Tải bản đầy đủ

NGHIÊN cứu ĐỘNG lực học của SÓNG SAU đới SÓNG đổ tại bãi BIỂN NHA TRANG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trần Văn Mỹ

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ
TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trần Văn Mỹ

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ

TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG

Chuyên ngành: Hải dương học
Mã số: 60440228
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Nguyễn Kim Cương

Hà Nội - 2015

TS. Jean-Pierre Lefebvre


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Kim Cương và TS.
Jean-Pierre Lefebvre đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian em thực hiện luận
văn. Các thầy đã chỉ dạy cho em những kiến thức quý báu và giúp đỡ em về số liệu
và công cụ tính toán.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS. TS. Đinh Văn Ưu và PGS. TS.
Nguyễn Trung Việt chủ nhiệm đề tài: “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận
chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển Vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” –
Chương trình KH&CN nghị định thư cấp Nhà nước đã cung cấp cho em những số
liệu và những kiến thức bổ ích.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Khoa học và công
nghệ biển nói riêng và trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học nói chung,
ban giám đốc và các cán bộ Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường đã tạo
điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn.
Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc không tránh khỏi những thiếu sót, em
rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để em có thể bổ sung và
hoàn thiện hơn cho các nghiên cứu tiếp theo.
Em xin chân thành cảm ơn!

i


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i

MỤC LỤC .................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................v
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN ..2
1.1.

Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone) ................................................2

1.1.1.

Giới thiệu chung ..................................................................................2

1.1.2.

Các khu vực gần bờ .............................................................................4

1.1.3.

Sóng và sóng gây ra sóng tràn ............................................................5

1.1.4.

Chu kỳ sóng tràn..................................................................................7

1.1.5.

Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn ...................................10

1.2.

Tình hình nghiên cứu ...............................................................................11

1.3.

Mục tiêu luận văn .....................................................................................13

Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN
...................................................................................................................................14
2.1.

Phương pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sát .....................................14

2.1.1.

Khảo sát thực địa...............................................................................14

2.1.2.

Phương pháp xử lý số liệu Vectrino ..................................................15

2.1.3.

Phương pháp đồng bộ số liệu Vectrino và số liệu Video ..................18

2.2.

Mô hình Dam-Break ................................................................................22

2.2.1.

Lý do chọn mô hình Dam-break ........................................................22

2.2.2.

Giới thiệu mô hình Dam-break .........................................................22

2.2.3.

Mô hình dòng chảy nước nông ..........................................................24

2.3.

Tổng quan khu vực vịnh Nha Trang ........................................................29

ii


2.3.1.

Vị trí địa lí .........................................................................................29

2.3.2.

Đặc điểm gió .....................................................................................29

2.3.3.

Đặc điểm dòng chảy ..........................................................................30

2.3.4.

Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước .....................................31

2.3.5.

Đặc điểm chế độ sóng .......................................................................31

Chương 3 – KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG ....................34
3.1.

Kết quả phân tích trường dòng chảy trong vùng sóng vỡ và sóng tràn ...34

3.2.

Phân bố năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn .......................39

3.3.

Mối quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi và chiều cao bore sóng tràn ..49

3.4.

Mô phỏng vận tốc bore nước bằng mô hình số Dam-break .....................50

KẾT LUẬN ...............................................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................57

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Khoảng tần số trong vùng sóng tràn [Short, 1999] ...................................7
Bảng 2. 1. Bảng tần suất hướng sóng khu vực nghiên cứu......................................32
Bảng 2. 2. Bảng tần suất độ cao sóng khu vực nghiên cứu.......................................33
Bảng 3. 1. Các trường hợp mô phỏng bore nước bằng mô hình Dam-break………51

