Mô Hình Tính Dòng Chảy Sóng Khu Vực Gần Bờ: Tổng Quan và Ứng Dụng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô hình hai chiều tính dòng chảy do sóng khu vực gần bờ, cung cấp kiến thức và ứng dụng trong thực tiễn.

• Đề tài: Mô Hình Tính Dòng Chảy Sóng Khu Vực Gần Bờ: Nghiên Cứu và Ứng Dụng

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DÒNG CHẢY VÀ SÓNG KHU VỰC GẦN BỜ
• 1.1. Dòng chảy khu vực gần bờ
• 1.2. Trường sóng khu vực gần bờ
• 1.2.1. Hiệu ứng biến dạng và khúc xạ
• 1.2.2. Hiệu ứng nhiễu xạ
• 1.2.3. Hiệu ứng phản xạ
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH TÍNH DÒNG CHẢY SÓNG GẦN BỜ
• 2.1. Ứng suất bức xạ sóng
• 2.2. Mô hình một chiều tính dòng chảy sóng dọc bờ của Longuet-Higgins
• 2.3. Mô hình hai chiều tính dòng chảy sóng gần bờ
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HAI CHIỀU TÍNH DÒNG CHẢY SÓNG GẦN BỜ
• 3.1. Sơ đồ khối của mô hình
• 3.2. Sai phân hóa và viết chương trình
• 3.3. Kiểm chứng mô hình qua bài toán mẫu
• 3.4. Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình trong điều kiện thực tế
• 4. CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MÔ HÌNH HAI CHIỀU TÍNH DÒNG CHẢY SÓNG TRONG ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ
• 4.1. Áp dụng tính cho vùng biển Lý Hòa-Quảng Bình
• 4.2. Áp dụng tính cho vùng biển Hải Hau-Nam Định
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Dòng Chảy Sóng Gần Bờ Tầm Quan Trọng

Nghiên cứu dòng chảy sóng khu vực gần bờ đóng vai trò then chốt trong việc hiểu và dự đoán các quá trình động lực ven biển. Khu vực này là nơi diễn ra sự tương tác phức tạp giữa sóng biển, dòng chảy ven bờ, thủy triều và khí tượng thủy văn. Hiểu rõ tác động của sóng lên bờ biển là yếu tố sống còn để quản lý bờ biển bền vững, dự báo xói lở và bảo vệ các công trình biển. Các mô hình tính toán ngày càng được hoàn thiện để mô phỏng chính xác các hiện tượng này, đóng góp vào việc dự báo sóng ven biển và đưa ra các giải pháp hiệu quả.

1.1. Giới thiệu về động lực học vùng gần bờ

Vùng gần bờ là một hệ thống động lực phức tạp, nơi năng lượng sóng đóng vai trò chủ đạo. Các quá trình như biến đổi sóng gần bờ, khúc xạ sóng, và nhiễu xạ sóng ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành dòng chảy ven bờ và tác động của sóng lên bờ biển. Việc nghiên cứu mô hình hóa sóng biển gần bờ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các quá trình này.

1.2. Tại sao cần nghiên cứu dòng chảy sóng

Nghiên cứu dòng chảy sóng khu vực gần bờ có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực. Nó giúp dự đoán xói lở bờ biển, đánh giá tác động của sóng lên bờ biển, thiết kế và xây dựng công trình biển một cách an toàn và hiệu quả, đồng thời hỗ trợ công tác quản lý và bảo vệ môi trường ven biển.

II. Thách Thức Độ Chính Xác Mô Hình Hóa Sóng Gần Bờ Hiện Nay

Mặc dù có nhiều tiến bộ, việc mô hình hóa sóng biển gần bờ vẫn đối mặt với nhiều thách thức. Sự phức tạp của địa hình đáy biển, sự tương tác giữa sóng và dòng chảy, và thiếu hụt dữ liệu sóng chính xác là những rào cản lớn. Các mô hình hiện tại cần cải thiện khả năng mô phỏng các hiện tượng như sóng vỡ (wave breaking) và dòng chảy đứt đoạn, vốn có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình xói lở bờ biển. Cần có những nghiên cứu sâu hơn về mô hình thủy động lực học và thu thập dữ liệu sóng chi tiết hơn để nâng cao độ tin cậy của dự báo.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình

Độ chính xác của mô hình số trị sóng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng dữ liệu độ sâu, độ phân giải của lưới tính, sự lựa chọn phương pháp số, và khả năng mô phỏng các quá trình vật lý phức tạp như biến đổi sóng gần bờ, tác động của sóng lên bờ biển, và xói lở bờ biển.

