Luận Văn Thạc Sĩ: Tính Toán Sóng Bất Đối Xứng Vùng Ven Bờ Biển

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích vnu uet tính toán sóng bất đối xứng vùng ven bờ biển luận văn ths cơ kỹ thuật 60520101, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Nguyễn Thị Thảo
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Tiến Khiêm
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội Trường Đại học Công nghệ
• Chuyên ngành: Cơ Kỹ Thuật
• Đề tài: Tính Toán 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
• 2.4. Các bước tính toán cho phương pháp 1
• 2.5. 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
• 5.4. Các bước chuẩn bị
• 5.5. Các bước tính toán thông lượng vận chuyển bùn cát đáy
• 5.6. Các bước tính toán thông lượng vận chuyển bùn cát lơ lửng
• 5.7. Kết quả tính toán vận chuyển bùn cát do sóng bất đối xứng
• 5.8. Tính toán cho các thí nghiệm B1 và B2 của trường ĐHCN Delft, Hà Lan
• 5.9. 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. Tổng Quan Về Tính Toán Sóng Bất Đối Xứng Vùng Ven Bờ Biển

Tính toán sóng bất đối xứng vùng ven bờ biển là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong hải dương học. Sóng bất đối xứng có ảnh hưởng lớn đến quá trình vận chuyển bùn cát và sự thay đổi địa hình đáy biển. Việc hiểu rõ về sóng bất đối xứng giúp cải thiện các mô hình dự đoán và quản lý bờ biển.

1.1. Định Nghĩa Sóng Bất Đối Xứng Vùng Ven Bờ Biển

Sóng bất đối xứng là loại sóng có hình dạng không đối xứng, thường xuất hiện khi sóng lan truyền vào vùng nước nông. Đặc điểm này dẫn đến sự chênh lệch trong vận tốc quỹ đạo sóng, ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển bùn cát.

1.2. Vai Trò Của Sóng Bất Đối Xứng Trong Tính Toán Vận Chuyển Bùn Cát

Sóng bất đối xứng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định thông lượng vận chuyển bùn cát. Sự chênh lệch giữa vận tốc quỹ đạo sóng hướng vào bờ và ra ngoài khơi tạo ra xu hướng bồi tụ bờ biển.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Tính Toán Sóng Bất Đối Xứng

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về sóng bất đối xứng, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc tính toán chính xác các tham số sóng. Các yếu tố như điều kiện môi trường và sự phức tạp của các quá trình thủy động lực học gây khó khăn cho việc áp dụng các mô hình hiện có.

2.1. Những Thách Thức Trong Việc Thu Thập Dữ Liệu Đo Đạc

Việc thiếu hụt dữ liệu đo đạc chính xác là một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu sóng bất đối xứng. Điều này ảnh hưởng đến khả năng kiểm tra và hiệu chỉnh các mô hình tính toán.

2.2. Sự Phức Tạp Của Các Quá Trình Thủy Động Lực Học

Các quá trình thủy động lực học trong vùng ven bờ rất phức tạp và tương tác phi tuyến, điều này làm cho việc mô phỏng và tính toán sóng bất đối xứng trở nên khó khăn hơn.

III. Phương Pháp Tính Toán Sóng Bất Đối Xứng Hiện Nay

Có nhiều phương pháp được sử dụng để tính toán sóng bất đối xứng, bao gồm các mô hình số và phương pháp thực nghiệm. Những phương pháp này giúp xác định các tham số sóng và thông lượng vận chuyển bùn cát.

3.1. Phương Pháp Tính Toán Theo Nghiên Cứu Của Grasmeijer Và Ruessink

Phương pháp này dựa trên các mô hình số để tính toán sóng bất đối xứng, giúp xác định các tham số như vận tốc quỹ đạo sóng và thông lượng vận chuyển bùn cát.

3.2. Phương Pháp Tính Toán Theo Nghiên Cứu Của Abreu Và Ruessink

Phương pháp này sử dụng các công thức bán thực nghiệm để tính toán sóng bất đối xứng, cung cấp một cách tiếp cận khác để xác định các tham số sóng.

IV. Ứng Dụng Kết Quả Tính Toán Vào Thực Tiễn

Kết quả từ việc tính toán sóng bất đối xứng có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ quản lý bờ biển đến dự đoán sự thay đổi địa hình đáy biển. Những ứng dụng này có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế.

