Luận văn thạc sĩ về mô hình SWASH tính toán sóng và dòng chảy ven bờ tại Đại học Quốc gia Hà Nội

Luận văn thạc sĩ trình bày ứng dụng mô hình swash để tính toán trường sóng và dòng chảy ven bờ, phục vụ nghiên cứu vận chuyển bùn cát.

• Tác giả: Nguyễn Thị Khang
• Người hướng dẫn: PGS. Phùng Đăng Hiếu
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hải dương học
• Đề tài: Mô Hình SWASH Tính Toán Sóng Và Dòng Chảy Ven Bờ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Sóng và dòng chảy sóng ven bờ
• 1.2. Vận chuyển bùn cát
• 1.3. Mô hình mô phỏng sóng ven bờ
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SWASH VÀ MỘT SỐ THỬ NGHIỆM
• 2.1. Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH
• 2.2. Giới thiệu mô hình SWASH
• 2.3. Phương trình tiến triển và điều kiện biên
• 2.4. Một số ứng dụng thử nghiệm
• 2.4.1. Lựa chọn các điều kiện mô phỏng
• 2.4.2. Tính toán mô phỏng và kết quả
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CHO BÃI BIỂN CỬA LÒ - NGHỆ AN
• 3.1. Tổng quan khu vực nghiên cứu
• 3.1.1. Vị trí địa lý
• 3.1.2. Địa hình địa mạo
• 3.1.3. Điều kiện khí tượng hải văn
• 3.2. Số liệu và phương pháp nghiên cứu
• 3.3. Phương pháp
• 3.4. Ứng dụng mô hình SWASH tính toán trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng cho khu vực Cửa Lò - Nghệ An
• 3.4.1. Miền tính và lưới tính toán
• 3.4.2. Hiệu chỉnh kiểm định
• 3.4.3. Kịch bản tính toán
• 3.5. Kết quả tính toán
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình SWASH và ứng dụng trong tính toán sóng

Mô hình SWASH (Simulating WAves till SHore) là một công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng sóng và dòng chảy ven bờ. Được phát triển từ hệ phương trình nước nông phi thủy tĩnh, mô hình này cho phép tính toán chính xác các hiện tượng sóng và dòng chảy phát sinh do sóng. Việc ứng dụng mô hình SWASH trong nghiên cứu sóng ven bờ không chỉ giúp hiểu rõ hơn về động lực học của sóng mà còn hỗ trợ trong việc quản lý bờ biển và dự báo các hiện tượng tự nhiên như xói lở và bồi tụ.

1.1. Giới thiệu về mô hình SWASH và nguyên lý hoạt động

Mô hình SWASH được xây dựng dựa trên hệ phương trình phi thủy tĩnh, cho phép mô phỏng sự biến đổi của sóng từ ngoài khơi đến bãi biển. Mô hình này có khả năng mô phỏng các hiện tượng như sóng thần, lũ lụt ven biển và dòng chảy mật độ. Nguyên lý hoạt động của mô hình dựa trên việc giải các phương trình động lực học phức tạp, giúp mô phỏng chính xác các quá trình vật lý diễn ra trong môi trường ven bờ.

1.2. Lợi ích của mô hình SWASH trong nghiên cứu sóng ven bờ

Mô hình SWASH mang lại nhiều lợi ích trong nghiên cứu sóng ven bờ, bao gồm khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng sóng và dòng chảy, hỗ trợ trong việc dự báo các hiện tượng tự nhiên và quản lý bờ biển. Việc sử dụng mô hình này giúp các nhà nghiên cứu có cái nhìn sâu sắc hơn về động lực học của sóng và ảnh hưởng của chúng đến môi trường ven bờ.

II. Thách thức trong việc tính toán sóng và dòng chảy ven bờ

Việc tính toán sóng và dòng chảy ven bờ gặp nhiều thách thức do sự phức tạp của các quá trình vật lý diễn ra trong khu vực này. Các yếu tố như địa hình đáy biển, sự biến đổi của sóng và dòng chảy, cũng như tác động của các công trình xây dựng đều ảnh hưởng đến kết quả tính toán. Do đó, việc lựa chọn mô hình phù hợp và điều chỉnh các tham số là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính toán sóng ven bờ

Các yếu tố như độ sâu nước, độ dốc đáy biển và sự thay đổi của sóng đều có ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán. Khi sóng tiến vào vùng nước nông, các đặc tính của sóng như khúc xạ và biến dạng sẽ xảy ra, làm cho việc mô phỏng trở nên phức tạp hơn.