2.2. Những hạn chế của các mô hình hiện tại

Các mô hình hiện tại còn nhiều hạn chế trong việc mô phỏng chính xác các hiện tượng sóng vỡ và dòng chảy đứt đoạn, đặc biệt trong điều kiện địa hình đáy biển phức tạp. Việc thiếu các thuật toán hiệu quả để mô phỏng quá trình trao đổi năng lượng sóng và tương tác giữa sóng và dòng chảy cũng là một thách thức.

III. Phương Pháp Tính Toán Dòng Chảy Sóng Mẫu Mô Hình Phổ Biến

Có nhiều mô hình số trị sóng được sử dụng để tính toán dòng chảy sóng, mỗi mô hình có ưu và nhược điểm riêng. Các mô hình phổ biến bao gồm Mô hình SWAN, Mô hình Delft3D, và Mô hình Mike 21. Các mô hình này dựa trên các phương trình thủy động lực học để mô phỏng sự lan truyền và biến đổi của sóng biển. Việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu, đặc điểm khu vực khảo sát và nguồn lực tính toán. Việc tích hợp thêm các mô-đun về vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình là xu hướng phát triển hiện nay.

3.1. Giới thiệu về mô hình SWAN Simulating WAves Nearshore

Mô hình SWAN là một mô hình phổ biến để mô phỏng sự lan truyền sóng trong vùng ven biển. Nó dựa trên phương trình cân bằng năng lượng sóng và có khả năng mô phỏng các quá trình như khúc xạ sóng, nhiễu xạ sóng, biến dạng sóng, và sóng vỡ. Mô hình SWAN được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về tác động của sóng lên bờ biển và xói lở bờ biển.

3.2. Mô hình Delft3D và ứng dụng trong tính toán dòng chảy

Mô hình Delft3D là một hệ thống mô hình tích hợp được sử dụng để mô phỏng các quá trình thủy lực, dòng chảy, và vận chuyển bùn cát. Nó có khả năng mô phỏng sự tương tác giữa sóng biển, dòng chảy ven bờ, và địa hình đáy biển, làm cho nó trở thành một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu dòng chảy sóng và các quá trình biến đổi địa hình.

IV. Ứng Dụng Dự Báo Xói Lở Bờ Biển Thiết Kế Công Trình Biển

Kết quả từ mô hình hóa sóng biển gần bờ được ứng dụng rộng rãi trong việc dự báo xói lở bờ biển, thiết kế công trình biển, và quản lý bờ biển bền vững. Việc hiểu rõ tác động của sóng lên bờ biển giúp đưa ra các giải pháp bảo vệ bờ biển hiệu quả, như xây dựng kè chắn sóng hoặc bãi biển nhân tạo. Ngoài ra, mô hình còn được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến chế độ sóng và bờ biển, từ đó đề xuất các biện pháp thích ứng phù hợp. Ứng dụng mô hình sóng vào thực tế là yếu tố then chốt để giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo vệ tài sản ven biển.

4.1. Ứng dụng trong dự báo xói lở bờ biển

Các mô hình dòng chảy sóng được sử dụng để dự đoán xói lở bờ biển bằng cách mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát do sóng và dòng chảy gây ra. Kết quả mô phỏng giúp xác định các khu vực dễ bị xói lở và đánh giá hiệu quả của các biện pháp bảo vệ bờ biển.

4.2. Ứng dụng trong thiết kế công trình biển

Các mô hình sóng được sử dụng để tính toán tải trọng sóng lên các công trình biển như đê biển, kè chắn sóng, và cảng biển. Kết quả tính toán giúp thiết kế các công trình có khả năng chịu được tác động của sóng và đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.

4.3. Ứng dụng trong quản lý rủi ro thiên tai bờ biển

Mô hình sóng giúp đánh giá tác động của sóng thần, bão, và mực nước dâng do biến đổi khí hậu lên các vùng ven biển, từ đó đề xuất các biện pháp phòng tránh và giảm thiểu thiệt hại.

