CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN 1. Khái quát chung về nước dâng do sóng và ảnh hưởng của nước dâng do sóng 1. Các thuật ngữ liên quan đến nước dâng do sóng Nước dâng nói chung có thể xem như sự biến đổi mực nước có chu kỳ dài dưới tác động của gió, khí áp lên một khu vực cụ thể. Nước dâng được hình thành bởi các thành phần như gió, áp suất khí quyển và sóng trong bão.
Nước dâng do bão là hiện tượng mực nước biển dâng cao hơn mức bình thường dưới tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khí tượng khi có bão. NDDB thường xảy ra trên một đoạn bờ biển khoảng 100 dặm hoặc hơn. Mặc dù tần suất xuất hiện không nhiều nhưng nó lại rất nguy hiểm do mực nước thường dâng cao và bất ngờ, gây hậu quả nghiêm trọng cho khu vực ven biển. Nước dâng do sóng là sự tăng lên của mực nước trung bình do sự truyền của năng lượng sóng lên cột nước trong quá trình truyền sóng và đặc biệt là quá trình sóng đổ.
Các nghiên cứu về lý thuyết cũng như mô hình số trị cho thấy, nước dâng do sóng có độ lớn đáng kể tại vùng nước nông ven bờ do độ sâu giảm. Theo các đánh giá khác nhau, khoảng thời gian tối thiểu để hình thành nước dâng do sóng là 1 giờ. Trong các cơn bão, thời gian kéo dài nước dâng do sóng trùng với thời gian của sóng bão và tồn tại trong nhiều giờ. Các nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh sự đóng góp đáng kể của nó vào mực nước cực trị trong bão tại các điểm ven bờ [11].
Trong những đợt gió mùa mạnh, nước dâng do sóng có thể kéo dài đến hàng ngày [12].1 Sơ đồ mô tả các thuật ngữ về nước dâng do bão, nước dâng do sóng. 7 Đối với bãi biển tự nhiên, những biến đổi của mực nước và đặc trưng sóng có thể dẫn đến những biến đổi của mặt cắt ngang cũng như hình dạng bãi biển. Hệ quả quan trọng nhất là hiện tượng xói lở bờ. Trong trường hợp sóng bão, sự biến đổi của mặt cắt ngang bão biển là đáng kế và đòi hỏi một khoảng thời gian dài mới có thể phục hồi được [13].
Phạm vi ảnh hưởng và tác động của nước dâng do sóng tới bãi biển Phạm vi ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới bãi biển thường trong khu vực nước nông ven bờ, khu vực chịu tác động mạnh nhất thuộc vùng sóng tràn (Swash zone), đây là một khu vực có biến động mạnh và có chế độ thủy động lực rất phức tạp.2 Hình thái bãi biển [14].2 chỉ ra các khái niệm cơ bản, thành phần cấu tạo của địa hình bờ biển. Bờ phía trong là vùng phía trong của bãi biển hoặc bờ biển có ranh giới từ vị trí mực nước cao trung bình đến rãnh xói của đụn cát; Bờ phía ngoài là vùng có ranh giới từ vị trí mực nước trung bình cao nhất đến vị trí mực nước trung bình thấp nhất, vùng này bao gồm đới sóng vỡ và vùng sóng tràn; Đới sóng vỡ là vùng có ranh giới từ mực nước trung bình thấp nhất đến vị trị trí sóng vỡ hoàn toàn; Vùng sóng tràn là khu vực sóng tràn lên bãi sau khi vỡ hoàn toàn; Vùng sóng vỡ của bờ là vùng phía trong của đới sóng vỡ ngoài, có giới hạn là vị trí mực nước thấp nhất; Đới sóng vỡ ngoài là vùng có ranh giới từ khi sóng đổ lần đầu đến vị trí ngoài của đới sóng vỡ ngoài. Vùng sóng đổ là khu vực từ giới hạn ngoài của đới sóng đổ và điểm sóng bổ nhào. 8 Trong các nghiên cứu của Butt & Russell (1999), Masselink & Puleo (2006), Bakhtyar et al (2009) 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 [15], [16], [17].
Nghiên cứu của 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. Thứ nhất 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 [18]. Đối với bãi biển cát, hình dạng của bãi biển thay đổi liên tục dưới tác động của sóng gió và dòng chảy và đặc biệt là thay đổi đáng kể trong thời gian xảy ra bão.
Một cơn bão có thể làm xói lở mạnh chân và sườn ngoài của cồn cát và đưa phần lớn lượng cát bị xói lở ở chân và sườn ngoài ra khu vực gần bờ tạo thành các bar, làm phẳng bãi biển và khiến nó rộng hơn. Mất cát từ một đụn cát dưới sự tác động của sóng, chủ yếu do quá trình tạo rãnh, sạt lở và sụt lún.3 Cơ chế phá hủy đụn cát ven bờ [19]. Sự tác động của NDDS vào các đụn cát có thể làm một phần của mặt ngoài đụn cát bị sụp đổ hoặc cũng có thể tạo ra một vết nứt sâu ở chân đụn cát dẫn đến sự sụp đổ của cả mảng đất cát phía trên đụn cát, bắt đầu bởi sự nứt do kéo ở bề mặt trên cùng của cồn cát, 9 sau đó là sự cố trượt dọc theo mặt phẳng hư hỏng bên trong hoặc bị lật do trọng lượng của phần nhô ra. Lớp trầm tích bị sụt này sẽ trượt xuống dưới, nơi nó có thể bị xói mòn thêm lần nữa bởi các quá trình do sóng gây ra.
