.88/23 0.87/24 0.94/19 20 1.73/33 1.66/35 1.44/40 1.30/43 1.23/46 1.19/47 1.18/48 1.26/44 40 2.22/29 2.16/21 1.94/37 1.81/41 1.74/44 1.71/47 1.70/48 1.78/43 60 2.72/22 2.64/24 2.40/30 2.26/34 2.20/38 2.18/40 2.18/42 2.24/36 80 3.08/10 3.02/12 2.78/18 2.66/23 2.60/27 2.56/30 2.55/32 2.64/25 100 2.90/-6 2.84/-2 2.62/5 2.48/11 2.42/16 2.39/20 2.37/22 2.46/13 120 2.48/-
19
2.42/- 15
2.20/-7 2.07/-1 2.01/4 1.98/8 1.97/12 2.04/1 140 2.00/-
30
1.94/- 26
1.69/- 16
1.56/- 10
1.52/-4 1.49/1 1.48/5 1.54/-8 160 1.66/-
39
1.60/- 35
1.38/- 26
1.25/- 18
1.18/- 11
1.14/-5 1.11/0 1.22/- 15 180 1.57/-
24
1.51/20 1.29/- 12
1.16/-6 1.09/0 1.05/5 1.04/8 1.13/-3 200 1.87/39 1.81/42 1.60/47 1.47/52 1.40/55 1.36/58 1.34/60 1.44/53 220 2.74/34 2.63/36 2.29/42 2.07/46 1.93/50 1.83/53 1.75/54 2.01/48 240 3.60/22 3.43/24 2.74/30 2.42/34 2.24/38 2.15/40 2.10/42 2.34/36 260 4.02/10 3.74/12 2.93/18 2.55/23 2.38/27 2.27/30 2.22/32 2.47/25 280 4.02/-1 3.74/2 2.93/6 2.55/10 2.38/14 2.27/16 2.22/17 2.47/12 300 3.39/-8 3.22/-6 2.60/-1 2.31/3 2.15/6 2.06/9 2.02/10 2.23/5 320 2.55/-
29
2.45/- 26
2.13/- 20
1.92/- 16
1.78/- 12
1.68/- 10
-1.61/-8 1.86/- 14
Bảng 5.3: Hệ số gió K (tử số), góc lệch dòng chảy so với hướng gió α0 (mẫu số)
áp dụng cho vùng bờ có độ sâu lớn Khoảng cách xa bờ Km
Góc
gió 3 5 10 15 20 25 30 40
0 0.85/18 0.84/17 0.85/16 0.87/16 0.90/18 0.95/20 0.98/22 1.10/33 20 1.15/39 1.14/36 1.12/30 1.10/29 1.10/28 1.10/28 1.11/29 1.15/33 40 1.59/44 1.54/42 1.43/39 1.33/37 1.26/36 1.21/36 1.19/36 1.18/37 60 1.98/38 1.90/37 1.70/34 1.54/33 1.43/32 1.34/32 1.30/33 1.20/36 80 2.26/29 2.11/28 1.89/26 1.68/25 1.52/26 1.41/27 1.35/28 1.22/34 100 2.12/21 2.02/20 1.80/18 1.62/18 1.48/20 1.38/22 1.33/24 1.21/33 120 1.76/11 1.68/10 1.47/10 1.32/10 1.22/12 1.16/16 1.14/19 1.14/31 140 1.34/5 1.28/5 1.14/5 1.04/6 0.99/9 0.98/14 0.99/16 1.09/30 160 1.02/2 0.98/2 0.90/3 0.84/4 0.84/6 0.85/12 0.88/15 1.06/29 180 0.94/8 0.90/8 0.82/8 0.76/9 0.76/11 0.80/15 0.84/18 1.03/31 200 1.20/53 1.15/50 1.03/14 0.94/42 0.90/38 0.91/37 0.94/37 1.06/37 220 1.56/44 1.49/42 1.32/36 1.20/34 1.14/32 1.09/31 1.08/32 1.12/35 240 1.98/34 1.90/32 1.70/27 1.54/26 1.43/25 1.34/26 1.30/27 1.20/35 260 2.02/34 1.94/22 1.73/19 1.59/19 1.48/20 1.38/21 1.34/23 1.22/33 280 2.02/13 1.94/12 1.73/11 1.59/12 1.48/14 1.38/17 1.34/20 1.22/31 300 1.82/4 1.74/4 1.54/4 1.30/5 1.26/8 1.20/13 1.16/17 1.14/30 1.44/2 1.37/2 1.21/6 1.10/8 1.04/12 1.02/17 1.02/20 1.09/32 340 0.98/5 0.94/6 0.85/9 0.79/11 0.79/16 0.82/19 0.86/22 1.03/33
4) Ví dụ tính toán xác định dòng chảy gió
Thực hiện tính toán cho hai kiểu đường bờ như sơ đồ dưới đây đối với gió Đông Bắc có vận tốc 11 m/s:
3) a) Vẽ sơ đồ mô tả đường bờ, hướng gió, góc bờ, góc gió, cho rằng đường bờ có góc so với phương bắc (N) là 5o, gió Đông bắc (NE); hãy xác định hướng gió, góc gió;
góc bờ ?
b) Xác định hướng, tốc độ dòng chảy gió trong các điều kiện sau: Gió Đông bắc (NE) có tốc độ 11 m/s, góc gió cho trước là 200o tại các điểm sau:
+ Tại điểm tính 1 thuộc vùng nước nông có độ sâu 15 m;
+ Tại điểm tính 2 thuộc vùng nước xa bờ 15 km;
30o
45 o
ϕ
ϕ1
n
w e
s
ne
giã
bê
đ−ờng vuông góc bờ
các định nghĩa và sơ đồ đường bờ và gió
Ψ1 = 185o + 90o = 275o Ψ1 = 35o + 90o = 125o
Bảng 5.4: Mẫu tính toán dòng chảy gió tương ứng với gió NE, tốc độ 11 m /s Dòng chảy
Điểm tính
Độ sâu (m)
Khoảng cách xa bờ (km)
Hướng gió (độ)
Góc
bờ Ψ10 Góc
gió Ψ0 α0 K Hướng (độ)
Tốc độ (cm /s)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 8 225 275 310 -8 3.39 215 36
2 13 225 275 310 -1 2.60 225 29
3 5 225 300 285 12 1.94 235 21
4 11 225 300 285 11 1.73 235 19
CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG V
1) Nêu định nghĩa hệ thống biển – Khí quyển. Mô tả vắn tắt quy mô chuyển động khí trong khí quyển và bề mặt đại dương.
2) Khái niệm về lớp biên ? Các đặc trưng động lực của lớp biên ?
3) Phương pháp đánh giá, tính toán đơn giản về dòng chảy gió trong lớp biên ? 4) Vẽ sơ đồ, nêu các khá niệm về hướng gió thổi, đường bờ, đường vuông góc với bờ, góc bờ, góc gió trong sơ đò tính toán dòng chảy gió theo phương pháp thực nghiệm Ecman..
5) Bài tập về tính toán dòng chảy gió theo phương pháp thực nghiệm Ecman..