2.2. Tác động của công trình xây dựng đến dòng chảy ven bờ

Các công trình xây dựng như đê, kè và bến cảng có thể làm thay đổi dòng chảy tự nhiên, gây ra các hiện tượng như xói lở hoặc bồi tụ. Việc tính toán chính xác ảnh hưởng của các công trình này là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho khu vực ven bờ.

III. Phương pháp mô phỏng sóng và dòng chảy bằng mô hình SWASH

Mô hình SWASH sử dụng các phương trình động lực học để mô phỏng sóng và dòng chảy ven bờ. Phương pháp này cho phép tính toán chính xác các hiện tượng sóng và dòng chảy phát sinh do sóng, từ đó hỗ trợ trong việc đánh giá sự biến động của đường bờ. Việc lựa chọn các điều kiện mô phỏng và tham số đầu vào là rất quan trọng để đạt được kết quả chính xác.

3.1. Quy trình mô phỏng sóng và dòng chảy

Quy trình mô phỏng bao gồm việc xác định miền tính toán, thiết lập lưới tính toán và điều chỉnh các tham số đầu vào. Mô hình SWASH sẽ giải các phương trình động lực học để tính toán trường sóng và dòng chảy trong khu vực nghiên cứu.

3.2. Kết quả mô phỏng và phân tích

Kết quả mô phỏng từ mô hình SWASH sẽ được phân tích để đánh giá sự biến động của sóng và dòng chảy. Việc so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực đo sẽ giúp xác định độ chính xác của mô hình và điều chỉnh các tham số nếu cần thiết.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình SWASH trong nghiên cứu bãi biển Cửa Lò Nghệ An

Mô hình SWASH đã được ứng dụng để tính toán trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng cho khu vực bãi biển Cửa Lò - Nghệ An. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình có khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng sóng và dòng chảy, từ đó hỗ trợ trong việc quản lý bờ biển và dự báo các hiện tượng tự nhiên.

4.1. Tổng quan khu vực nghiên cứu Cửa Lò Nghệ An

Khu vực bãi biển Cửa Lò - Nghệ An có đặc điểm địa hình phức tạp, với sự biến đổi của sóng và dòng chảy. Việc nghiên cứu và mô phỏng sóng tại đây là rất cần thiết để đánh giá sự biến động của đường bờ và tác động của các công trình xây dựng.

4.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng mô hình SWASH

Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình SWASH có khả năng mô phỏng chính xác trường sóng và dòng chảy tại khu vực Cửa Lò. Việc ứng dụng mô hình này giúp các nhà quản lý có cái nhìn rõ hơn về động lực học của sóng và ảnh hưởng của chúng đến môi trường ven bờ.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mô hình SWASH

Mô hình SWASH đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc mô phỏng sóng và dòng chảy ven bờ. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết để nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng của mô hình. Trong tương lai, việc cải tiến mô hình và áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao khả năng dự báo và quản lý bờ biển.

5.1. Đánh giá hiệu quả của mô hình SWASH

Mô hình SWASH đã cho thấy khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng sóng và dòng chảy. Việc đánh giá hiệu quả của mô hình thông qua các nghiên cứu thực địa là rất cần thiết để xác định độ tin cậy của mô hình.