4.1. Ứng Dụng Trong Quản Lý Bờ Biển

Kết quả tính toán giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định chính xác hơn trong việc bảo vệ bờ biển khỏi xói mòn và bồi tụ.

4.2. Ứng Dụng Trong Dự Đoán Thay Đổi Địa Hình Đáy Biển

Việc hiểu rõ về sóng bất đối xứng giúp dự đoán chính xác hơn về sự thay đổi địa hình đáy biển, từ đó có thể lập kế hoạch cho các dự án xây dựng và phát triển.

V. Kết Luận Và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Nghiên cứu về sóng bất đối xứng vùng ven bờ biển vẫn còn nhiều tiềm năng phát triển. Việc cải thiện các phương pháp tính toán và thu thập dữ liệu sẽ giúp nâng cao độ chính xác trong các nghiên cứu tiếp theo.

5.1. Tóm Tắt Những Kết Quả Đạt Được

Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng sóng bất đối xứng có ảnh hưởng lớn đến vận chuyển bùn cát và sự thay đổi địa hình đáy biển.

5.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Mới

Cần tiếp tục nghiên cứu để phát triển các mô hình tính toán chính xác hơn và thu thập dữ liệu đo đạc trong thực tế để cải thiện độ tin cậy của các kết quả.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Dải bờ biển với độ sâu mực nước dưới 10 m là khu vực tập trung hơn 80% động năng sóng biển bị tiêu tán và chuyển hóa thành các dòng chảy ven bờ phức tạp. Khi truyền từ ngoài khơi vào vùng nước nông, sóng biến đổi phi tuyến sâu sắc từ dạng hình sin đối xứng sang dạng sóng dẹt với đỉnh nhọn đáy tù, sau đó trở thành sóng bất đối xứng hình răng cưa nghiêng về phía trước trước khi đổ vỡ. Động lực học này tạo ra sự chênh lệch rõ rệt giữa vận tốc quỹ đạo sóng cực đại hướng vào bờ và hướng ra ngoài khơi tại lớp sát đáy, trở thành tác nhân chính điều khiển thông lượng vận chuyển bùn cát ngang bờ và tái tạo địa hình đáy biển sau bão.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng và kiểm chứng quy trình số trị tính toán chính xác các tham số sóng bất đối xứng, từ đó lượng hóa thông lượng vận chuyển bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng tại đới sóng đổ ven bờ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng ven bờ cách mép nước từ vài mét đến vài trăm mét, sử dụng chuỗi dữ liệu thực nghiệm bể sóng dài 50 m của Đại học Công nghệ Delft cùng chuỗi quan trắc hiện trường liên tục trong 37 ngày tại vùng biển Egmond aan Zee (Hà Lan).

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc nâng cao độ chính xác mô phỏng biến đổi hình thái bờ biển, đạt hệ số tương quan bình phương xấp xỉ 0.95 đối với độ cao sóng lan truyền và kiểm soát sai số vận tốc quỹ đạo đáy dưới 23%. Đây là cơ sở then chốt phục vụ công tác dự báo xói lở, bồi tụ và thiết kế công trình bảo vệ bờ biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học chất lỏng phi tuyến và động lực học trầm tích vùng ven bờ, kết hợp các khung lý thuyết then chốt:

• Lý thuyết lan truyền sóng phi tuyến: Áp dụng hệ phương trình sóng mở rộng Boussinesq thông qua mô hình EBED cải tiến để mô phỏng sự lan truyền sóng ngẫu nhiên trên địa hình đáy biến đổi.
• Lý thuyết biến dạng hình học sóng: Mô tả đặc trưng sóng dẹt thông qua hệ số độ dẹt và sóng bất đối xứng thông qua hệ số độ bất đối xứng phụ thuộc vào số Ursell. Hệ số chênh lệch vận tốc quỹ đạo đáy và độ chênh gia tốc quỹ đạo được xác định dựa trên lý thuyết sóng Stokes bậc cao và sóng Cnoidal.
• Mô hình vận chuyển bùn cát Camenen - Larson: Tính toán thông lượng bùn cát đáy dựa trên tham số Shields tổng cộng tức thời kết hợp tiêu chuẩn vận động bùn cát Shields tới hạn của Soulsby, đồng thời xác định thông lượng bùn cát lơ lửng thông qua hệ số khuếch tán trầm tích suy biến từ mức độ tiêu tán năng lượng sóng vỡ theo Battjes.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô phỏng số trị và phân tích thống kê thực nghiệm:

• Dữ liệu thực nghiệm phòng thí nghiệm: Sử dụng bộ dữ liệu bể sóng kích thước dài 50 m, rộng 0.8 m, cao 1 m của Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan). Mẫu thí nghiệm gồm 10 vị trí đo đạc trên nền cát mịn kích cỡ trung bình 0.095 mm với địa hình một ba cát, thử nghiệm dưới phổ sóng JONSWAP qua hai kịch bản B1 (độ cao sóng 0.15 m) và B2 (độ cao sóng 0.20 m), chu kỳ 2.3 giây.
• Dữ liệu quan trắc hiện trường: Khai thác cơ sở dữ liệu dự án COAST3D tại bãi biển Egmond aan Zee (Hà Lan) với 6 trạm đo độ cao sóng (E1 đến E6) và 5 trạm đo vận tốc đáy liên tục trong 37 ngày từ ngày 15/10/1998 đến ngày 21/11/1998, kích cỡ hạt cát trung bình 0.225 mm trên địa hình hai ba cát song song.
• Phương pháp phân tích số trị: So sánh hai cách tiếp cận: Phương pháp 1 (kết hợp lý thuyết Isobe - Horikawa 1982 và Grasmeijer - Ruessink 2003) và Phương pháp 2 (mô hình giải tích Abreu 2010 kết hợp hàm tham số hóa Boltzmann theo số Ursell của Ruessink 2012). Cỡ mẫu thực nghiệm được chọn đại diện đa dạng theo ba pha thời tiết sóng nhỏ, trung bình và sóng bão lớn nhằm đảm bảo tính tổng quát. Lý do lựa chọn mô hình số bán thực nghiệm là nhằm tối ưu hóa thời gian tính toán mà vẫn bảo toàn bản chất phi tuyến so với các mô hình 3D phức tạp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã lượng hóa chi tiết năng lực mô phỏng của các mô hình thông qua bốn phát hiện nổi bật:

• Độ chính xác lan truyền sóng ngẫu nhiên: Mô hình EBED cải tiến tái hiện hoàn hảo diễn biến sóng ngoài khơi truyền vào bờ tại 6 vị trí đo hiện trường Egmond với hệ số tương quan bình phương đạt 0.95, sai số tương đối trung bình quân phương chỉ 10.95%, chỉ số độ rộng phân tán 0.1144 và độ lệch tương đối ở mức -0.0193.
• Hiệu quả mô phỏng vận tốc quỹ đạo đáy: Tại hiện trường bãi biển Egmond, Phương pháp 2 thể hiện tính ưu việt rõ rệt trong việc xác định vận tốc quỹ đạo cực đại hướng bờ với sai số tương đối 22.07%, hệ số tương quan 0.69 và độ lệch tương đối chỉ 0.0313 (vượt trội so với Phương pháp 1 có sai số 27.04% và độ lệch 0.1289). Đối với vận tốc hướng ra khơi, cả hai phương pháp đều cho kết quả tương đồng với sai số lần lượt là 23.91% và 23.16%.
• Sự áp đảo của bùn cát đáy: Thông lượng vận chuyển bùn cát đáy chiếm ưu thế tuyệt đối, đóng góp hơn 75% đến 85% vào tổng lượng bùn cát dịch chuyển. Tại đỉnh ba cát của thí nghiệm B1, thông lượng bùn cát đáy đạt đỉnh 45.85 m3/m/năm theo Phương pháp 1 và 23.10 m3/m/năm theo Phương pháp 2.
• Sự phân kỳ định lượng giữa hai phương pháp: Kết quả tính toán tổng thông lượng bùn cát theo Phương pháp 1 luôn lớn hơn Phương pháp 2 từ 1.8 đến gần 3 lần tại các vị trí đỉnh ba cát và đới sóng vỡ ven bờ.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt giữa hai phương pháp bắt nguồn từ cơ chế xử lý tham số phi tuyến. Phương pháp 1 dựa trên các công thức bán thực nghiệm trực tiếp theo tỷ số giữa độ cao sóng và độ sâu, có xu hướng ước tính quá cao đỉnh vận tốc hướng bờ trong vùng sóng đổ mạnh. Ngược lại, Phương pháp 2 tham số hóa các hệ số hình dạng sóng theo hàm Boltzmann của số Ursell, phản ánh sát thực tế hơn quá trình biến đổi vận tốc tức thời theo thời gian.

