Luận văn thạc sĩ về tính toán sóng bất đối xứng vùng ven bờ biển

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tính toán sóng bất đối xứng vùng ven bờ biển, thuộc chuyên ngành cơ kỹ thuật 60520101, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thảo
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Tiến Khiêm
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên Cứu Sóng Bất Đối Xứng Vùng Ven Bờ Biển
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SÓNG BẤT ĐỐI XỨNG VÙNG VEN BỜ BIỂN
• 1.1. Định nghĩa về sóng bất đối xứng vùng ven bờ biển
• 1.2. Vai trò của sóng bất đối xứng trong tính toán vận chuyển bùn cát
• 1.3. Những nghiên cứu về tính toán sóng bất đối xứng
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SÓNG BẤT ĐỐI XỨNG VÙNG VEN BỜ BIỂN
• 2.1. Tính toán theo phương pháp 1 (Isobe và Horikawa, 1982; Grasmeijer và Ruessink, 2003)
• 2.2. Tính toán theo phương pháp 2 (Abreu và nnk, 2010; Ruessink và nnk, 2012)
• 2.3. Các bước tính toán
• 2.3.1. Các bước tính toán cho phương pháp 1
• 2.3.2. Các bước tính toán cho phương pháp 2
• 3. CHƯƠNG 3: SỐ LIỆU ĐO ĐẠC TẠI PHÒNG THÍ NGHIỆM VÀ TẠI HIỆN TRƯỜNG
• 3.1. Số liệu đo đạc trong phòng thí nghiệm của trường ĐHCN Delft, Hà Lan
• 3.2. Số liệu đo đạc tại hiện trường vùng biển Egmond, Hà Lan
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ SÓNG BẤT ĐỐI XỨNG VÀ SO SÁNH VỚI SỐ LIỆU ĐO ĐẠC
• 4.1. Các chỉ số đánh giá
• 4.2. Tính toán và so sánh với số liệu đo đạc của trường ĐHCN Delft, Hà Lan
• 4.3. Tính toán và so sánh với số liệu đo đạc vùng biển Egmond, Hà Lan
• 4.4. Tính toán lan truyền sóng ngẫu nhiên
• 4.5. Tính toán các tham số sóng bất đối xứng theo Phương pháp 1
• 4.6. Tính toán các tham số sóng bất đối xứng theo Phương pháp 2
• 5. CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG CÁC KẾT QUẢ NHẬN ĐƯỢC ĐỂ TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÙNG VEN BỜ BIỂN DO SÓNG BẤT ĐỐI XỨNG
• 5.1. Vận chuyển bùn cát đáy
• 5.2. Vận chuyển bùn cát lơ lửng
• 5.3. Các bước tính toán
• 5.3.1. Các bước chuẩn bị
• 5.3.2. Các bước tính toán thông lượng vận chuyển bùn cát đáy
• 5.3.3. Các bước tính toán thông lượng vận chuyển bùn cát lơ lửng
• 5.4. Kết quả tính toán vận chuyển bùn cát do sóng bất đối xứng
• 5.5. Tính toán cho các thí nghiệm B1 và B2 của trường ĐHCN Delft, Hà Lan
• 5.6. Tính toán cho vùng ven bờ biển Egmond, Hà Lan
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề tài

Nghiên cứu về sóng bất đối xứng vùng ven bờ biển có ý nghĩa quan trọng trong lĩnh vực hải dương học và kỹ thuật bờ biển. Sóng biển là một hiện tượng tự nhiên phức tạp, ảnh hưởng đến nhiều yếu tố như địa hình bờ biển, vận chuyển bùn cát, và môi trường biển. Khi sóng lan truyền vào vùng ven bờ, chúng thường chuyển từ dạng đối xứng sang dạng bất đối xứng, dẫn đến sự thay đổi trong động lực học của sóng. Điều này có thể gây ra hiện tượng xói mòn hoặc bồi tụ bùn cát, ảnh hưởng đến sự ổn định của bờ biển. Do đó, việc hiểu rõ về tác động sóng và các quá trình liên quan là cần thiết để quản lý và bảo vệ vùng ven bờ. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc dự đoán và ứng phó với các hiện tượng tự nhiên như bão, lũ lụt.