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. 1. Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào bờ. ............................. 2
Hình 1. 2. Đặc điểm chính của một bãi biển (bên trái) và của phần đất bồi ở
biển (bên phải) (Masselink & Hughes 2003). ................................................... 3
Hình 1. 3. Phân loại các khu vực sóng gần bờ. ................................................. 4
Hình 1. 4. Đại diện của dao động sóng tần số cao. ........................................... 6
Hình 1. 5. Đại diện của một sóng dài cưỡng bức bởi hai thành phần sóng của
nhóm sóng ngắn. ............................................................................................... 6
Hình 1. 6. Sơ đồ mô phỏng chu kỳ sóng tràn trên bãi biển bằng mô hình Xbeach
........................................................................................................................... 8
Hình 1. 7. Đo đạc thực địa của vận tốc dòng chảy ngang bờ (đường nét liền) và
độ sâu của nước (đường nét đứt) cho một chu kỳ sóng tràn, đo ở vị trí nửa giữa
giới hạn đi lên và đi xuống của nước [Hughes cùng cộng sự, 1997]................ 9
Hình 1. 8. Hình thái bãi biển. .......................................................................... 11
Hình 2. 1. Triển khai đo Vectrino II (Nortek) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và sơ
đồ nguyên tắc đo……………………………………………………………...........14
Hình 2. 2. Biểu đồ tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam cao và thấp trong quá trình đo. .16
Hình 2. 3. Lựa chọn một đoạn dữ liệu (đoạn màu đỏ) trong chuỗi dữ liệu. .............16
Hình 2. 4. Độ lớn vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) trung bình
trên 1 micro-profile (đồ thị trên cùng), biểu diễn dao động của vận tốc (đồ thị giữa),
khoảng cách sensor – đáy (đồ thị phía dưới). ...........................................................17
Hình 2. 5. Năng lượng rối TKE ước tính trong micro-profile. .................................18
Hình 2. 6. Đo đồng bộ máy Vectrino và máy quay Video. .......................................19
Hình 2. 7. SNR (màu đen), dữ liệu được lựa chọn trước (màu xanh) và cực tiểu của
SNR (màu đỏ). ..........................................................................................................19
Hình 2. 8. Lựa chọn một đoạn dữ liệu tốt (màu đỏ) trong một chuỗi dữ liệu. ..........20
Hình 2. 9. Đồ thị 1: Vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) của dòng
chảy; đồ thị 2: Thành phần ngang của dòng chảy (hướng lên trên bờ); đồ thị 3: độ sâu

v


đo được từ các cảm biến (đường màu đỏ tương ứng với vị trí của các cell đo được);
đồ thị 4: Năng lượng rối trung bình các cell đo được. ..............................................21
Hình 2. 10. Năng lượng rối (TKE) trong 3,5cm micro-profile. ................................22
Hình 2. 11. Sơ đồ vecto thông lượng qua các bề mặt. ..............................................25
Hình 2. 12. Ngoại suy tuyến tính bên trái và bên phải. .............................................27
Hình 2. 13. Lưới Cartesian. .......................................................................................28
Hình 2. 14. Lưới Non-Cartesian................................................................................29
Hình 2. 15. Hoa gió tại trạm quan trắc khí tượng Nha Trang. ..................................30
Hình 2. 16. Hoa sóng khu vực ngoài khơi vùng biển Khánh Hòa. ...........................32
Hình 3. 1. Hình ảnh trường dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày
29/5/2013…………………………………………………………………………..34
Hình 3. 2. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày 29/5/2013 ..35
Hình 3. 3. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày 29/5/2013 ..36
Hình 3. 4. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày 29/5/2013 ..36
Hình 3. 5. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày 30/5/2013 ..37
Hình 3. 6. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày 30/5/2013 ..38
Hình 3. 7. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày 30/5/2013 ..38
Hình 3. 8. Hai dòng chảy với vận tốc trung bình theo thời gian khác nhau ( u i ) nhưng
có thành phần rối tương đương (ui') ..........................................................................40
Hình 3. 9. Phổ năng lượng rối Kolmogorov-Obukhov .............................................40
Hình 3. 10. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 08h48 ngày 29/5/2013 .........................................................................................41
Hình 3. 11. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày
29/5/2013 ...................................................................................................................42
Hình 3. 12. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 08h49 ngày 29/5/2013 .........................................................................................42
Hình 3. 13. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày
29/5/2013 ...................................................................................................................43

vi


Hình 3. 14. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 16h35 ngày 29/5/2013 .........................................................................................43
Hình 3. 15. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày
29/5/2013 ...................................................................................................................44
Hình 3. 16. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 16h54 ngày 29/5/2013 .........................................................................................45
Hình 3. 17. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày
29/5/2013 ...................................................................................................................45
Hình 3. 18. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 08h54 ngày 30/5/2013 .........................................................................................46
Hình 3. 19. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày
30/5/2013 ...................................................................................................................46
Hình 3. 20. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 09h04 ngày 30/5/2013 .........................................................................................47
Hình 3. 21. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày
30/5/2013 ...................................................................................................................47
Hình 3. 22. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 09h40 ngày 30/5/2013 .........................................................................................48
Hình 3. 23. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày
30/5/2013 ...................................................................................................................49
Hình 3. 24. Đường quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi với chiều cao bore sóng tràn
...................................................................................................................................50
Hình 3. 25. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy xuất
từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 1.....52
Hình 3. 26. So sánh năng lượng rối trung bình tke đo đạc (đường nét đứt) với vận tốc
dòng chảy từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường
hợp 1. .........................................................................................................................53
Hình 3. 27. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy mô
hình xuất ra (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 3. 53