V. Kết Luận Tương Lai Nghiên Cứu Mô Hình Dòng Chảy Sóng Ven Bờ

Nghiên cứu mô hình dòng chảy sóng vẫn là một lĩnh vực đầy tiềm năng và cần được đầu tư phát triển. Các hướng nghiên cứu trong tương lai tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của mô hình, tích hợp các mô-đun về biến đổi khí hậu và hệ sinh thái ven biển, và phát triển các công cụ dự báo sóng ven biển thời gian thực. Sự kết hợp giữa mô hình hóa sóng biển và dữ liệu quan trắc từ vệ tinh và các trạm đo sẽ mang lại những hiểu biết sâu sắc hơn về động lực ven biển và góp phần vào sự phát triển bền vững của các vùng ven biển. Sự phát triển của kỹ thuật biển và khí tượng thủy văn là yếu tố quan trọng thúc đẩy sự tiến bộ trong lĩnh vực này.

5.1. Hướng phát triển của mô hình hóa sóng biển

Các hướng phát triển chính bao gồm: cải thiện độ chính xác của mô hình, tích hợp các quá trình vật lý phức tạp, sử dụng dữ liệu quan trắc để hiệu chỉnh mô hình, và phát triển các mô hình dự báo sóng thời gian thực.

5.2. Vai trò của dữ liệu quan trắc trong hiệu chỉnh mô hình

Dữ liệu sóng từ các trạm đo, phao, và vệ tinh đóng vai trò quan trọng trong việc hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình số trị sóng. Việc tích hợp dữ liệu đo đạc sóng giúp cải thiện độ tin cậy của mô hình và nâng cao khả năng dự báo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TONG QUAN VỀ DONG CHAY VÀ SÓNG KHU VUC GAN BO 1.1- Dòng chảy khu vực gần bờ Khu vực gần bờ được xác định là khu vực từ mép nước khi có sóng, bao gốm cả mực nước dâng do sóng và sóng leo đến độ sâu khoảng 2 lần độ cao sóng cực đại năm. Độ sâu này cũng được gọi là độ sâu gianh giới của các biến động đáy và bờ biển do sóng (depth of closure) [7]. Với cách xác định nêu trên khu vực gần bờ là khu vực tác động của dải sóng đổ, là khu vực xảy ra các biến động bờ và đáy biển. Dòng chảy tại khu vực gần bờ là dòng chảy tổng hợp của các loại dòng chảy do các yếu tố động lực biển gây ra.

Dòng chảy tổng cộng khu vực gần bờ được biểu thị thông qua các dòng chảy thành phần như sau [7]: U=Ù,„+ÙU,+U +U +U, (1.1) Trong đó: U,, dòng chảy do sóng, U dong triéu, U, dòng chảy do gió, U, dòng chảy do dao động của sóng ria ven bờ và U, dòng chảy do sóng trọng trường.1- Dòng chảy do sóng 2 Dòng chảy do sóng khi sóng truyền không thẳng góc với đường bờ thường chiếm ưu thế tại vùng gần bờ. Ngoài ra dòng triều, dòng chảy sông (tại các vùng cửa sông) và đòng chảy ổn định do gió cũng có các vai trò nhất định trong dòng chảy tổng cộng vùng gần bờ. Dòng chảy do sóng được sinh ra do gradient của thông lượng mô men sóng (ứng suất bức xạ sóng) khi truyền vào vùng ven bờ. Ứng suất bức xa sóng tỷ lệ với bình phương của độ cao sóng, do vậy rất dễ hiểu là tại dai sóng đổ trở vào bờ, khi độ cao sóng giảm đáng kể do hiệu ứng sóng đổ, gradien dòng năng lượng sóng sẽ lớn nhất nên tạo ra dòng chảy sóng chiếm ưu thế đối với các thành phần dòng chảy khác.

Từ điểm sóng đổ trở ra khơi dòng chảy sóng sẽ giảm rất nhanh và phụ thuộc ao hiệu ứng trao đổi rối ngang (lateral friction). Từ dải sóng đổ trở vào bờ do quá trình sóng vỡ, chuyển động hỗn loạn tăng tạo ra quá trình trao đổi rối ngang mạnh, cộng với dòng chảy dọc bờ do sóng nên lượng bùn cát chủ yếu được vận chuyển trong khu vực này. Dòng chảy do sóng có thể là dòng chảy có hướng song song với bờ và thẳng góc với bờ. Dòng chảy do sóng theo hướng song song với bờ thường ổn định và khá đồng nhất trên toàn cột nước do tác động xáo trộn rất mạnh của sóng trong vùng sóng đổ.