II. Định nghĩa về sóng bất đối xứng

Sóng bất đối xứng được định nghĩa là sóng có hình dạng không đối xứng, với đỉnh sóng nhọn và bụng sóng dẹt. Khi sóng di chuyển vào vùng nước nông, đặc điểm sóng này trở nên rõ rệt hơn. Sóng bất đối xứng có thể gây ra sự chênh lệch trong vận tốc quỹ đạo sóng giữa hướng vào bờ và hướng ra ngoài khơi. Điều này dẫn đến sự dịch chuyển bùn cát theo hướng vào bờ, tạo ra các đụn cát và ảnh hưởng đến địa hình đáy biển. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sóng bất đối xứng có vai trò quan trọng trong việc hình thành và phục hồi địa hình đáy biển sau các cơn bão. Sự hiểu biết về sóng bất đối xứng không chỉ giúp cải thiện các mô hình tính toán mà còn hỗ trợ trong việc quản lý bờ biển hiệu quả.

III. Mô hình tính toán sóng bất đối xứng

Mô hình tính toán sóng bất đối xứng được phát triển dựa trên các phương pháp số trị và thực nghiệm. Các nghiên cứu của Grasmeijer và Ruessink (2003) cùng với Isobe và Horikawa (1982) đã cung cấp nền tảng cho việc tính toán các tham số sóng như vận tốc quỹ đạo sóng và thông lượng vận chuyển bùn cát. Việc áp dụng các mô hình này cho phép dự đoán chính xác hơn về hành vi của sóng trong vùng ven bờ. Các bước tính toán bao gồm việc xác định các tham số sóng từ số liệu đo đạc thực tế và so sánh với các kết quả tính toán. Điều này không chỉ giúp kiểm tra độ chính xác của mô hình mà còn cung cấp thông tin quý giá cho việc quản lý và bảo vệ bờ biển.

IV. Ứng dụng kết quả nghiên cứu

Kết quả từ nghiên cứu về sóng bất đối xứng có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong việc tính toán vận chuyển bùn cát vùng ven bờ biển. Việc hiểu rõ về tác động sóng giúp các nhà quản lý có thể dự đoán và ứng phó với các hiện tượng như xói mòn bờ biển, bồi tụ cát, và các thay đổi địa hình đáy biển. Các phương pháp tính toán được phát triển trong nghiên cứu này có thể được áp dụng để tối ưu hóa các biện pháp bảo vệ bờ biển, từ đó giảm thiểu thiệt hại do thiên tai. Hơn nữa, nghiên cứu này cũng góp phần vào việc phát triển các mô hình dự đoán cho các hiện tượng tự nhiên khác liên quan đến môi trường biển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sóng bất đối xứng vùng ven bờ biển là hiện tượng sóng có đỉnh nhọn hơn và bụng dẹt hơn so với sóng đối xứng ngoài khơi, gây ra sự chênh lệch vận tốc quỹ đạo sóng hướng vào bờ và ra ngoài khơi. Hiện tượng này đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển bùn cát ngang bờ, ảnh hưởng trực tiếp đến sự thay đổi địa hình đáy biển, xói mòn và bồi tụ bờ biển. Theo ước tính, vùng ven bờ biển có độ sâu mực nước nhỏ hơn 10 m, nơi sóng trọng lực bề mặt chiếm ưu thế về năng lượng. Nghiên cứu tập trung vào tính toán các tham số sóng bất đối xứng như vận tốc quỹ đạo sóng cực đại hướng vào bờ và ra ngoài khơi, từ đó xác định thông lượng vận chuyển bùn cát ngang bờ do sóng bất đối xứng gây ra.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm vùng sóng đổ cách bờ từ vài mét đến vài trăm mét, với số liệu đo đạc thực nghiệm tại phòng thí nghiệm trường Đại học Công nghệ Delft và hiện trường vùng biển Egmond, Hà Lan. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình số tính toán sóng bất đối xứng và vận chuyển bùn cát, đồng thời so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực tế để đánh giá độ chính xác. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn trong kỹ thuật bờ biển, đặc biệt đối với các quốc gia có đường bờ biển dài như Việt Nam, giúp dự báo và quản lý xói mòn, bồi tụ bờ biển hiệu quả hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết sóng phi tuyến và mô hình sóng Boussinesq bậc cao để mô tả sóng bất đối xứng vùng ven bờ. Hai phương pháp tính toán chính được áp dụng:

1. Phương pháp 1: Dựa trên công trình của Isobe và Horikawa (1982) và cải tiến bởi Grasmeijer và Ruessink (2003). Phương pháp này sử dụng hệ số hiệu chỉnh vận tốc quỹ đạo sóng tại sát đáy, phụ thuộc vào độ cao sóng và độ sâu mực nước, để tính vận tốc quỹ đạo sóng cực đại hướng vào bờ và ra ngoài khơi. Các tham số trung gian như độ chênh vận tốc quỹ đạo sóng và thời gian lan truyền đỉnh, bụng sóng được xác định qua các công thức toán học cụ thể.

2. Phương pháp 2: Dựa trên công trình của Abreu và cộng sự (2010) và tham số hóa bởi Ruessink và cộng sự (2012). Phương pháp này mô tả vận tốc quỹ đạo sóng lớp sát đáy bằng một hàm tổng quát có tham số phi tuyến và tham số xác định hình dạng sóng, phụ thuộc chặt chẽ vào số Ursell – một đại lượng đặc trưng cho tính phi tuyến của sóng. Phương pháp này phù hợp với sóng ngẫu nhiên và cho phép tính toán gia tốc quỹ đạo sóng tức thời.

Các khái niệm chính bao gồm: vận tốc quỹ đạo sóng cực đại (uc, ut), số Ursell (Ur), tham số độ dẹt (Sk), tham số độ bất đối xứng (As), và các tham số Shields dùng trong tính toán vận chuyển bùn cát.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm số liệu đo đạc tại phòng thí nghiệm bể sóng trường Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) và số liệu hiện trường vùng biển Egmond, Hà Lan, thu thập trong khoảng thời gian từ năm 1997 đến 2001. Cỡ mẫu gồm nhiều vị trí đo đạc sóng và dòng chảy với các tham số sóng như độ cao sóng, chu kỳ sóng, vận tốc quỹ đạo sóng cực đại hướng vào bờ và ra ngoài khơi.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô hình số EBED cải tiến để tính toán lan truyền sóng ngẫu nhiên vùng ven bờ.
• Tính toán các tham số sóng bất đối xứng theo hai phương pháp đã nêu.
• Sử dụng các chỉ số thống kê như sai số tương đối trung bình bình phương (rel.rmse), độ lệch tương đối (rel.bias), chỉ số độ rộng phân tán (s.i), và hệ số tương quan bình phương (r²) để đánh giá độ chính xác mô hình so với số liệu thực tế.
• Tính toán vận chuyển bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng dựa trên các công thức của Camenen và Larson (2005, 2007, 2008), sử dụng các tham số sóng bất đối xứng làm đầu vào.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ thu thập số liệu, hiệu chỉnh mô hình, tính toán tham số sóng bất đối xứng, đến ứng dụng mô hình tính toán vận chuyển bùn cát và so sánh kết quả với số liệu thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chính xác mô hình lan truyền sóng ngẫu nhiên: Mô hình EBED cải tiến cho kết quả tính toán độ cao sóng hữu hiệu phù hợp rất tốt với số liệu đo đạc tại 6 vị trí vùng ven bờ Egmond, với sai số tương đối trung bình khoảng 10% và hệ số tương quan bình phương r² đạt 0.95, chứng tỏ mô hình có khả năng dự báo chính xác.

2. So sánh hai phương pháp tính vận tốc quỹ đạo sóng bất đối xứng: Phương pháp 1 cho kết quả vận tốc quỹ đạo sóng cực đại hướng vào bờ (uc) phù hợp hơn với số liệu đo đạc tại phòng thí nghiệm Delft và hiện trường Egmond, với sai số tương đối trung bình khoảng 4% và hệ số tương quan r² = 0.65. Phương pháp 2 có sai số thấp hơn về mặt tuyến tính (r² = 0.69) nhưng sai số trung bình và độ lệch tương đối lớn hơn, đặc biệt tại vị trí gần bờ.