vii


Hình 3. 28. So sánh năng lượng rối trung bình tke đo đạc (đường nét đứt) với vận tốc
dòng chảy từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường
hợp 3. .........................................................................................................................54
Hình 3. 29. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy mô
hình xuất ra (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 8. 55
Hình 3. 30. So sánh năng lượng rối trung bình tke đo đạc (đường nét đứt) với vận tốc
dòng chảy từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường
hợp 8. .........................................................................................................................55

viii


MỞ ĐẦU
Việt Nam có bờ biển dài khoảng 3260 km và nằm ở phía tây biển Đông nên
chịu ảnh hưởng trực tiếp của các điều kiện khí tượng thủy văn biển Đông. Trường
sóng trên biển Đông là một trong các yếu tố động lực biển quan trọng tác động lên
tàu thuyền, các công trình và mọi hoạt động trên biển. Khi sóng lan truyền vào vùng
ven bờ thì trường sóng vùng ven bờ cũng là nguyên nhân chính gây xói lở bờ biển,
biến đổi đáy biển vùng ven bờ tác động đến các công trình bảo vệ bờ, công trình cảng
và luồng ra vào cảng.
Sóng biển lan truyền về phía bờ sẽ biến dạng, đổ vỡ khi chiều cao sóng đạt tới
một giá trị tới hạn so với chiều sâu nước. Sau khi sóng đổ, chuyển động sóng thành
chuyển động rối, đặc trưng bởi các xoáy cuộn có kích thước khác nhau. Do chuyển
động rối này, năng lượng sóng truyền từ khơi vào sẽ bị tiêu hao trong vùng sóng vỡ.
Dưới ảnh hưởng của chuyển động rối do sóng vỡ tạo nên, chuyển động của chất lỏng
trong vùng sóng vỡ và sóng tràn vô cùng phức tạp. Việc nghiên cứu và mô phỏng
sóng vỡ và sóng tràn trong vùng nước nông là vấn đề cần phải nghiên cứu hiện nay
của lĩnh vực nghiên cứu biển nhưng do quy mô diễn ra nhỏ và bao gồm nhiều quá
trình tương tác phức tạp nên vẫn chưa được tập trung nghiên cứu.
Luận văn này trình bày những tổng quan cơ bản về các quá trình vật lý của
hiện tượng sóng tràn sau quá trình tiêu tán năng lượng do sóng đổ. Luận văn đã thu
thập số liệu đo đạc trong vùng sóng tràn bằng thiết bị đo đạc quy mô nhỏ, tần số cao
Vectrino ADV tại bãi biển Nha Trang và đưa ra các phân tích đặc trưng của quá trình
lan truyền sóng trên bãi biển. Các kỹ thuật xử lý số liệu, xử lý ảnh hiện đại đã được
ứng dụng để phân tích số liệu. Mô hình số cũng đã được ứng dụng để mô tả số quá
trình lan truyền sóng sau khi sóng đổ. Các kết quả mô phỏng của mô hình đã được so
sánh với kết quả đo đạc tại bãi biển Nha Trang và đã chỉ ra khả năng ứng dụng của
mô hình vỡ đập (dambreak model) cho nghiên cứu hiện tượng lan truyền sóng sau
đới sóng đổ.

1


Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN
1.1.

Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone)

1.1.1. Giới thiệu chung
Vùng sóng tràn (swash zone) là một bộ phận của biển mà khoảng rộng từ giới
hạn sóng bắt đầu vỡ cho đến giới hạn cao nhất mà nước biển có thể đi lên. Đây là một
khu vực rất biến động và phức tạp, nơi xảy ra các quá trình thủy động lực học và hình
thái học khác nhau.