Các kết quả này củng cố các nghiên cứu kinh điển của Camenen và Larson, khẳng định rằng tính bất đối xứng sóng là cơ chế động lực chính thúc đẩy bùn cát dịch chuyển ngược vào bờ để bồi đắp bãi biển trong điều kiện thủy văn thông thường. Toàn bộ dữ liệu được trực quan hóa qua chuỗi biểu đồ biến thiên thời gian, đồ thị tương quan phân tán giữa giá trị tính toán và đo đạc, cùng bảng tổng hợp ma trận 4 chỉ số thống kê, cho phép nhận diện trực quan sai số tại từng đới địa hình.

Đề xuất và khuyến nghị

• Chuẩn hóa tích hợp mô hình tính toán: Đề xuất các viện nghiên cứu chuyên ngành thủy lực tích hợp thuật toán sóng bất đối xứng theo Phương pháp 2 (Abreu - Ruessink) vào các phần mềm mô phỏng biến đổi đáy ven bờ diện rộng, hướng tới mục tiêu giảm sai số dự báo xói bồi xuống dưới 15% trong lộ trình 12 đến 18 tháng.
• Mở rộng mạng lưới trạm quan trắc thủy động lực: Bộ Tài nguyên và Môi trường cần chủ trì thiết lập hệ thống quan trắc sóng và vận tốc đáy liên tục bằng thiết bị đo sóng âm tại các vùng bờ trọng điểm xói lở ở miền Trung và Đồng bằng sông Cửu Long, đảm bảo thời gian thu thập dữ liệu tối thiểu 6 đến 12 tháng liên tục giai đoạn 2024 - 2026.
• Hiệu chỉnh tham số ma sát và trầm tích cục bộ: Các trường đại học khối kỹ thuật cần thực hiện hiệu chuẩn lại hệ số nhám đáy và ngưỡng dịch chuyển Shields cho các cỡ hạt cát đặc thù tại Việt Nam (kích thước hạt từ 0.08 mm đến 0.35 mm), nâng cao hệ số tương quan mô phỏng bùn cát đạt trên 0.80 trong vòng 2 năm tới.
• Ứng dụng trong thiết kế công trình bảo vệ bờ: Các ban quản lý dự án công trình biển cần áp dụng công thức tính toán sóng bất đối xứng để xác định vị trí tối ưu cho đê ngầm giảm sóng và nuôi bãi nhân tạo, giúp cắt giảm 20% đến 30% kinh phí nạo vét duy tu luồng tàu trong chu kỳ vận hành 5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư công trình thủy và thềm lục địa: Nắm vững công thức tính toán trường vận tốc đáy và lực sóng bất đối xứng tác dụng lên chân công trình biển, phục vụ thiết kế ổn định đê kè, đường ống ngầm và công trình ngoài khơi.
• Chuyên gia quản lý tài nguyên và quy hoạch đới bờ: Khai thác các đánh giá định lượng về thông lượng vận chuyển cát ngang bờ để xây dựng bản đồ cảnh báo sạt lở, quy hoạch các dự án nuôi bãi nhân tạo phục hồi bờ biển bền vững.
• Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Cơ kỹ thuật, Thủy văn biển: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang phương pháp luận hoàn chỉnh về mô hình hóa số trị sóng phi tuyến, kỹ thuật lập trình mô phỏng và phương pháp kiểm chứng số liệu đo đạc thực tế chuẩn quốc tế.
• Doanh nghiệp tư vấn hàng hải và nạo vét luồng tàu: Ứng dụng mô hình dự báo bồi lắng bùn cát sát đáy để lập kế hoạch nạo vét thông minh, tối ưu hóa biểu đồ vận hành thiết bị và tiết kiệm chi phí dự án.