3. Vận chuyển bùn cát do sóng bất đối xứng: Thông lượng vận chuyển bùn cát đáy chiếm ưu thế so với bùn cát lơ lửng, đặc biệt tại đỉnh ba cát và vùng sóng đổ ven bờ. Kết quả tính toán theo phương pháp 1 cho thông lượng vận chuyển bùn cát tổng cộng lớn hơn gần 2-3 lần so với phương pháp 2 tại các vị trí này. Tại vùng ngoài khơi và đáy ba cát, sự khác biệt giữa hai phương pháp nhỏ hơn.

4. Ảnh hưởng của điều kiện sóng ngoài khơi: Tại các thời điểm sóng ngoài khơi nhỏ, trung bình và lớn, thông lượng vận chuyển bùn cát đáy và lơ lửng tăng theo điều kiện sóng. Thông lượng vận chuyển tập trung chủ yếu ở lân cận đỉnh ba cát gần bờ, với giá trị thông lượng theo phương pháp 1 lớn hơn phương pháp 2 từ 2 đến 3 lần.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy mô hình EBED cải tiến kết hợp với các phương pháp tính toán sóng bất đối xứng có thể mô phỏng chính xác quá trình lan truyền sóng và vận tốc quỹ đạo sóng tại vùng ven bờ. Sự khác biệt giữa hai phương pháp tính vận tốc quỹ đạo sóng bất đối xứng chủ yếu do cách tham số hóa và giả định về hình dạng sóng. Phương pháp 1 dựa trên các công thức bán thực nghiệm có hiệu chỉnh từ số liệu đo đạc, phù hợp với sóng đều và sóng ngẫu nhiên trong vùng ven bờ. Phương pháp 2 mô tả sóng ngẫu nhiên tốt hơn về mặt lý thuyết nhưng có sai số lớn hơn trong thực tế do tham số hóa phức tạp.

Việc vận chuyển bùn cát đáy chiếm ưu thế so với bùn cát lơ lửng phù hợp với các nghiên cứu trước đây, phản ánh vai trò quan trọng của sóng bất đối xứng trong việc hình thành và duy trì địa hình đáy biển. Sự chênh lệch lớn về thông lượng vận chuyển bùn cát giữa hai phương pháp tại vùng gần bờ cho thấy cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện mô hình, đặc biệt trong điều kiện sóng phức tạp và địa hình đáy biến đổi.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh vận tốc quỹ đạo sóng cực đại hướng vào bờ và ra ngoài khơi, cũng như biểu đồ thông lượng vận chuyển bùn cát đáy và lơ lửng tại các vị trí đo đạc, giúp minh họa rõ ràng sự phù hợp và khác biệt giữa mô hình và số liệu thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Hoàn thiện mô hình tính toán sóng bất đối xứng: Cần tiếp tục nghiên cứu và hiệu chỉnh các tham số trong phương pháp 2 để giảm sai số và tăng độ chính xác, đặc biệt trong vùng ven bờ có địa hình phức tạp. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cơ kỹ thuật và hải dương học đảm nhận.

2. Mở rộng thu thập số liệu thực địa: Tăng cường quan trắc sóng và vận chuyển bùn cát tại nhiều vùng ven bờ khác nhau, đặc biệt tại Việt Nam, nhằm cung cấp dữ liệu hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình. Thời gian thực hiện 2-3 năm, phối hợp giữa các cơ quan quản lý biển và viện nghiên cứu.

3. Ứng dụng mô hình trong quản lý bờ biển: Sử dụng kết quả mô hình để dự báo xói mòn, bồi tụ bờ biển, hỗ trợ thiết kế công trình bảo vệ bờ và quy hoạch phát triển kinh tế biển. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý tài nguyên biển và môi trường, thời gian áp dụng liên tục theo kế hoạch quản lý vùng bờ.

4. Phát triển phần mềm tính toán tự động: Xây dựng công cụ phần mềm tích hợp mô hình EBED và các phương pháp tính sóng bất đối xứng, giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư dễ dàng áp dụng trong thực tế. Thời gian phát triển 1 năm, do các nhóm nghiên cứu công nghệ thông tin và kỹ thuật biển phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành cơ kỹ thuật và kỹ thuật biển: Nghiên cứu chuyên sâu về sóng bất đối xứng và vận chuyển bùn cát, phát triển mô hình số và ứng dụng trong kỹ thuật bờ biển.