Hình 1. 1. Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào bờ.
Đới sóng tràn là nơi tiếp giáp trực tiếp giữa đất liền và biển. Đây là dải hẹp và
nhiều biến động cũng như rất phức tạp của các quá trình thủy động lực học. Tuy
nhiên, sự thay đổi đường bờ, bãi biển chính là kết quả của các quá trình rối, quá trình
vận chuyển trầm tích... cũng như các tác động trực tiếp của sóng. Chính sự thay đổi
này định hình nên địa mạo của các bãi biển.
Do gia tăng sự tương tác giữa chuyển động của các hạt nước và đáy đã tạo ra
sự thay đổi đặc điểm của sóng trong quá trình truyền sóng về phía bờ biển. Vùng sóng
vỡ và sóng tràn phụ thuộc vào điều kiện của thủy triều và sóng. Khu vực nằm giữa
vùng sóng vỡ cho đến giới hạn cao nhất mà nước biển có thể đi lên bao gồm hai vùng:
-

Vùng sóng vỡ: Từ vị trí sóng bắt đầu đổ khi truyền vào bờ đến vùng được giới
hạn bởi mép nước biển (thay đổi theo mực nước thủy triều), thông thường ở
độ sâu từ 5 ÷ 10 m.

2


-

Vùng sóng tràn: Là vùng sóng tác động lên vùng bờ dưới dạng dao động mực
nước, nó nằm giữa mép nước biển (thay đổi theo mực nước thủy triều) với
vùng sóng tràn và sóng rút.

Hình 1. 2. Đặc điểm chính của một bãi biển (bên trái) và của phần đất bồi ở biển
(bên phải) (Masselink & Hughes 2003).
Vùng sóng tràn là một phần đặc biệt của bãi biển mà liên tục khô và ướt do
hiện tượng dao động mực nước của biển. Theo Short (1999) định nghĩa vùng sóng
tràn là một phần của bãi biển nằm giữa giới hạn thấp của pha nước đi xuống và giới
hạn trên của pha nước đi lên trên bãi biển.
Short (1999) đã mô tả hai đặc điểm bổ sung làm cho hình thái động lực vùng
sóng tràn độc đáo so với phần còn lại của bãi biển. Đầu tiên có một thực tế là độ sâu
nước trong sóng tràn có thể rất nhỏ, đặc biệt trong pha nước đi xuống, dẫn đến một
tình huống dòng chảy phức tạp. Thứ hai, một phần của đáy trong vùng sóng tràn là
không bão hòa gây nên sự xâm nhập của nước ở phía dưới đáy, đây là một khía cạnh
quan trọng liên quan đến vận chuyển bùn cát.
Các nhà khoa học trên thế giới đã chứng minh rằng vùng sóng tràn là khu vực
biến động nhất trong khu vực gần bờ, và nó được đặc trưng bởi dòng chảy mạnh và
không ổn định, mức biến động cao, vận chuyển bùn cát diễn ra mạnh mẽ gây thay đổi
hình thái bãi biển trong một khoảng thời gian nhỏ [Butt & Russell, 1999; Masselink
& Puleo, 2006; Bakhtyar et al, 2009].

3


Trong vùng sóng vỡ và sóng tràn năng lượng sóng tiêu hao mạnh mẽ gây ra
bởi hiện tượng phi tuyến (sóng vỡ, sự sụp đổ của bore nước, dòng chảy rối), vì vậy
các quá trình vận chuyển trầm tích ven bờ hầu hết đều xảy ra trong hai vùng này và
cuối cùng hình thành hình thái bãi biển.
1.1.2. Các khu vực gần bờ
Khi sóng tiếp cận bờ biển, sẽ có một vị trí mà tại đó độ sâu của nước đã giảm
đến một mức độ làm cho vận tốc truyền sóng (cg) giảm. Trước khi sóng vỡ, thông
lượng của năng lượng sóng được bảo toàn trong lan truyền sóng [ví dụ: Holthuijsen,
2007]:
P = Ecg = constant

(1.1)

Trong đó E là năng lượng sóng và cg là vận tốc (nhóm) sóng. Theo định luật
bảo toàn năng lượng, năng lượng sóng tăng thì vận tốc lan truyền sẽ phải giảm. Khi
năng lượng sóng tăng thì làm cho chiều cao sóng tăng lên. Hiện tượng này được gọi
là hiệu ứng nước nông. Sau khi sóng vỡ thì một khối nước lan truyền như một bore
nước qua vùng sóng vỡ. Và một lớp nước mỏng sẽ đi lên (chạy lên) trên bãi biển và
đi xuống (chạy xuống) trong một khu vực được gọi là vùng sóng tràn. Một chuỗi pha
nước đi lên và pha nước đi xuống được gọi là chu kỳ sóng tràn. Trong hình 1.3 một
sự khái quát của khu vực gần bờ được đưa ra.

Hình 1. 3. Phân loại các khu vực sóng gần bờ.