5.2. Triển vọng phát triển mô hình trong tương lai

Trong tương lai, việc phát triển mô hình SWASH sẽ tập trung vào việc cải tiến các phương pháp tính toán và mở rộng khả năng ứng dụng của mô hình trong các lĩnh vực khác nhau như quản lý bờ biển và dự báo thiên tai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sóng biển và dòng chảy phát sinh do sóng ven bờ đóng vai trò quan trọng trong sự biến đổi địa hình khu vực ven biển, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vận chuyển bùn cát và biến động đường bờ. Theo thống kê sóng nhiều năm tại khu vực Nghệ An (1979-2017), các hướng sóng chủ đạo gồm NE (32,83%), SE (41,94%) và E (19,88%), với độ cao sóng trung bình dao động từ 0,95 đến 1,57 m và chu kỳ sóng từ 5,72 đến 6,89 giây. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng mô hình SWASH, dựa trên hệ phương trình nước nông phi thủy tĩnh, để mô phỏng chính xác trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng ven bờ, từ đó tính toán vận chuyển bùn cát phục vụ đánh giá biến động đường bờ.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là kiểm nghiệm khả năng mô phỏng của mô hình SWASH qua các bài toán chuẩn trong phòng thí nghiệm và ứng dụng thực tiễn tại khu vực biển Cửa Lò - Nghệ An. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích dữ liệu sóng thực đo, số liệu địa hình thực tế và số liệu tái phân tích toàn cầu từ NOAA trong giai đoạn 1979-2019. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ mô phỏng nhanh, chính xác, hỗ trợ dự báo vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình ven bờ, góp phần vào công tác quản lý và bảo vệ bờ biển hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Mô hình SWASH (Simulating WAves till SHore) được phát triển dựa trên hệ phương trình nước nông phi thủy tĩnh, cho phép mô phỏng các hiện tượng sóng bề mặt và dòng chảy nước nông trong môi trường phức tạp. Hai lý thuyết nền tảng chính bao gồm:

• Hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS): SWASH giải hệ phương trình RANS trung bình theo phương thẳng đứng, bao gồm áp suất phi thủy tĩnh, cho phép mô phỏng các hiệu ứng phi tuyến và tương tác sóng - dòng chảy.
• Lý thuyết sóng tuyến tính và phi tuyến: Mô hình sử dụng phổ sóng Fourier để mô phỏng sóng không đều, đồng thời tính đến các quá trình vật lý như khúc xạ, nhiễu xạ, sóng đổ, sóng leo, sóng rút, phản xạ một phần và tương tác sóng với công trình.

Các khái niệm chính được áp dụng gồm: trường sóng ven bờ, dòng chảy phát sinh do sóng (bao gồm dòng dọc bờ và dòng ngang bờ), vận chuyển bùn cát (di đáy và lơ lửng), và các hiệu ứng vật lý như ma sát đáy, rối xoáy, và tiêu tán năng lượng sóng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm số liệu địa hình thực đo khu vực Cửa Lò năm 2018, số liệu sóng thực đo tại trạm ngoài khơi và ven bờ trong các mùa gió Đông Bắc và Tây Nam năm 2018-2019, cùng số liệu tái phân tích toàn cầu của NOAA từ 1979 đến 2017. Phương pháp phân tích gồm:

• Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình SWASH: Sử dụng số liệu sóng thực đo để hiệu chỉnh các tham số mô hình như hệ số ma sát đáy, hệ số nhớt rối và hệ số sóng vỡ, đánh giá bằng hệ số Nash lần lượt đạt 0,74 và 0,62 cho hiệu chỉnh và kiểm định.
• Mô phỏng trường sóng và dòng chảy: Thiết lập miền tính toán với lưới đều kích thước 1,5 m, áp dụng các kịch bản sóng chủ đạo (NE, E, SE) với độ cao và chu kỳ sóng tương ứng.
• Tính toán vận chuyển bùn cát: Áp dụng công thức vận chuyển di đáy của Van Rijn (2007) dựa trên vận tốc hiệu quả kết hợp giữa vận tốc dòng chảy trung bình và vận tốc quỹ đạo sóng, nhằm ước lượng lượng bùn cát vận chuyển qua các mặt cắt ven bờ.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2018 đến 2019, bao gồm thu thập số liệu, hiệu chỉnh mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng mô phỏng trường sóng ven bờ: Mô hình SWASH mô phỏng chính xác sự biến đổi độ cao sóng khi lan truyền từ ngoài khơi vào vùng nước nông, thể hiện qua kết quả thí nghiệm lan truyền sóng trên bãi nghiêng thoải (Ting và Kirby, 1994) với sai số nhỏ, đặc biệt tại vùng sau sóng đổ. Độ cao sóng tăng từ 0,125 m lên khoảng 0,15 m trước khi sóng đổ, phù hợp với số liệu thực tế.

