b. Công thức Bijker
2.4.2. Mặt cắt bờ biển và sự tiến triển địa mạo ngắn hạn
Dạng mặt cắt bờ biển và những thay đổi trong thời đoạn ngắn chủ yếu bị chi phối bởi vận chuyển bùn cát ngang bờ. Vận chuyển bùn cát ngang bờ và mặt cắt bờ biển có liên quan chặt chẽ với chuyển động của sóng, sự thay đổi trạng thái sóng. Sự thay đổi này phổ biến nhất ở khu vực gần bờ, nơi mà vận chuyển ngang bờ là lớn nhất.
Loại mặt cắt bờ biển
Trong những thập kỷ qua, đã có rất nhiều nghiên cứu về sự tiến triển mặt cắt bờ biển dưới tác động của sóng. Các nghiên cứu này tập trung vào các mặt cắt cân bằng với một số đặc điểm liên quan đến chế độ sóng và tính chất của bùn cát. Loại mặt cắt đã phát triển được quan tâm rất nhiều và sự khác nhau giữa mặt cắt dạng cồn và dạng bậc thang đã được nghiên cứu khá tỉ mỉ.
Mặt cắt dạng cồn được định nghĩa là mặt cắt xói và mặt cắt dạng bậc thang là mặt cắt bồi. Trong các tài liệu, mặt cắt dạng cồn còn được gọi là mặt cắt mùa đông hay mặt cắt do bão, trong khi mặt cắt dạng bậc thang – gọi là mặt cắt mùa hè hay mặt cắt thông thường. Điều đó có nghĩa là, mặt cắt dạng cồn cao có thể tìm thấy trong khi hoặc ngay sau bão do vận chuyển ra khơi sinh ra, trong khi đó, mặt cắt dạng bậc thang được tạo thành trong các thời kỳ sóng trung bình và do vận chuyển vào bờ sinh ra.
Năm 1973, Dean đã phát hiện ra rằng độ dốc của sóng, nguyên nhân gây nên sự khác nhau của mặt cắt dạng cồn và mặt cắt dạng bậc thang thay đổi phụ thuộc vào tỉ lệ vận tốc lắng của bùn cát (w) trên tham số nước sâu Co = Lo/T, như vậy Ho/L0 = C.w/C0. Có thể viết lại công thức đó như sau: H0(wT), trong đó w là tốc độ lắng chìm của hạt kích cỡ trung bình D50. Dean kết luận rằng C = 0.85 và được Allen khẳng định vào năm 1985.
Theo tài liệu hướng dẫn bảo vệ bờ biển (1984) có thể giả định rằng xói lở thường xảy ra với C >1, còn bồi lắng C <1. Trong mối liên hệ này, có thể thấy cuốn tài liệu nói trên đã tách nó khỏi quan điểm cho rằng sự hiện diện của các gờ, hào đặc trưng cho mặt cắt bồi và sự hiện diện của cồn cát đặc trưng cho mặt cắt xói. Trên một bãi biển bồi, có thể không thấy gờ và hào, trong khi các còn cát gần bờ lại không trực tiếp thể hiện đó là bờ xói. Battjes(1974) đã chỉ ra rằng các cồn cát có mối quan hệ phức tạp với quá trình sóng vỡ.
Ngoài những nghiên cứu nhằm tìm ra những tiêu chuẩn để xác định loại mặt cắt bờ biển (cồn /bậc thang, xói/bồi), còn có nhiều nỗ lực nhằm mô tả hình dáng của mặt cắt bờ biển cân bằng. Năm 1954, Bruun dựa trên cơ sở phân tích các mặt cắt dọc bờ biển bắc Đan Mạch và vịnh Mission, California, đã phát hiện ra rằng mặt cắt cân bằng có thể xấp xỉ bởi hàm mũ đơn giản sau:
h =Ay2/3 (2.17)
trong đó:
h = độ sâu cột nước
y = khoảng cách từ đường bờ theo đường vuông góc với bờ
A = nhân tố hình dáng, phụ thuộc vào những đặc trưng về sự ổn định của chất liệu đáy.