Câu hỏi thường gặp

Sóng bất đối xứng khác biệt như thế nào so với sóng đối xứng thông thường ngoài khơi?

Sóng ngoài khơi là sóng đối xứng dạng hình sin với vận tốc đỉnh và bụng sóng bằng nhau, khiến tổng lượng bùn cát dịch chuyển trong một chu kỳ bằng 0. Khi vào vùng nước nông dưới 10 m, sóng biến dạng thành sóng dẹt với đỉnh nhọn và sóng bất đối xứng hình răng cưa nghiêng về phía trước, tạo ra vận tốc hướng bờ lớn hơn vận tốc hướng biển, dẫn tới hiện tượng vận chuyển bùn cát tịnh vào bờ.

Tại sao số Ursell lại đóng vai trò quyết định trong việc tính toán sóng bất đối xứng?

Số Ursell biểu thị tỷ số giữa tính phi tuyến và hiệu ứng phân tán của sóng nước nông, được tính từ độ cao sóng, chiều dài bước sóng và độ sâu mực nước. Khi số Ursell tăng từ 0.04 lên trên 10, sóng chuyển hóa rõ rệt từ hình sin sang dạng dẹt cực đại rồi trở thành sóng bất đối xứng răng cưa, quyết định toàn bộ quy luật biến thiên của các tham số vận tốc đáy.

Phương pháp tính toán nào mang lại độ chính xác cao hơn cho vùng ven bờ?

Phương pháp 2 dựa trên mô hình Abreu và tham số hóa Ruessink đạt độ chính xác cao hơn tại hiện trường bãi biển Egmond với sai số vận tốc hướng bờ chỉ 22.07% và hệ số tương quan 0.69, so với sai số 27.04% của Phương pháp 1. Phương pháp 2 hạn chế được hiện tượng ước tính quá cao vận tốc đáy tại vùng sóng đổ.

Tại sao thông lượng vận chuyển bùn cát đáy lại chiếm ưu thế hơn bùn cát lơ lửng?

Tại đới sát đáy biển, ứng suất trượt do sóng bất đối xứng tác động trực tiếp làm các hạt cát dịch chuyển tức thời theo từng chu kỳ sóng dưới dạng lăn và trượt. Trừ những vị trí sóng vỡ dữ dội có tiêu tán năng lượng mạnh tạo dòng xoáy khuếch tán bùn cát lên tầng mặt, thông lượng bùn cát đáy luôn chiếm tỷ trọng áp đảo trên 75% tổng lượng trầm tích vận chuyển.

Mô hình trong luận văn có thể áp dụng trực tiếp cho vùng bờ biển Việt Nam không?

Hoàn toàn có thể áp dụng. Tuy nhiên, cần thu thập số liệu độ sâu đáy biển, hoa tiêu sóng và kích thước hạt cát thực tế tại địa phương để hiệu chỉnh lại hệ số nhám đáy và hệ số hiệu chỉnh ma sát, giúp mô hình phản ánh chính xác điều kiện động lực học đặc thù của dải bờ biển Việt Nam.

Kết luận

• Luận văn đã làm sáng tỏ cơ chế động lực học của sóng bất đối xứng vùng ven bờ biển và vai trò quyết định của hiện tượng này đối với quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ.
• Thiết lập thành công quy trình tính toán số trị kết hợp mô hình EBED cải tiến với hai phương pháp xác định tham số sóng bất đối xứng, đạt độ tin cậy mô phỏng lan truyền sóng lên tới 95%.
• Chứng minh tính ưu việt của Phương pháp 2 trong việc dự báo vận tốc quỹ đạo đáy với sai số tương đối được kiểm soát ở mức 22.07% khi đối chứng với chuỗi dữ liệu 37 ngày tại vùng biển Egmond.
• Lượng hóa chính xác thông lượng bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng, chỉ ra sự chênh lệch lớn giữa các mô hình tính toán tại đới ba cát và khu vực sóng vỡ gần bờ.
• Cung cấp cơ sở khoa học tin cậy và mã chương trình tính toán hoàn chỉnh, sẵn sàng chuyển giao cho các bài toán mô phỏng biến đổi địa hình đáy biển trong thời gian tới.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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. 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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.