2. Mô phỏng sóng qua địa hình phức tạp: Ứng dụng mô hình cho thí nghiệm sóng qua bãi có bar ngầm (Van Gent và Doorn, 2000) cho thấy mô hình tái hiện tốt sự giảm độ cao sóng và sự phân bố sóng không đều trong điều kiện sóng bão với độ cao sóng lên đến 6 m và chu kỳ 9 s.

3. Mô phỏng dòng chảy phát sinh do sóng: Kết quả mô phỏng dòng rip tại khe hở giữa các cồn ngầm (Haller, 2002) cho thấy mô hình SWASH tái hiện chính xác các thành phần vận tốc dòng chảy ngang bờ và dọc bờ, với sai số nhỏ tại các mặt cắt x = 10 m, 11,2 m, 12,2 m và 13 m, vượt trội so với các mô hình khác không tính đến tương tác phi tuyến và sóng đổ.

4. Ứng dụng thực tiễn tại Cửa Lò - Nghệ An: Mô hình mô phỏng trường sóng và dòng chảy cho các kịch bản sóng hướng NE, E và SE với độ cao sóng từ 0,95 đến 1,57 m và chu kỳ từ 5,72 đến 6,89 s. Kết quả cho thấy sự phân bố độ cao sóng không đều, xuất hiện các vùng lặng sóng và dòng rip tiềm ẩn nguy hiểm cho người tắm biển. Vận chuyển bùn cát được tính toán qua các mặt cắt cho thấy sự biến đổi rõ rệt theo hướng sóng và địa hình ven bờ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân mô hình SWASH cho kết quả tốt là do khả năng mô phỏng các hiệu ứng phi thủy tĩnh, tương tác phi tuyến giữa sóng và dòng chảy, cũng như tính đến sóng đổ và phản xạ sóng một cách chi tiết. So với các mô hình dựa trên hệ phương trình Mild Slope hay Boussinesq truyền thống, SWASH cân bằng được giữa độ chính xác và tốc độ tính toán, phù hợp cho các khu vực ven bờ có địa hình phức tạp như Cửa Lò.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố độ cao sóng, bản đồ vector dòng chảy và bảng so sánh vận tốc dòng chảy tại các mặt cắt với số liệu thực đo, giúp minh họa rõ ràng các vùng có nguy cơ xói lở và bồi tụ. Kết quả cũng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về mô phỏng sóng và dòng chảy ven bờ, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc dự báo biến động bờ biển và quản lý bền vững khu vực ven biển.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai ứng dụng mô hình SWASH rộng rãi: Khuyến nghị các cơ quan quản lý và nghiên cứu biển sử dụng mô hình SWASH để mô phỏng trường sóng và dòng chảy ven bờ nhằm dự báo vận chuyển bùn cát và biến động địa hình, đặc biệt tại các khu vực có địa hình phức tạp. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.

2. Tăng cường thu thập số liệu thực tế: Đề xuất thiết lập thêm các trạm đo sóng và dòng chảy ven bờ để cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh và kiểm định mô hình chính xác hơn, nâng cao độ tin cậy của dự báo. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu biển, các trường đại học. Thời gian: liên tục.

3. Phát triển hệ thống cảnh báo sớm xói lở bờ biển: Dựa trên kết quả mô phỏng, xây dựng hệ thống cảnh báo sớm các vùng có nguy cơ dòng rip và xói lở bờ biển, phục vụ công tác bảo vệ người dân và quản lý bờ biển. Thời gian: 2-3 năm.

4. Nghiên cứu kết hợp mô hình SWASH với mô hình vận chuyển trầm tích nâng cao: Khuyến khích phát triển các mô hình tích hợp để mô phỏng đồng thời vận chuyển bùn cát lơ lửng và di đáy, tăng cường khả năng dự báo biến động bờ biển trong điều kiện sóng phức tạp. Chủ thể: các nhóm nghiên cứu hải dương học. Thời gian: 3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên hải dương học, thủy văn ven bờ: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp mô phỏng hiện đại, giúp nâng cao hiểu biết về động lực sóng và dòng chảy ven bờ.

2. Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường ven biển: Thông tin về vận chuyển bùn cát và biến động địa hình hỗ trợ hoạch định chính sách bảo vệ bờ biển và phát triển bền vững.

3. Chuyên gia thiết kế công trình ven biển và cảng biển: Kết quả mô phỏng dòng chảy và sóng giúp đánh giá tác động của công trình đến môi trường ven bờ, từ đó tối ưu thiết kế.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành hải dương học, kỹ thuật biển: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về mô hình SWASH, phương pháp hiệu chỉnh mô hình và ứng dụng thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình SWASH có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   SWASH sử dụng hệ phương trình nước nông phi thủy tĩnh, cho phép mô phỏng chính xác các hiệu ứng phi tuyến, sóng đổ và tương tác sóng - dòng chảy với tốc độ tính toán nhanh hơn mô hình Boussinesq truyền thống. Ví dụ, trong thí nghiệm dòng rip, SWASH tái hiện tốt vận tốc dòng chảy phức tạp hơn các mô hình khác.

2. Dữ liệu đầu vào cần thiết để sử dụng mô hình SWASH là gì?
   Cần số liệu địa hình chi tiết khu vực ven bờ, số liệu sóng ngoài khơi làm điều kiện biên, cùng các thông số vật lý như hệ số ma sát đáy, hệ số nhớt rối. Trong nghiên cứu này, số liệu thực đo và số liệu tái phân tích toàn cầu NOAA được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.

3. Mô hình có thể áp dụng cho những khu vực ven bờ nào?
   SWASH phù hợp với các khu vực ven bờ có địa hình phức tạp như bãi nghiêng thoải, bãi có bar ngầm, cồn ngầm, và các vùng có công trình ven bờ. Ứng dụng thực tiễn tại Cửa Lò - Nghệ An đã chứng minh tính khả thi của mô hình tại vùng biển nhiệt đới gió mùa.

4. Làm thế nào để đánh giá độ chính xác của mô hình?
   Độ chính xác được đánh giá bằng so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực đo, sử dụng các chỉ số thống kê như hệ số Nash. Trong nghiên cứu, hệ số Nash đạt 0,74 cho hiệu chỉnh và 0,62 cho kiểm định, cho thấy mức độ phù hợp cao.

5. Mô hình có thể dự báo vận chuyển bùn cát như thế nào?
   Dựa trên trường sóng và dòng chảy mô phỏng, vận chuyển bùn cát được tính toán bằng công thức Van Rijn (2007) cho vận chuyển di đáy, kết hợp vận tốc hiệu quả của dòng chảy và sóng. Kết quả giúp dự báo sự biến đổi đường bờ và đánh giá tác động của sóng đến trầm tích ven bờ.

Kết luận

• Mô hình SWASH đã được kiểm nghiệm qua các bài toán chuẩn và ứng dụng thực tiễn, cho kết quả mô phỏng trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng ven bờ phù hợp với số liệu thực tế.
• Khả năng mô phỏng các hiệu ứng phi thủy tĩnh, sóng đổ và tương tác phi tuyến giúp SWASH vượt trội so với các mô hình truyền thống.
• Ứng dụng tại khu vực biển Cửa Lò - Nghệ An cho thấy mô hình có thể hỗ trợ dự báo vận chuyển bùn cát và biến động địa hình ven bờ hiệu quả.
• Bộ tham số hiệu chỉnh phù hợp gồm hệ số ma sát đáy 0,025, hệ số nhớt 0,25, hệ số sóng vỡ α=0,6 và β=0,3.
• Đề xuất triển khai ứng dụng mô hình rộng rãi, tăng cường thu thập số liệu thực tế và phát triển hệ thống cảnh báo sớm xói lở bờ biển.