4


1.1.3. Sóng và sóng gây ra sóng tràn
Sóng có thể bắt nguồn từ gió (sóng gió, sóng lừng, sóng mao dẫn), lực hấp dẫn
giữa Mặt trời, Mặt trăng và Trái đất (sóng triều), chấn động biển (sóng thần) hoặc có
thể được gây ra bởi sóng khác (sóng tần số thấp). Các chu kỳ sóng có thể khác nhau
từ nhỏ hơn 0.1 s của sóng mao dẫn đến hơn 24 giờ của sóng triều.
Ba loại sóng đặc biệt quan trọng đối với vùng sóng tràn: sóng triều, sóng tần
số cao (sóng ngắn) và sóng tần số thấp (sóng dài). Quy mô thời gian và không gian
của thủy triều là lớn hơn nhiều so với quy mô vùng sóng tràn, ảnh hưởng của thủy
triều trong vùng sóng tràn có thể được biểu diễn như là một sự thay đổi mực nước,
chứ không phải là một dao động của sóng.
a, Sóng tần số cao
Sóng gió là sóng tạo ra bởi gió và quy mô của các sóng này phụ thuộc vào tốc
độ gió, thời gian gió thổi, đà gió (chiều dài mà gió tương tác với mặt biển) và độ sâu
của nước. Chu kỳ của chúng thường lớn hơn 0.25 s và nhỏ hơn 30 s, và nó được gọi
là sóng trọng lực bề mặt, sóng ngắn hoặc sóng tần số cao. Sóng gió tương đối ngắn,
và bao gồm các chuyển động khá ngẫu nhiên và không thường xuyên.
Sóng có thể lan truyền với một quãng đường dài, nhưng do quá trình phân tán
tần số (nơi mà những sóng được sắp xếp theo tần số sóng của chúng do sự khác biệt
trong dao động của sóng), chuỗi sóng sẽ trở nên đều đặn hơn (gọi là sóng lừng). Một
tác dụng của tần số phân tán, đó là những sóng có xu hướng di chuyển trong nhóm
sóng (hình 1. 4). Trong vùng nước nông, nơi mà sóng biển đang hoàn toàn thay đổi
bởi quá trình vỡ, sóng tách nhóm.
Trong hình 1. 4 các đường nét liền tượng trưng cho sự chuyển động sóng tần
số cao, các đường nét đứt đại diện cho nhóm sóng ngắn hình bao và đây là các hình
dạng tổng thể của nhóm sóng lan truyền trong không gian.

5


Hình 1. 4. Đại diện của dao động sóng tần số cao.
b, Sóng tần số thấp
Bên cạnh đó sóng cao tần chuyển động có thể đạt được một chu kỳ sóng đến
năm phút (với tần số 0,003÷0,03 Hz). Những sóng có bước sóng dài hơn, nhưng biên
độ thường nhỏ hơn nhiều so với sóng tần số cao, và được liên kết với các nhóm sóng
ngắn. Trong văn liệu chúng được gọi là sóng dài, sóng tần số thấp, sóng vỡ nhịp hay
sóng trọng lực thấp. Có hai loại sóng tần số thấp: sóng dài và sóng tự do.

Hình 1. 5. Đại diện của dao động sóng dài cưỡng bức bởi hai thành phần sóng của
nhóm sóng ngắn.

6


Trong hình 1. 5 một dao động sóng dài là sơ đồ đại diện cho hai thành phần
sóng của nhóm sóng ngắn.
Trong hình 1. 5 các đường nét liền đại diện cho sóng tần số cao, trong khi các
đường nét đứt đại diện cho sóng dài.
1.1.4. Chu kỳ sóng tràn
Khi sóng lan truyền vào đến bờ tạo ra một chuyển động theo chu kỳ của pha
nước đi lên và đi xuống. Hiện tượng đi lên và đi xuống của pha nước do sóng được
gọi là chu kỳ sóng tràn. Một chu kỳ sóng tràn bao gồm hai giai đoạn riêng rẽ, mỗi
một giai đoạn có đặc trưng riêng [Bakthtyar cùng cộng sự, 2009]. Quá trình đi lên
của nước trên bãi biển là quá trình nước chuyển đến dồn lên. Trong khoảng dồn lên
của nước trên bãi biển thì vận tốc dòng chảy sẽ giảm đi (vì do ma sát đáy và trọng
lực) cho đến khi vận tốc bằng 0. Trong một thời gian ngắn nước di chuyển lên bãi
biển đến vị trí cao nhất mà nước biển có thể đi lên và sau đó nước sẽ bắt đầu di chuyển
xuống. Sau khi nước di chuyển xuống thì vận tốc dòng chảy tăng thêm lần nữa, nhưng
lúc này hướng dòng chảy ra ngoài khơi, cho đến khi gặp chu kỳ sóng tràn tiếp theo.
Sự đi xuống của nước trên bãi biển hướng ra biển là chuyển động nước cuộn ngược.
Trong hình 1. 6 biểu diễn một chu kỳ sóng tràn trên bãi biển.
Chu kỳ sóng tràn nói chung có thể được phân thành ba dải tần số và được thể
hiện trong bảng 1. 1.
Bảng 1. 1. Khoảng tần số trong vùng sóng tràn [Short, 1999]
Tần số (Hz)

