ĐẠi hỌc quỐc gia hÀ nỘi trƯỜng ĐẠi hỌc...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------o0o---------

Nguyễn Thị Khang

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWASH TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG VÀ

DÒNG CHẢY PHÁT SINH DO SÓNG VEN BỜ PHỤC VỤ TÍNH TOÁN

DÒNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DO SÓNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

---------o0o---------


ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWASH TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG VÀ

DÒNG CHẢY PHÁT SINH DO SÓNG VEN BỜ PHỤC VỤ TÍNH TOÁN

DÒNG VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DO SÓNG

Chuyên ngành: Hải dương học

Mã số: 8440228.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Cán bộ hướng dẫn

PGS.TS. Phùng Đăng Hiếu

Hà Nội - 2019

Lời cảm ơn

Với lòng biết ơn sâu sắc và tình cảm chân thành cho phép em gửi lời cảm ơn

tới thầy, cô giáo trong Bộ môn Khoa học và công nghệ biển cũng như các thầy, cô

giáo trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học

Tự nhiên đã dạy, hướng dẫn và hỗ trợ em trong những năm học qua. Đặc biệt, em xin

bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Phùng Đăng Hiếu - giáo viên hướng dẫn -

người đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình

học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề tài nghiên cứu này.

Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Lãnh đạo Viện Nghiên cứu

biển và hải đảo, lãnh đạo phòng Khoa học biển và Biến đổi khí hậu – nơi em đang

công tác - đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập. Cảm ơn gia đình, bạn bè

và đồng nghiệp đã luôn khích lệ, động viên và giúp đỡ em học tập và nghiên cứu.

Cảm ơn đề tài TNMT.2016.06.09 “Nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán

trường động lực khu vực trong vùng sóng đổ phục vụ đánh giá dòng chảy nguy hiểm

ven bờ; áp dụng thí điểm cho bãi biển Cửa Lò – Nghệ An” đã cung cấp số liệu để học

viên hoàn thành luận văn này.

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng bài luận văn không tránh khỏi những thiếu

sót; em rất mong nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô, các

nhà khoa học và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện.

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng năm 2019

Học viên


i

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................... iii

DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................. iv

Mở đầu ........................................................................................................................................ 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................................... 2

1.1 Sóng và dòng chảy sóng ven bờ ........................................................................................ 2

1.2 Vận chuyển bùn cát ............................................................................................................. 3

1.3 Mô hình mô phỏng sóng ven bờ ........................................................................................ 5

CHƯƠNG 2. CƠ SƠ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SWASH VÀ MỘT SỐ THỬ

NGHIỆM .................................................................................................................................... 8

2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH ..................................................................................... 8

2.1.1 Giới thiệu mô hình SWASH ........................................................................... 8

2.1.2 Phương trình tiến triển và điều kiện biên ....................................................... 9

2.2 Một số ứng dụng thử nghiệm ........................................................................................... 13

2.2.1 Lựa chọn các điều kiện mô phỏng ................................................................ 14

2.2.2 Tính toán mô phỏng và kết quả .................................................................... 15

2.2.3 Đánh giá ........................................................................................................ 26

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CHO BÃI BIỂN CỬA LÒ-NGHỆ AN........ 27

3.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu ....................................................................................... 27

3.1.1 Vị trí địa lý .................................................................................................... 27

3.1.2 Địa hình địa mạo ........................................................................................... 28

3.1.3 Điều kiện khí tượng hải văn ......................................................................... 29

3.2 Số liệu và phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 32

3.2.1 Số liệu ........................................................................................................... 32

ii

3.2.2 Phương pháp ................................................................................................. 35

3.3 Ứng dụng mô hình SWASH tính toán trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng cho

khu vực Cửa Lò - Nghệ An .................................................................................................... 37

3.3.1 Miền tính và lưới tính toán ........................................................................... 37

3.3.2 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình .................................................................... 38

3.3.3 Kịch bản tính toán ......................................................................................... 40

3.3.4. Kết quả tính toán .......................................................................................... 40

Kết luận và kiến nghị .............................................................................................................. 49

Tài liệu tham khảo ................................................................................................................... 50

iii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.Chi tiết trạm đo sóng..................................................................................... 33

Bảng 2. Thống kê sóng nhiều năm tại Nghệ An (1979-2017) .................................. 40

Bảng 3. Kịch bản tính toán ........................................................................................ 40

Bảng 4. Kết quả tính toán bùn cát vận chuyển qua các mặt cắt ................................ 48

iv

DANH MỤC HÌNH

Hình 1. Mô tả thí nghiệm của Ting và Kirby (1994) ................................................ 16