Sau đó, trầm tích được vận chuyển ra biển, nơi nó sẽ lắng xuống ở vùng nước sâu hơn phía ngoài tạo thành các bar chắn phía ngoài. Ngoài tác động gây xói lở bãi biển, hiệu ứng NDDS tại các bãi biển có độ dốc khác nhau có thể gây ra hiện tượng dòng Rip, là nguyên nhân của các vụ đuối nước của người dân cũng như du khách tắm biển, nghỉ dưỡng. a) Nước dâng vươn phía trên b) Tác động bào mòn mặt bãi c) Nước rút mang bùn cát các đụn cát và phá hủy chân đụn cát khỏi vị trí ban đầu Hình 1.4 Hình ảnh minh họa tác động NDDS đến xói lở chân đụn cát tại bãi Tân Mỹ, Cửa Đại trong đợt bão tháng 10/2016. Tổng quan các nghiên cứu về nước dâng do sóng trên thế giới Trên thế giới, nước dâng do sóng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu từ những năm 1960 sau lý thuyết ban đầu được nghiên cứu của Longuet-Higgins (1962) và Longuet-Higgins và Stewart (1963, 1964) [20], [21], [22].
Các nghiên cứu này lần đầu đưa ra khái niệm về ứng xuất bức xạ và mối quan hệ với NDDS tại các điểm ven bờ.5 Ứng suất bức xạ sóng [23]. 10 Ứng suất bức xạ được đưa ra như sau: 1 Sxx = E(ncos 2 θ + n − ) (1. 2) 2 E Sxy = Syx = sin2θ (1. 3) 2 trong đó: Sxx, Syy, Sxy, Syx là các thành phần của ứng suất bức xạ theo các hướng x và y; E là mật độ năng lượng sóng, n là tỉ số giữa vận tốc nhóm sóng và vận tốc sóng; là góc giữa hướng sóng và trục x.
Nếu không xét đến tác động của ứng suất gió thì sự biến đổi của mực nước trong một chu kỳ sóng được đưa ra như sau: ∂(η̅) 1 ∂Sxx ∂Sxy (1. 5) ∂y ρg(h + η̅) ∂y ∂x trong đó, là thành phần nước dâng do ứng suất sóng, là mật độ nước biển, g là gia tốc trọng trường, h là độ sâu, bx, by là ứng suất đáy theo hướng x, y. Trong trường hợp đơn giản khi sóng truyền vuông góc với hướng bờ và bỏ qua ứng suất mặt và ứng suất đáy. Khi đó sự biến đổi của mực nước trung bình theo phương vuông góc với bờ được đưa ra như sau: ∂(η̅) 1 ∂Sxx (1.
7) 2g Trong đó,u2 vàw2 lần lượt là giá trị tốc độ quỹ đạo sóng trung bình phương ngang và phương thẳng đứng theo thời gian. Phương trình 1.7 là một dạng của phương trình Bernoulli cho dòng chảy không ổn định 11 và với giả thiết là không có biến động mực nước trung bình gây ra bởi sóng tại vùng nước sâu (C = 0) và khi đó nước dâng do sóng có giá trị âm (wave setdown) và được đưa ra như sau: Hb2 k b ̅̅̅b = − η (1. 8) 8sin2k b hb trong công thức (1.8): Hb và kb là độ cao sóng và số sóng tại điểm sóng đổ. Đối với điều kiện nước nông và giới hạn độ sâu sóng đổ (Hb = (h + )), ta có: 𝜅Hb η ̅̅̅b = − (1.
10) 16 3κ2 (1 + ) 8 Có thể thấy rằng, giá trị của nước dâng do sóng phụ thuộc vào chỉ số sóng vỡ κ, giá trị này phụ thuộc vào độ dốc của địa hình đáy biển và các thông số sóng ngoài khơi. Nghiên cứu của Holman R. A (1990), đã sử dụng các dữ liệu đo đạc và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, khẳng định về cấu trúc của trường mực nước, ở vùng sóng không đổ nhào quan sát thấy sự hạ thấp mực nước, còn ở vùng sóng vỗ bờ sự dâng lên. Hơn nữa giữa lý thuyết và thực nghiệm trùng hợp với nhau về định lượng [24], [25].
Lý thuyết Longuet-Higgins − Stewart tỏ ra phù hợp để giải thích sự hình thành của hiện tượng rút và dâng nước do sóng, cũng như giải thích cơ chế hình thành các mạch động vỗ bờ ở đới ven bờ [21]. Bowen và nnk (1968), đã tiến hành một thí nghiệm để kiểm tra lý thuyết này, đã mô phỏng quá trình sóng tràn vào bờ và bị phá hủy ở đới sóng vỗ bờ, kết quả của thí nghiệm được thể hiện trên hình 1. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự phù hợp rất tốt giữa tính toán lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm. Ngoài ra có thể thấy rằng từ lý thuyết, bên ngoài 12 vùng sóng vỗ bờ đã quan sát thấy sự hạ thấp mực nước (nước rút do sóng), còn trong vùng sóng vỗ bờ đã quan sát thấy hiện tượng nước dâng [26].6 Trắc diện mực nước sóng (a) và độ cao sóng (b) theo dữ liệu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm của [26].
Tiếp theo đã có nhiều nghiên cứu về NDDS theo hướng thực nghiệm hiện trường tại các bãi biển phẳng với độ dốc nhỏ đến những bãi biển phức tạp như cửa sông, vũng, vịnh trên thế giới.