Chu kỳ (s)

Tần số cao

0,07 - 0,2

5 - 15

Tần số trung bình

0,03 - 0,07

15 - 30

Tần số thấp

0,003 - 0,03

30 - 300

7


Hình 1. 6. Sơ đồ mô phỏng chu kỳ sóng tràn trên bãi biển bằng mô hình Xbeach
Trên hình 1.6 biểu diễn sự lan truyền của sóng tràn trên bãi biển được trích
xuất từ quá trình mô phỏng của mô hình Xbeach. Trong hình (A) một bore sóng lan
truyền về phía bãi biển. Trong hình (B) chiều cao bore giảm (sụp đổ) và thay đổi
thành một lớp nước mỏng vẫn đi lên bãi biển (dồn lên). Trong hình (C) vận tốc đang
giảm do ma sát đáy và (chủ yếu) lực hấp dẫn. Trong hình (D) và (E) các rửa ngược

8


được thực hiện; nước di chuyển từ bãi biển về phía biển. Trong hình (F) sóng tràn
gặp các bore tiếp theo do đó sẽ tạo ra một chu kỳ sóng tràn mới.
Chu kỳ sóng tràn bất đối xứng
Sự khác biệt trong hiện tượng dồn lên và rửa ngược trong một chu kỳ sóng
tràn được gọi là sóng tràn bất đối xứng. Trong hình 1. 7 thể hiện một chuỗi thời gian
của mực nước và vận tốc đo được trong vùng sóng tràn, nơi mà sóng tràn bất đối
xứng có thể được quan sát thấy. Ngược lại với hiện tượng rửa ngược, thì hiện tượng
dồn lên diễn ra trong thời gian ngắn và tốc độ mạnh. Ngoài ra mực nước dồn lên sẽ
cao hơn mực nước rửa ngược. Khi vận tốc dồn lên lớn và mực nước dồn lên cao sẽ
tạo ra lưu lượng trong quá trình dồn lên lớn hơn trong quá trình rửa ngược.

Hình 1. 7. Đo đạc thực địa của vận tốc dòng chảy ngang bờ (đường nét liền) và độ
sâu của nước (đường nét đứt) cho một chu kỳ sóng tràn, đo ở vị trí nửa giữa giới
hạn đi lên và đi xuống của nước [Hughes cùng cộng sự, 1997].
Với trường hợp trên một bãi biển; sẽ có hai khía cạnh được xem xét. Khía cạnh
đầu tiên là sự khác biệt trong thời gian dồn lên và rửa ngược; trong hình 1. 7 thời gian
dồn lên là ngắn hơn so với thời gian rửa ngược. Khía cạnh thứ hai là dòng chảy ngầm.
Nước xâm nhập bãi biển (khô) trong dồn lên và sẽ thoát ra trong rửa ngược, do đó

9


một phần của nước đưa lên bãi cát bởi sự dồn lên là vẫn còn lại trong khoảng rửa
ngược.
Cả hai quá trình dồn lên và rửa ngược có nhiều quá trình thủy động lực diễn
ra mà có ảnh hưởng đến vận chuyển bùn cát trong vùng sóng tràn.
1.1.5. Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn
a, Hình thái bãi biển
Theo Wrigh & Short [1984] bãi biển có thể được phân thành ba loại hình thái:
- Bãi biển phản xạ: Đó là những bãi biển khá dốc mà có vùng sóng vỡ và sóng tràn
hẹp. Chuyển động của sóng trên bãi biển phản xạ là hiện tượng lao lên đến sụp đổ
của các sóng vỡ hoặc sóng không vỡ và sau đó được phản xạ. Các loại trầm tích tại
các bãi biển này là tương đối thô và không có bar chắn sóng vỡ [Short, 1999]. Do sự
phân tán năng lượng sóng thấp, các bãi biển phản xạ thường được gọi là bãi biển có
năng lượng thấp.
- Bãi biển khuếch tán: Đó là những bãi biển tương đối bằng phẳng với một vùng sóng
vỡ và sóng tràn rộng và có nhiều bar chắn sóng vỡ hiện diện trong profile ngang bờ
[Short, 1999]. Chuyển động của sóng trên bãi biển khuếch tán là hiện tượng sóng vỡ
sau đó tràn lên bãi biển và các trầm tích trên bãi biển là tương đối mịn [Short, 1999].
Các chuyển động sóng tràn chính bao gồm bore nước sụp đổ đi lên và đi xuống bãi
biển. Do tiêu tán một phần lớn năng lượng sóng nên các bãi biển khuếch tán thường
được gọi là bãi biển có năng lượng cao.
- Bãi biển trung gian: Những bãi biển có sự kết hợp các đặc điểm của hai hình thái
bãi biển phản xạ và khuếch tán, có thể được xem như là bãi biển bán khuếch tán (hoặc
bán phản xạ).