2. Kỹ sư thiết kế công trình bờ biển và cảng biển: Áp dụng mô hình tính toán vận chuyển bùn cát để thiết kế các công trình chống xói mòn, bảo vệ bờ và duy trì ổn định địa hình đáy biển.

3. Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường biển: Sử dụng kết quả nghiên cứu để dự báo biến đổi bờ biển, lập kế hoạch quản lý và bảo vệ môi trường ven bờ hiệu quả.

4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật biển, cơ kỹ thuật: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình tính toán và ứng dụng thực tiễn trong luận văn để phát triển đề tài nghiên cứu tiếp theo.

Câu hỏi thường gặp

1. Sóng bất đối xứng là gì và tại sao nó quan trọng?
   Sóng bất đối xứng là sóng có đỉnh nhọn hơn và bụng dẹt hơn so với sóng đối xứng, gây chênh lệch vận tốc quỹ đạo sóng hướng vào bờ và ra ngoài khơi. Nó quan trọng vì ảnh hưởng trực tiếp đến vận chuyển bùn cát ngang bờ, gây xói mòn hoặc bồi tụ bờ biển.

2. Hai phương pháp tính toán sóng bất đối xứng khác nhau như thế nào?
   Phương pháp 1 dựa trên công thức bán thực nghiệm hiệu chỉnh từ số liệu đo đạc, phù hợp với sóng đều và ngẫu nhiên. Phương pháp 2 mô tả sóng ngẫu nhiên bằng hàm tổng quát với tham số phi tuyến, phù hợp lý thuyết nhưng có sai số lớn hơn trong thực tế.

3. Mô hình EBED cải tiến có ưu điểm gì?
   Mô hình EBED cải tiến mô phỏng chính xác lan truyền sóng ngẫu nhiên vùng ven bờ, phù hợp với số liệu thực tế, giúp tính toán các tham số sóng bất đối xứng và vận chuyển bùn cát hiệu quả.

4. Vận chuyển bùn cát đáy và lơ lửng khác nhau thế nào?
   Vận chuyển bùn cát đáy là sự di chuyển của hạt bùn cát sát đáy do tác động của sóng và dòng chảy, chiếm ưu thế trong vận chuyển bùn cát ngang bờ. Vận chuyển bùn cát lơ lửng là sự di chuyển của hạt bùn cát trong lớp nước lơ lửng, thường nhỏ hơn vận chuyển đáy.

5. Nghiên cứu này có thể ứng dụng ở đâu?
   Nghiên cứu có thể ứng dụng trong thiết kế công trình bảo vệ bờ, dự báo xói mòn bờ biển, quản lý tài nguyên ven bờ và phát triển bền vững kinh tế biển, đặc biệt tại các quốc gia có đường bờ biển dài như Việt Nam.

Kết luận

• Nghiên cứu đã phát triển và hiệu chỉnh thành công mô hình số tính toán sóng bất đối xứng vùng ven bờ dựa trên hai phương pháp chính, phù hợp với số liệu đo đạc phòng thí nghiệm và hiện trường tại Hà Lan.
• Mô hình EBED cải tiến mô phỏng chính xác lan truyền sóng ngẫu nhiên và các tham số sóng bất đối xứng, làm cơ sở cho tính toán vận chuyển bùn cát ngang bờ.
• Vận chuyển bùn cát đáy chiếm ưu thế so với bùn cát lơ lửng, với thông lượng vận chuyển phụ thuộc mạnh vào tính bất đối xứng của sóng.
• Kết quả tính toán theo phương pháp 1 phù hợp hơn với số liệu thực tế tại vùng ven bờ, trong khi phương pháp 2 có tiềm năng phát triển cho sóng ngẫu nhiên phức tạp.
• Đề xuất tiếp tục hoàn thiện mô hình, mở rộng thu thập số liệu và ứng dụng mô hình trong quản lý bờ biển tại Việt Nam và các vùng ven bờ khác.

