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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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.