Tiếp theo, cần mở rộng nghiên cứu tích hợp mô hình vận chuyển trầm tích lơ lửng và di đáy, đồng thời phát triển các công cụ hỗ trợ quản lý bờ biển dựa trên kết quả mô phỏng. Mời các nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý quan tâm phối hợp ứng dụng mô hình SWASH trong công tác bảo vệ và phát triển bền vững vùng ven biển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1 Sóng và dòng chảy sóng ven bờ Đối với sóng ngoài khơi để phát triển nhờ năng lượng của gió thì có ba nhân tố của trường gió phải thỏa mãn đó là: Tốc độ gió lớn hơn một giá trị tới hạn nào đó, khoảng đà gió và thời gian gió thổi phải đủ dài. Sau khi dời khỏi vùng gió tác động, sóng gió đã phát triển truyền đi trên biển, phân tán ra mọi phía và một phần nhỏ năng lượng bị mất đi do ma sát nhớt. Khi các sóng tiếp cận tới các vùng bờ chúng chuyển thành sóng lừng có dạng hai chiều với chu kỳ đồng đều và các đỉnh sóng tạo thành luống. Do độ sâu giảm đi theo hướng vào bờ, các sóng lừng mang đặc tính của sóng nước nông tương tự như các sóng có chu kỳ không đổi.

Vùng nước nông được xem là bắt đầu khi sóng cảm nhận được nền đáy và đáy biển ảnh hưởng lên quá trình truyền sóng, ngược lại, đáy biển cũng chịu ảnh hưởng tác động từ chuyển động sóng. Nếu trường gió tác động thổi qua vùng bờ thì mặt biển nổi sóng gồm nhiều đỉnh sóng không đồng đều tiến vào bờ, khi đó sự biến dạng sóng vùng nước nông là rất phức tạp. Những đặc tính nổi bật của quá trình chuyển hóa sóng ở vùng nước nông là biến dạng sóng và khúc xạ sóng. Khúc xạ sóng là kết quả của sự thay đổi tốc độ tuyền sóng như là hàm của độ sâu nước, tốc độ dòng chảy và chu kỳ sóng.

Các sóng bị khúc xạ thay đổi hướng lan truyền làm cho các dải đỉnh sóng có xu thế song song với các đường đẳng sâu. Biến dạng sóng là kết quả thay đổi tốc độ truyền của dòng năng lượng sóng, độ sâu càng nông thì tốc độ dòng năng lượng càng giảm đi, do độ cao sóng tỷ lệ thuận với căn bậc hai của năng lượng sóng nên độ cao sóng phải tăng lên khi sóng tiến đến vùng nước nông hơn để đảm bảo năng lượng sóng được bảo toàn và cuối cùng sóng bị vỡ tại điểm mà độ cao sóng xấp xỉ bằng độ sâu. Điểm này được gọi là điểm sóng đổ. Nhìn chung, điểm đổ của một chuỗi sóng không phải là một điểm cụ thể mà là một vùng bởi vì điểm sóng đổ bị dịch chuyển theo từng sóng tới đo sự không nhất của sóng tới và sự phản xạ của bờ.

2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Theo các nghiên cứu thì ảnh hưởng của đáy lên chuyển động sóng quan sát được khi tỷ lệ giữa độ sâu và độ dài sóng nước sâu nhỏ hơn 0,5, tức là khi độ sâu nhỏ hơn ½ độ dài sóng. Như thế, khi sóng lan truyền vào vùng bờ, dưới tác động ảnh hưởng của nền đáy như độ dốc, sự giảm độ sâu, độ gồ ghề của đáy, sóng bị thay đổi các đặc trưng của nó. Trên thực tế, khi sóng truyền vào vùng nước nông thì xảy ra các hiện tượng: biến dạng sóng, khúc xạ sóng, tán xạ sóng, phản xạ sóng, phá hủy sóng và tiêu tán năng lượng. Khi sóng truyền vào vùng ven bờ, do biến đổi không đồng nhất của địa hình đáy đã gây ra khúc xạ, phản xạ sóng cũng như tiêu tán năng lượng sóng xảy ra không đồng đều, do đó, dòng động năng của sóng tại các điểm khác nhau là khác nhau; thêm vào đó là sự đổ nhào của các sóng tại vùng sóng đổ đã dồn một lượng nước vào vùng gần bờ tạo ra các ứng suất không đồng nhất trong dải ven bờ này.