Next steps: Triển khai nghiên cứu mở rộng tại các vùng ven bờ Việt Nam, phát triển phần mềm tính toán tự động, và phối hợp với các cơ quan quản lý để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực kỹ thuật biển nên áp dụng và phát triển mô hình này để nâng cao hiệu quả quản lý và bảo vệ bờ biển trong bối cảnh biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế biển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SÓNG BẤT ĐỐI XỨNG VÙNG VEN BỜ BIỂN Chương này trình bày định nghĩa về sóng bất đối xứng, vai trò của sóng bất đối xứng trong tính toán vận chuyển bùn cát, và một số công trình nghiên cứu tính toán tiêu biểu về sóng bất đối xứng. Định nghĩa về sóng bất đối xứng vùng ven bờ biển Ở ngoài khơi nơi có độ sâu lớn, sóng thường có dạng đối xứng. Tuy vậy, khi lan truyền vào vùng ven bờ, do độ sâu giảm và sóng bị vỡ nên sóng không bảo toàn được hình dạng đối xứng. Sóng khi đó có dạng bất đối xứng với đỉnh sóng nhọn hơn, thời gian lan truyền qua đỉnh sóng ngắn và bụng của sóng bị dẹt hơn, thời gian lan truyền qua bụng sóng dài.

Tính bất đối xứng của sóng càng thể hiện rõ khi sóng tiến tới gần bờ (Hình 1. Sóng bất đối xứng đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình vận chuyển bùn cát theo hướng ngang bờ, hình thành những đụn cát trong vùng sóng đổ và phục hồi địa hình đáy biển sau những cơn bão. Do đó, nghiên cứu về sóng bất đối xứng là cần thiết trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển, đặc biệt là mô phỏng sự thay đổi địa hình đáy biển do sóng và dòng chảy. sóng đối xứng sóng đỉnh nhọn, bụng dẹt sóng bất đối xứng Hình 1.

Hình dạng sóng ngoài khơi và sóng vùng gần bờ Sóng bất đối xứng đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ rất sớm. Công trình tiên phong trong nghiên cứu về sóng bất đối xứng có thể thuộc về nhà nghiên cứu Stokes (1847). Khi đó ông đã quan sát được sóng bất đối xứng có đỉnh sóng nhọn hơn và thời gian lan truyền qua đỉnh sóng ngắn còn bụng sóng lại dẹt hơn và thời gian lan truyền qua bụng sóng dài. Cornish (1898) quan sát trong phòng thí nghiệm đã thấy những hạt cát thô được dịch chuyển hướng vào bờ do vận tốc quỹ đạo sóng hướng bờ nhiều hơn so với dịch chuyển hướng ra ngoài khơi do vận tốc quỹ đạo sóng hướng ra ngoài khơi.

Kết quả thí nghiệm đó đã khẳng định đúng những quan sát, nhận xét trước đây của Stokes (1847). Tính bất đối xứng đó dẫn tới sự chênh lệch của vận tốc quỹ đạo sóng hướng vào bờ và hướng ra ngoài khơi. Như trên Hình 1.1 cho thấy, ở ngoài khơi nơi có độ sâu lớn, vận tốc quỹ đạo sóng có dạng hình tròn. Tuy vậy, khi ở vùng nước nông thì vận tốc quỹ đạo sóng có dạng hình eliptic.

Độ sâu càng giảm thì độ dẹt của hình eliptic đó càng thể hiện rõ do có sự chênh lệch giữa vận tốc quỹ đạo sóng hướng vào bờ và 13 z hướng ra ngoài khơi. Độ chênh vận tốc quỹ đạo sóng được biểu diễn qua hệ số R sau (Ribberink và Al-Salem, 1994): uc R (1.1) u c  ut trong đó: uc là vận tốc quỹ đạo sóng cực đại hướng vào bờ tại lớp sát đáy, ut là vận tốc quỹ đạo sóng cực đại hướng ra ngoài khơi tại lớp sát đáy. Đối với sóng đối xứng thì giá trị R = 0. Khi giá trị vận tốc quỹ đạo sóng tại đỉnh sóng lớn hơn vận tốc quỹ đạo sóng tại bụng sóng thì R > 0.