Khác với dòng chảy sóng dọc bờ, dòng chảy sóng ngang bờ thay đổi mạnh theo các tầng nước. Lượng nước chuyển động theo hướng truyền sóng vào phía bờ sẽ được tập trung tại các đỉnh và bụng sóng. Do không có dòng vận chuyển khối nước tịnh về phía bờ, nên lượng vận chuyển nước về phía bờ tại đỉnh sóng sẽ được cân bằng với lượng vận chuyển nước theo hướng ra khơi tại bụng sóng và tạo ra dòng chảy ngược từ bờ ra khơi rất mạnh tại tầng đáy (có thể đạt tới 8-10% của [gd )[9]. Phân bố thẳng đứng của dòng chảy ngược ra khơi được xác định bởi sự cân bằng giữa ứng suất bức xạ sóng, lực gradien của áp suất mặt nước nghiêng (mực nước dâng do sóng) và lực trao đổi rối thẳng đứng.

Như vậy dòng chảy sóng theo hướng ngang bờ rất phức tạp và thường là có độ phân tầng rất mạnh theo độ sâu. Trong trường hợp địa hình đáy biển ở vùng ven bờ phức tạp với các hệ bar sẽ tạo ra dòng chảy đứt đoạn. Dòng chảy đứt đoạn được hình thành bởi dòng chảy sóng dọc bờ, tăng dần từ đỉnh bar và đạt cực đại tại gianh giới giữa các bar và chuyển hướng ra khơi. Các mô hình tính dòng chảy dọc bờ do sóng sẽ được trình bày chỉ tiết trong chương 2.2- Dòng triều Dòng triều, khác han với dòng chảy sóng, là dòng chảy tuần hoàn theo chu kỳ bán nhật triéu hay nhật triều hoặc hỗn hợp giữa hai chu kỳ trên và khi vào vùng gần bờ dòng triều luôn có hướng song song với đường bờ.

chất tuần hoàn nên dòng triều thường không đóng vai trò quyết định đối với các quá trình vận chuyển bùn cát và bồi xói vùng ven bờ. Tuy nhiên tại các công trình biển, đặc biệt là các kênh ra vào cảng, dưới tác động của trọng lực, lượng bùn cát bị sa lắng xuống đáy kênh tại chu kỳ triều lên hoặc xuống sẽ không có khả năng bốc lên trong chu kỳ triểu ngược lại, trong trường hợp đó ảnh hưởng của dòng ‘riéu sẽ rất lớn. Quy luật chung của dòng triều vùng gần bờ là giảm dần khi vào bờ do ảnh hưởng của ma sát đáy. Hệ số ma sát đáy được xác định [10]: C, = —— (1.2) KHI | 20 Với: C, hệ số ma sát đáy không thứ nguyên, x hệ số Von Karman (= 0.4), d_ độ sâu, Z) độ phồ ghé của đáy biển.

Dong triều tại các vị trí có độ sâu d được tính theo công thức sau: r,=c la #Z dy (1.3) Với: V, t tốc độ dòng triều tại điểm tính, C hệ số Chezy, C= |-Š- Cy “ độ nghiêng của mặt nước doc bờ dưới tác động của thuỷ triều. dv d Khi In—=l hay d=ez thi Cy > © va C- 0, theo (1. 7o Nhu vậy tại độ sâu d = ez, thì tốc độ dòng chảy bằng 0. Từ công thức (1.2) cho thấy khi độ sâu giảm, ma sát đáy sẽ tăng đáng kể và như vậy tốc độ dòng triều sẽ giảm khi vào khu vực nước nông gần bờ.1: Dạng phân bố dòng triều và dòng chảy do sóng theo mặt cắt vuông góc với bờ [10].3- Dòng chảy do gió Dòng chảy gió tại vùng ven bờ được nghiên cứu khá kỹ trong các tài liệu động lực biển và đã được tính toán phục vụ xây dựng công trình biển vùng ven bờ Việt Nam [6].

Tại vùng gần bờ, dòng chảy gió có hướng song song với đường bờ, ảnh hưởng của ma sát đáy và địa hình đường bờ đóng vai trò rất lớn tới tốc độ của dòng chảy gió. Các tính toán mô hình cho thấy với tốc độ gió 10m/s thổi ổn định dọc bờ trong thời gian đủ dài sẽ tạo ra dòng chảy dọc bờ khoảng 10cm/s [16]. Kết quả trên cho thấy dòng chảy gió nói chung đóng vai trò không lớn so với dòng chảy sóng tại khu vực phía trong vùng sóng đổ. Tuy nhiên từ vùng sóng đổ ra khơi, do dòng chảy sóng giảm rất nhanh và dòng chảy gió lại tăng do hệ số ma sát đáy giảm làm cho vai trò của dòng chảy gió trở nên đáng kể.