Chính những nguyên nhân trên đã tạo ra các dao động mực nước có chu kì dài hơn nhiều chu kì của các sóng tới và tạo nên hệ thống dòng chảy phức tạp trong vùng ven bờ gọi là dòng chảy sóng. Trên thực tế, dòng chảy phát sinh do sóng đóng vai trò quan trọng trong việc di chuyển trầm tích đáy và lơ lửng và làm thay đổi đáng kể địa hình bờ [10].2 Vận chuyển bùn cát Trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, việc tính toán vận chuyển bùn cát ở vùng ven bờ là nội dung hết sức quan trọng, vì bùn cát chính là yếu tố trung gian trong quá trình gây nên hiện tượng xói lở hay bồi lấp ở bờ biển. Biết được lượng vận chuyển bùn cát ven bờ thì mới có thể dự báo được sự biến đổi của đường bờ trong điều kiện tự nhiên cũng như đánh giá được ảnh hưởng của các công trình xây dựng sau này. Việc tính toán vận chuyển bùn cát ở biển rất phức tạp do quá trình vận chuyển bùn cát ở biển không những chịu tác động của dòng chảy mà còn chịu ảnh hưởng của các dao động mực nước do thủy triều, các tác động của sóng và vô số các lực tạo thành dòng chảy khác nhau và liên tục biến đổi.

Trong biển cát có thể chuyển động bởi dòng chảy (do thủy triều, gió hoặc sóng) hoặc bởi sóng, hoặc thông thường nhất là cả sóng và gió tác động cùng nhau. 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Cát được vận chuyển bởi các quá trình cơ bản là cuốn theo, dịch chuyển và lắng đọng. Ba quá trình này xảy ra đồng thời và có thể tác động tương hỗ với nhau: Sự cuốn theo xảy ra là kết quả của ma sát tác động lên đáy biển bởi dòng chảy và/hoặc sóng, với việc khuyếch tán rối có thể mang hạt lên trạng thái lơ lửng; Sự dịch chuyển xảy ra do hạt lăn, nhảy và trượt dọc theo đáy thích ứng với ma sát, và trong trường hợp đáy dốc là do trọng lực. Nó được biết đến như dòng di dáy, và là hình thức vận chuyển chủ đạo đối với các dòng chảy chậm và/hoặc các hạt lớn.

Nếu dòng chảy đủ nhanh (hoặc sóng đủ lớn) và hạt đủ mịn, cát sẽ bị đưa đi vào trạng thái lơ lửng ở độ cao vài mét trên đáy và được dòng chảy mang đi. Hình thức vận chuyển này được biết đến như dòng lơ lửng và thường lớn hơn rất nhiều so với dòng di đáy; Lắng đọng xảy ra khi hạt nằm trong dòng di đáy hoặc ra khỏi trạng thái lơ lửng. Trong hầu hết thời gian, sự cuốn theo của một số hạt vào trạng thái lơ lửng và sự chìm lắng của một số hạt khác xuống đáy do trọng lượng của chúng có thể xảy ra đồng thời. Di đáy là phương thức chủ đạo của vận chuyển đối với vận tốc dòng chảy nhỏ và/hoặc kích thước hạt lớn.

Cát thô và cuội sỏi chủ yếu được vận chuyển như dòng di đáy. Đối với dòng chảy mạnh vượt quá ngưỡng lơ lửng, dòng di đáy vẫn sẽ xảy ra, nhưng số lượng cát được mang vào trạng thái lơ lửng thường sẽ lớn hơn nhiều so với được mang đi bởi dòng di đáy, đặc biệt đối với cát mịn. Trong tự nhiên, sóng đóng vai trò chủ đạo trong việc khuấy trầm tích lên khỏi đáy biển, cũng như tạo ra các dòng chảy chuyển động ổn định như dòng chảy dọc bờ, dòng sóng dội, vận tốc vận chuyển khối lượng làm cho trầm tích vận chuyển. Sự bất đối xứng của vận tốc dưới đỉnh sóng và chân sóng là một nguồn khác của sự vận chuyển trầm tích ròng.