Trong trường hợp ngược lại, tức là giá trị vận tốc quỹ đạo sóng tại đỉnh sóng nhỏ hơn tại bụng sóng thì R < 0.5, nhưng thường không xảy ra khi sóng truyền vào vùng ven bờ. Trong một số thí nghiệm cho thấy sóng có hình dạng răng cưa trong vùng sóng đổ (Svendsen và nnk, 1978; Elgar và Guza, 1985), trong đó, giá trị độ chênh vận tốc quỹ đạo R là rất lớn (Torres-Freyermuth, 2007). Khi đó, người ta thường dùng khái niệm độ chênh gia tốc quỹ đạo sóng khi xét tới yếu tố bất đối xứng của sóng. Giá trị đại lượng này được tính bởi công thức sau: ac  (1.2) ac  at trong đó:  là độ chênh gia tốc quỹ đạo sóng, ac là gia tốc cực đại của chuyển động hạt nước theo phương ngang tại đỉnh sóng, và at là gia tốc cực đại của chuyển động hạt nước theo phương ngang tại bụng sóng.

Trong trường hợp sóng đối xứng thì  =0.5, tương ứng với gia tốc quỹ đạo sóng cực đại tại đỉnh sóng và tại bụng sóng có độ lớn bằng nhau. Một số tham số khác mô tả độ chênh gia tốc quỹ đạo sóng đã được các nhà nghiên cứu đặt ra như chỉ số nghiêng vận tốc (  cw ) do Watanabe và Sato (2004) giới thiệu hoặc tham số dẹt của sóng (  ) do Suntoyo và nnk (2008) đề xuất. Các tham số này được tính bởi các công thức sau: T  cw  1  c (1.4) T Trong đó: T là chu kỳ sóng, và Tc là thời gian lan truyền đỉnh sóng. Dựa vào một số lượng lớn số liệu đo đạc hiện trường ở vùng ven bờ, Elfrink và nnk (2006) đã đưa ra giới hạn của các thông số phi tuyến R và  nằm trong khoảng sau: 0.6) Điều đó cho thấy, tính bất đối xứng của sóng trong vùng ven bờ đã được thể hiện rõ rệt trong thực tế.

14 z Ngoài ra, còn có một số định nghĩa khác về sóng bất đối xứng. Ví dụ như Adeyemo (1968), dựa theo số liệu thí nghiệm thực hiện trong bể sóng để mô phỏng quá trình lan truyền sóng trong bể từ có độ dốc từ 1:8 đến 1:4, đã định nghĩa sự bất đối xứng sóng (Hình 1.2) như sau: Bất đối xứng theo chiều thẳng đứng = ac/H Bất đối xứng theo độ dốc = (độ dốc a + độ dốc b)/2 Bất đối xứng theo chiều ngang (1) = khoảng cách (1)/ khoảng cách (2) Bất đối xứng theo chiều ngang (2) = khoảng cách (3)/ khoảng cách (4) Hình 1. 2: Định nghĩa sóng bất đối xứng theo Adeyemo (1968) Trong tính toán sóng bất đối xứng, tham số độ dẹt (Sk) và độ bất đối xứng (As) cũng thường được sử dụng và có thể được tính toán dưới dạng sau (Brinkkemper, 2013): 3  Sk  (1.8)   2 3/2 trong đó:  là dao động mực nước trung bình, H là toán tử Hilbert, dấu < > thể hiện giá trị trung bình cho nhiều con sóng. Tham số Sk và As phụ thuộc chặt chẽ vào số Ursell được tính bởi công thức: H rms L2 Ur  (1.9) d3 với Hrms là độ cao sóng trung bình quân phương, L là chiều dài bước sóng và d là độ sâu mực nước.

Theo nghiên cứu của Ruessink và nnk (2012), tham số Sk và As là những hàm số phụ thuộc chặt chẽ vào số Ursell.04, giá trị Sk và As sẽ tiến tới 0 (sóng hình sin).04, giá trị Sk tăng dần tới giá trị cực đại là 0.63 (Ur ≈ 1) và sau đó giảm dần tới giá trị 0. Giá trị As hầu như bằng 0 khi Ur < 0.2, sau đó As giảm dần tới giá trị -0. Kết quả của nghiên cứu này phù hợp với các kết quả nghiên cứu trước đây của Kuriyama và nnk (1990), Doering và Bowen (1995), Elfrink và nnk (2006), trong đó chỉ ra rằng các tham số sóng bất đối xứng chỉ phụ thuộc vào số Ursell mà không phụ thuộc vào độ dốc đáy biển.3: Sự phụ thuộc của tham số độ dẹt vào số Ursell 0.4: Sự phụ thuộc của tham số độ bất đối xứng vào số Ursell 1. Vai trò của sóng bất đối xứng trong tính toán vận chuyển bùn cát Trong trường hợp sóng đối xứng, thì tổng lượng bùn cát dịch chuyển trong một chu kỳ sóng là bằng 0.