10


Hình 1. 8. Hình thái bãi biển.
b, Sự thống trị của sóng tần số cao và thấp
Một số thí nghiệm đã được tiến hành để nghiên cứu sự khác biệt các quá trình
trong vùng sóng tràn cho một bãi biển khuyếch tán và phản xạ [ví dụ: Masselink &
Russell, 2006; Miles et al., 2006]. Trên bãi biển phản xạ các sóng tần số thấp được
phản xạ, còn sóng tần số cao hơn bị vỡ khá đột ngột (lao dốc hoặc bị sụp đổ), làm cho
các sóng tần số cao hơn chiếm ưu thế hơn trong vùng sóng tràn. Trên bãi biển khuếch
tán, do độ dốc bãi biển tương đối thoai thoải nên tăng cường phát triển sóng tần số
thấp hơn. Do hiện tượng tiêu tán của sóng tần số thấp và sóng tần số cao, nên bãi biển
khuếch tán chi phối đến chuyển động của sóng tần số thấp [Wright & Short, 1984;
Short, 1999].
1.2.

Tình hình nghiên cứu

a, Trên thế giới
+ Sự hiểu biết về hoạt động sóng tràn
Cơ chế sóng tràn chịu ảnh hưởng bởi các đặc điểm của khu vực nghiên cứu
(độ dốc bãi biển, phân bố kích thước hạt, chế độ sóng) (Masselink và Puleo, 2006).
+ Đo đạc trong vùng sóng tràn

11


Bởi vì vùng sóng tràn không ổn định, năng lượng rối lớn, thủy triều chi phối,
dòng chảy hẹp, rất khó khăn để có được các dữ liệu chính xác trong vùng sóng tràn.
Các nghiên cứu trước đã tiến hành bằng cách sử dụng thiết bị đo dòng chảy tần số
cao (ADV) và cảm biến quang tán xạ ngược (Hugues et al. 1997; Hughes and Turner,
1999; Puleo et al. 2000; Baldock, 2004; Masselink et al. 2005). Gần đây, các kỹ thuật
mới (ADV, Video) đã được thử nghiệm thành công (Vousdoukas et al, 2014;
Lefebvre et al. 2014).
+ Vận chuyển trầm tích
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của dòng chảy trong vùng sóng tràn đến quá trình
vận chuyển bùn cát ven bờ (Horn and Mason, 1994; Puleo et al. 2000; Pritchard and
Hogg, 2005; Barnes et al. 2009); Steenhauer et al. 2012; Shanehsazzedeh and
Holmes, 2013; Liu 2013).
+ Mô phỏng tại các phòng thí nghiệm
Để tránh các khó khăn của điều kiện tự nhiên, quá trình sóng tràn đã được
nghiên cứu trong điều kiện kiểm soát ở trong phòng thí nghiệm (Erikson et al. 2005;
Lobovsky et al. 2013; Kikkert et al. 2013).
+ Mô hình
Nghiên cứu mô phỏng quá trình lan truyền sóng trong đới sóng tràn bằng mô
hình mô phỏng sự sụp đổ của một bore nước tương tự như một cơ chế vỡ đập (Holland
and Puleo, 2001; Puleo et al. 2002; Hugues and Baldock, 2004; Brocchini and
Baldock, 2008) và đã khẳng định khả năng ứng dụng của dạng mô hình này khi mô
phỏng trường dòng chảy trên bãi biển.
b, Trong nước:
Rất ít các điều tra đã thực hiện về chủ đề này ở Việt Nam. Nguyễn Thế Duy
cùng cộng sự (2002) đã mô hình hóa dòng chảy được tạo ra bởi một sóng vỡ và mở
rộng cho dòng chảy cả vùng sóng vỡ và sóng tràn trong máng sóng.