Bruun tìm được A = 0.12 là phù hợp nhất đối với bờ biển Bắc và khu vực Thyboron (Đan Mạch). Tuy nhiên, mặc dù đã rất cố gắng, Song hằng số A vẫn còn là một dấu chấm hỏi rất lớn, có lẽ nó phụ thuộc vào một số nhân tố khác, ví dụ như chế độ sóng, sự thay đổi mực nước và các dòng chảy ven bờ. Sự xấp xỉ nói trên ngày nay được biết đến với tên là “quy luật Bruun” nổi tiểng.
Van de Graaff, Vellinga và Steetzel đã tiến hành rất nhiều kiểm nghiệm với quy mô lớn, nhỏ khác nhau và đã thiết lâp được mô hình hộp đen, dựa trên sự so sánh mặt cắt trước và sau bão, tuy nhiên chưa mô phỏng được dòng chảy và quá trình vận chuyển bùn cát thực tế. Một loạt các mặt cắt kích cỡ khác nhau đã được nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm cho phép hình thành công thức giải tích đối với mặt cắt bị thay đổi do bão.
Mặt cắt xói được hình thành do cát bị xói từ đụn cát và kéo dài đến độ sâu 0.75Hos dưới mực nước dâng do bão cao nhất. Phát triển các kết quả này, Vellinga (1984) đã chỉ ra rằng mặt cắt này có thể được mô tả bằng hàm mũ h = 0.08y0.78. Sau khi đưa ra công thức bán thực nghiệm về ảnh hưởng của độ dốc sóng và kích cỡ hạt một biểu thức chung mô tả mặt cắt xói ở khu vực gần bờ đã được thiết lập như sau:
h = 0.70 (H0/L0)0.17 w0.44y0.78 (2.18) Trong đó :
h = độ sâu cột nước tại y
y = khoảng cách từ bờ theo đường vuông góc từ mép nước w = vận tốc lắng của hạt cát trung bình (D50)
H0 = độ cao sóng hữu hiệu tại nơi nước sâu trong khi bão L0 = độ dài bước sóng tại nước sâu,
L0 = 1.56 T2 (2.19)
Từ việc xác định các phương pháp mô tả mặt cắt cân bằng có thể thấy rõ ràng rằng không thể tính toán được ảnh hưởng chi tiết của một cơn bão nào đó (mà chỉ kéo dài vài giờ hoặc nhiều nhất là một ngày) đến mặt cắt ngang bờ ban đầu. Hơn nữa, khó mà có một mặt cắt cân bằng trong một khoảng thời gian ngắn. Rất thú vị khi Bruun (1992) cho rằng “Các giả thiết của Dean và Bruun mang tính hàn lâm hơn là thực tế trong một môi trường ba chiều không đều. Việc họ đưa ra cùng một kết quả có thể là ngẫu nhiên, nhưng các kết quả của Dean và Bruun đều không thể mở rộng được. Mặt cắt bờ biển / đáy biển là một đối tượng dễ bị thay đổi. Hình dạng của nó được mô tả bằng các phương pháp thống kê tốt hơn là bằng phương phát vật lý”. Rõ ràng là việc sử dụng mô hình cân bằng sẽ không cho phép đánh giá ảnh hưởng của nước dâng do bão lên bờ biển có đê chắn hay đê bao.
Để khắc phục các yếu điểm của “cách tiếp cận theo mặt cắt cân bằng”, đã có nhiều nghiên cứu nhằm biểu diễn lưu lượng vận chuyển cục bộ, quyết định sự tiến triển của mặt cắt ngang bờ. Việc trình bày kết quả nghiên cứu sâu hơn có thể tham khảo trong tài liệu của Steetzal (1993).