Khi hướng gió thổi tạo với đường bờ một góc œ thì ứng suất lôi kéo của gió lên mặt nước được xác định như sau [16]: t,, =k,pW* sina (1.4) với: 7„„ ứng suất gid lên mặt nước theo hướng song song với bờ, k„ hệ số ma sát của gió, øØ mật độ nước, W tốc độ gió, Ứng suất ma sát đáy được tính như sau: ry =C, pV (1.5) với: V,, là tốc độ dòng chảy do gió, trung bình theo độ sâu, se € r là hệ số ma sát đáy. Tại khu vực gần bờ, dòng chảy gió luôn luôn có hướng song song với đường bờ. Giả sử rằng dòng chảy gió ổn định trong thời gian xem xét thì khi đó lực ứng suất lôi kéo do gió lên mặt nước phải cân bằng với luc ma sát đáy, cân bằng (1.5) ta được: C, pV,” = k, pw? sina suy ra V, =W |—sina (1.6) Trong đó, C ; được xác định theo (1.6) cho thấy, cũng như dối với dòng triều, dòng chảy gió khi vào vùng gần bờ cũng giảm nhanh theo độ sâu do hệ số ma sát tăng nhanh.4- Dòng chảy do sóng rìa và sóng dài trọng trường Khi truyền vào vùng gần bờ, dưới tác động của sự bất đồng nhất các yếu tố sóng, trường sóng suất hiện các loại sóng ria và sóng dai trọng trường. Sóng ria có nguồn gốc từ biến động tốc độ nhóm của sóng dọc theo bờ và sóng dài trọng trường phát sinh do bất đồng nhất của dải sóng đổ theo trục vuông góc với bờ tại vùng gần bờ.

Hai loại sóng này tạo ra các dòng chảy tuần hoàn, gây vận chuyển bùn cát và biến động đáy và bờ biển, tạo ra các hệ bar tuần hoàn và dòng chảy đứt doạn tại vùng gần bờ. Việc nghiên cứu các loại dòng chảy do sóng rìa và sóng đài trọng trường còn đang ở những giai đoạn ban đầu, chưa có được các kết qua tính toán dự báo như đối với dòng chảy do sóng, thuỷ triéu và do gió .2- Trường sóng khu vực gần bờ Tại khu vực gần bờ, trường sóng đóng vai trò quyết định đến các quá trình biến đổi địa hình và bồi xói bờ biển. Dưới đây sẽ đưa ra các hiệu ứng chính của trường sóng tại vùng gần bờ có liên quan trực tiếp đến dòng chảy sóng.1- Hiệu ứng biến dạng và khúc xạ Khi truyền vào vùng ven bờ, dưới tác dụng của độ sâu giảm dan cùng với sự ảnh hưởng của địa hình đáy biển và bờ biển sẽ làm thay đổi các yếu tố sóng và hướng truyền sóng. Sự thay đổi trên sẽ gây ra các vùng hội tụ hoặc phân kỳ năng lượng sóng và hậu quả của nó là tạo ra dòng chảy sóng gây biến đổi đáy biển, bờ biển và tác động lên các công trình xây dựng ven biển.

Hiện tượng biến đổi dạng sóng thông qua sự biến đổi tốc độ nhóm sóng dưới tác động của độ sâu (khi vào. gần bờ, độ sâu giảm sẽ làm bước sóng giảm và độ cao sóng tăng) gọi là hiệu ứng nước nông và được tính toán thông qua hệ số biến dạng hay hệ số nước nông. 10 Su thay đổi tốc độ pha dọc theo đỉnh sóng sẽ xảy ra khi sóng truyền nghiêng góc so với đường bờ, bởi vì phần đỉnh sóng chịu ảnh hưởng của ma sát đáy nhỏ hơn nên sẽ truyền nhanh hơn so với phần bụng sóng. Sự thay đổi tốc độ này sẽ làm cho đỉnh sóng quay dần sao cho các đường đỉnh sóng song song với đường đẳng sâu.

Hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ sóng. Hiện tượng khúc xạ sóng có các ý nghĩa quan trọng sau đây đối với trường sóng vùng gần bờ: a) Khúc xạ sóng làm thay đổi độ cao sóng và hậu quả của nó là thay đổi năng lượng sóng dọc theo đường bờ. b) Sự thay đổi hướng sóng do hiệu ứng khúc xa có thể tạo ra các vùng hội tụ hoặc phân kỳ năng lượng sóng và tác động trực tiếp đến các công trình và bờ biển. c) Khúc xa tác động đến đáy biển, gây biến đổi đáy biển ở vùng gần bờ.