Tuy vậy, ở vùng gần bờ, sóng thường có dạng bất đối xứng dẫn đến chênh lệch vận tốc quỹ đạo sóng (Hình 1. Do đó, sự vận chuyển bùn cát trong vùng này sẽ là sự chênh lệch giữa lượng dịch chuyển bùn cát xảy ra dưới đỉnh sóng và dưới bụng sóng. u uc û t ut Tc Tt T Hình 1.5: Vận tốc quỹ đạo sóng vùng ven bờ biển 16 z Mối liên hệ giữa sóng bất đối xứng và vận chuyển bùn cát đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu trong những thập kỷ gần đây và đã thu được những thành tựu đáng kể. Chẳng hạn như, nghiên cứu của Inman và Bagnold (1963) đã cho thấy tầm quan trọng của sóng bất đối xứng trong sự cân bằng động biến động mặt cắt đáy biển.

Well (1967) đã tính toán sự vận chuyển bùn cát theo công thức của Bagnold (1963, 1966), trong đó sử dụng một số lượng sóng Stokes hữu hạn để xác định sự thay đổi chênh lệch vận tốc quỹ đạo sóng vùng ven bờ. Bowen (1980), Bailard và Inman (1981) đã phát triển mô hình của Bagnold (1963) trong đó tính đến trường vận tốc tức thời và độ chênh lệch vận tốc quỹ đạo sóng. Do mối liên hệ phi tuyến giữa vận tốc dòng chảy và thông lượng vận chuyển bùn cát, sóng bất đối xứng thường gây ra hiện tượng bùn cát dịch chuyển hướng vào phía bờ. Tầm quan trọng của sóng bất đối xứng đối với vận chuyển bùn cát ngang bờ cũng đã được phân tích trong các nghiên cứu của Elfrink và nnk (1999), Doering và nnk (2000).

Dibajnia và Watanabe (1992) đã xây dựng một công thức tính vận chuyển bùn cát là một hàm của thời gian lan truyền đỉnh sóng, thời gian lan truyền bụng sóng, và lượng bùn cát được bứt phá và lắng đọng trong thời gian đó. Ribberink (1998) cũng đã thiết lập một công thức tính toán thông lượng vận chuyển bùn cát đáy tức thì do sóng. Khác với công thức của Bailard và Inman (1981), công thức của Ribberink (1998) là một hàm số phụ thuộc vào tham số Shields tức thì và tham số Shields tới hạn. Nielsen (1992) đã tính đến ảnh hưởng của sóng bất đối xứng trong vận chuyển bùn cát đáy bằng cách bổ sung vào thành phần ứng suất đáy.

Gonzalez-Rodriguez và Madsen (2007) đã chỉ ra tầm quan trọng của sóng bất đối xứng đối với vận chuyển bùn cát đáy dựa theo hệ số ma sát biến đổi theo thời gian và độ lệch pha. Những nghiên cứu của Camenen và Larson (2005, 2007, 2008) đã xây dựng công thức tổng quát tính toán vận chuyển bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng trong đó có xét đến yếu tố sóng bất đối xứng. Những so sánh và đánh giá dựa trên nhiều bộ số liệu trong phòng thí nghiệm và hiện trường cho thấy các công thức tính toán của Camenen và Larson phù hợp tốt với số liệu đo đạc. Những nghiên cứu về tính toán sóng bất đối xứng Trong những năm gần đây, những mô hình được phát triển dựa theo hệ phương trình Boussinesq bậc cao (ví dụ như Elgar và Guza, 1986; Elgar và nnk, 1990; Madsen và nnk, 1997; Veeramony và Svendsen, 2000; Kennedy và nnk, 2000,.