Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN 1. Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone) 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.
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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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.3 một sự khái quát của khu vực gần bờ được đưa ra. Phân loại các khu vực sóng gần bờ. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
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. Trong vùng nước nông, nơi mà sóng biển đang hoàn toàn thay đổi bởi quá trình vỡ, sóng tách nhóm. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
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. Đại diện của dao động sóng dài cưỡng bức bởi hai thành phần sóng của nhóm sóng ngắn. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong hình 1. 5 một dao động sóng dài là sơ đồ đại diện cho hai thành phần sóng của nhóm sóng ngắn.
5 các đường nét liền đại diện cho sóng tần số cao, trong khi các đường nét đứt đại diện cho sóng dài. 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. 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. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
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 (C) vận tốc đang giảm do ma sát đáy và (chủ yếu) lực hấp dẫn. Trong hình (D) và (E) các rửa ngược 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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. 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.