Vận chuyển trầm tích mạnh nhất trong vùng ven bờ thường thấy dưới các sóng đổ, hoặc trong vùng sóng đổ trên bãi hoặc trên bờ cát. Sóng gây ra vận chuyển trầm tích bằng một số cơ chế: - Sóng cuốn theo trầm tích nhiều hơn so với dòng chảy và khuếch tán chúng thông qua lớp biên sóng. Khi có mặt dòng chảy, rối do dòng chảy sinh ra làm khuếch tán trầm tích lơ lửng lên cao hơn và mang chúng đi với dòng chảy ròng; 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - Khi bị vỡ trên bãi sóng phát sinh dòng chảy dọc bờ, dòng này vận chuyển trầm tích dọc theo bờ; - Vận tốc quỹ đạo dưới đỉnh sóng lớn hơn dưới chân sóng và do đó cuốn theo nhiều trầm tích hơn. Chúng gây ra vận chuyển trầm tích ròng theo hướng lan truyền sóng (nói chung hướng vào bờ); - Vận chuyển khối lượng nước theo hướng lan truyền sóng được sản sinh trong lớp biên sóng, mang trầm tích theo hướng sóng; - Trong vùng sóng đổ, sóng sản sinh vận tốc dòng sóng dội sát đáy hướng ra khơi, mang trầm tích ra xa bờ.

Sóng vỗ bờ, đặc biệt là sóng bão có thể phá hủy bờ gây xói lở tạo ra vật liệu vụn cơ học cuốn ra ngoài theo dòng ngược chiều sát đáy và lắng đọng ở bãi triều và ở sườn bờ ngầm theo nguyên lý phân dị cơ học: gần bờ hạt thô, càng xa bờ độ hạt càng mịn. Sóng vỗ bờ thường ít khi vuông góc với bờ do hướng gió quy định. Vì vậy trong quá trình sóng vỗ bờ đã tạo ra sự di chuyển vật liệu trầm tích dọc bờ theo một đường đi ziczac. Sóng đóng vai trò dồn đẩy vật liệu từ đáy biển nông xa bờ vào sát bờ thường tạo nên các thể trầm tích đặc trưng: đê cát ven bờ, bar cát ngầm.3 Mô hình mô phỏng sóng ven bờ Việc nghiên cứu trường sóng đã được thực hiện từ rất sớm.

Có thể kể đến việc nghiên cứu và phát triển mô hình từ hệ phương trình Mild Slope. Việc tính toán bằng phương trình này khá phổ biến tuy nhiên việc mô tả lan truyền sóng dựa trên lý thuyết sóng tuyến tính sẽ không được đảm bảo tại khu vực ven bờ khi mà sóng lan truyền vào bờ thì tính phi tuyến của sóng càng tăng lên. Việc nghiên cứu mô phỏng được hệ thống dòng chảy phát sinh do sóng rất có ý nghĩa thực tiễn. Thông thường, mô phỏng dòng chảy sóng được thực hiện thông qua việc giải hệ phương trình nước nông thủy tĩnh truyền thống với nguồn lực là trường ứng suất sóng ven bờ được tính toán theo lý thuyết sóng tuyến tính (sóng biên độ nhỏ) thông qua phân bố độ cao sóng và hướng sóng trong khu vực sóng đổ ven 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.

Việc mô phỏng này còn nhiều vấn đề chưa được thỏa đáng do hệ phương trình sử dụng là thủy tĩnh thuần túy. Trong khi đó, sóng tồn tại trong khu vực ven bờ với địa hình biến đổi đáng kể thì tính thủy tĩnh của phân bố áp suất không còn chủ đạo mà tính phi thủy tĩnh tăng lên đáng kể. Thêm vào đó, việc mô phỏng bằng hệ phương trình Mild Slope thiếu vắng việc mô phỏng tương tác giữa sóng với sóng và giữa sóng với dòng chảy, bỏ qua phản xạ. Chính điều này đã làm cho việc mô phỏng sóng và dòng chảy do sóng còn nhiều hạn chế và chưa tiếp cận được với việc mô phỏng hệ thống dòng chảy ven bờ thực tiễn [2].