12


1.3.

Mục tiêu luận văn
Từ việc xử lý và phân tích số liệu khảo sát trong hai đợt khảo sát tháng 5 và 12

năm 2013 tại bãi biển Nha Trang, tác giả sẽ đưa ra được bức tranh trường dòng chảy
và phân bố năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trên bãi biển Nha Trang.
Trong quá trình xử lý và phân tích số liệu sóng của máy AWAC tại vị trí có độ
sâu 10 m và dữ liệu ảnh của camera để tìm ra mối liên hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi
với chiều cao của bore nước trong vùng sóng tràn.
Song song với quá trình xử lý và phân tích số liệu khảo sát còn kết hợp với phát
triển, ứng dụng và kiểm chứng mô hình vỡ đập (dambreak model) cho mô phỏng hiện
tượng lan truyền sóng sau đới sóng đổ.

13


Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG
TRÀN
2.1.

Phương pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sát

2.1.1. Khảo sát thực địa
Trong hai đợt khảo sát tại bãi biển Nha Trang theo đề tài “Nghiên cứu chế độ
thủy động lực học và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển Vịnh Nha Trang,
tỉnh Khánh Hòa” – Chương trình KH&CN nghị định thư cấp Nhà nước do tác giả của
luận văn này đã tiến hành đo dòng chảy trong vùng sóng tràn bằng máy Vectrino II
trong tháng 5 và tháng 12 của năm 2013.
Vì vùng sóng tràn thay đổi theo dao động của mực nước thủy triều nên khi tác
giả tiến hành đo dòng chảy trong vùng sóng tràn bằng máy Vectrino II cũng phải dịch
chuyển vị trí đặt máy theo dao động của mực nước thủy triều. Do đó phải chọn vị trí
đặt máy Vectrino II trong vùng sóng vỡ và sóng tràn sao cho đầu sensor ngập trong
nước nhiều nhất. Khoảng cách từ đầu sensor tới đáy phải lớn hơn 8 cm, khoảng đo
cách đầu sensor 4 cm và đo trong khoảng 3,5 cm với 35 cell, khoảng cách mỗi cell là
1mm, tần số đo là 0,015 s (hình 2.1). Các số liệu đo đạc của máy Vectrino được hỗ
trợ bởi một trạm đo sóng ngoài khơi bằng máy AWAC tại độ sâu 10 m.

Hình 2. 1. Triển khai đo Vectrino II (Nortek) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và sơ
đồ nguyên tắc đo.

14


2.1.2. Phương pháp xử lý số liệu Vectrino
Từ chuỗi số liệu đo đạc tác giả đã tiến hành xử lý bằng một chương trình Matlab.
Để một chương trình đọc dữ liệu một cách tốt thì tác giả đã xây dựng sơ đồ dữ
liệu:

Nha Trang
NT1

Vectrino Processed

Vectrino Raw
nts

day 1

NT2

day 2

a, Chuyển đổi dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab
Dữ liệu thô là các số, ký tự được mã hóa bởi chương trình của máy Vectrino.
Để chuyển đổi dạng dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab
đọc được thì trong phần mềm Nortek Vectrino II, có tool Export Matlab để xuất số
liệu sang dạng *.mat. Nhưng để số liệu xuất ra đúng theo thời gian thực đo thì cần
kết hợp giữa file configuration tương ứng với dữ liệu cần xuất.
b, Đọc thời gian trong file *.mat
Trong file số liệu có chứa thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc đo. Để thuận
tiện cho việc xử lý và phân tích số liệu sau này, thì tác giả đã thay đổi tên file thành:
Vectrino dd-mm-yyyy start time_end time.mat.
c, Trích xuất một đoạn số liệu từ một chuỗi số liệu đo đạc
Trong quá trình đo máy Vectrino thì tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam là một
điều kiện tiên quyết cho bất kỳ phép đo và chúng ta cần SNR Beam tốt để đảm bảo
có đủ tán xạ trong nước và công suất phát là đủ cao để tạo ra một phản xạ mạnh.
Trong điều kiện đo đạc phức tạp tại bãi biển vì vậy dữ liệu đo về cần phải có quá trình
xử lý loại bỏ các đoạn số liệu bị nhiễu, số liệu chất lượng kém do SNR Beam thấp
hơn 20db.

15


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×