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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
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].