Hình 2. So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thí nghiệm trong thí nghiệm sóng lan

truyền qua bãi nghiêng thoải (Ting và Kirby 1994).................................................. 17

Hình 3. Mô tả thí nghiệm của Van Gent và Doorn (2000) ....................................... 18

Hình 4. So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thực đo trong thí nghiệm sóng lan truyền

trên bãi thoải có sự xuất hiện của bar ngầm (Van Gent và Doorn 2000).................. 19

Hình 5. Mô tả thí nghiệm của Haller và nnk (2002) ................................................. 20

Hình 6. Kết quả phân bố trường dòng chảy (Haller và nnk 2002)............................ 22

Hình 7. Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x =

10m ............................................................................................................................ 23


11,2 m ........................................................................................................................ 23


12,2 m ........................................................................................................................ 24


13m ............................................................................................................................ 24

Hình 11. Bản đồ hành chính tỉnh Nghệ An ............................................................... 27

Hình 12. Khu vực biển Cửa Lò - Nghệ An ............................................................... 28

Hình 13. Hoa sóng tháng 1 (theo số liệu sóng NOAA) ............................................ 31

Hình 14. Hoa sóng tháng 7 (theo số liệu sóng NOAA) ............................................ 31

Hình 15. Khu vực đo địa hình chi tiết ....................................................................... 33

Hình 16. Trạm đo sóng .............................................................................................. 34

Hình 17. Trạm số liệu sóng NOAA .......................................................................... 34

v

Hình 18. Khu vực tính toán ....................................................................................... 37

Hình 19. Kết quả hiệu chỉnh mô hình ....................................................................... 39

Hình 20. Kết quả kiểm định mô hình ........................................................................ 39

Hình 21. Trường sóng kịch bản sóng hướng NE ...................................................... 41

Hình 22. Trường sóng kịch bản sóng hướng E ......................................................... 42

Hình 23. Trường sóng kịch bản sóng hướng SE ....................................................... 43

Hình 24. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng NE ............................................. 44

Hình 25. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng E ................................................ 45

Hình 26. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng SE .............................................. 46

Hình 27. Mặt cắt tính toán vận chuyển bùn cát ........................................................ 47

1

Mở đầu

Sóng biển là một trong những quá trình động lực có vai trò rất quan trọng trong

sự biến đổi địa hình khu vực ven bờ. Đặc biệt, trong khu vực phía trong vùng sóng

đổ, trường động lực diễn ra rất phức tạp do động lực của chuyển động sóng được

chuyển đổi sau khi sóng đổ hình thành hệ thống dòng chảy phát sinh do sóng bao

gồm các dòng chảy dọc bờ và dòng chảy ngang bờ. Chính hệ thống dòng chảy phát

sinh do sóng này là nguồn lực mang vật chất ven bờ dịch chuyển và tạo nên các khu

vực bồi tụ và xói lở phức tạp. Do đó, việc mô phỏng chính xác trường sóng và dòng

chảy phát sinh do sóng khu vực ven bờ là điều kiện quan trọng để tính toán vận

chuyển bùn cát phục vụ đánh giá sự biến động đường bờ.

Để mô phỏng chính xác trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng khu vực

ven bờ, mô hình cần thiết phải mô phỏng được các quá trình chủ đạo trong khu vực

này. Là một mô hình được phát triển dựa trên hệ phương trình nước nông phi thủy

tĩnh với mục đích tính toán cho khu vực ven bờ, mô hình SWASH có thực sự tốt hay

không? Có phù hợp để tính toán và có khả năng ứng dụng vào thực tiễn hay không?

Để trả lời cho câu hỏi đó, luận văn lựa chọn và sẽ tiến hành kiểm nghiệm mô hình

SWASH thông qua những bài toán chuẩn, sau đó, ứng dụng mô hình SWASH để tính

toán trường sóng và dòng chảy phát sinh do sóng cho khu vực Cửa Lò - Nghệ An.

Luận văn được cấu trúc gồm phần mở đầu, kết luận và ba chương như sau:

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH và một số thử nghiệm

Chương 3: Ứng dụng thực tiễn cho bãi biển Cửa Lò - Nghệ An

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Sóng và dòng chảy sóng ven bờ

Đối với sóng ngoài khơi để phát triển nhờ năng lượng của gió thì có ba nhân

tố của trường gió phải thỏa mãn đó là: Tốc độ gió lớn hơn một giá trị tới hạn nào đó,

khoảng đà gió và thời gian gió thổi phải đủ dài. Sau khi dời khỏi vùng gió tác động,

sóng gió đã phát triển truyền đi trên biển, phân tán ra mọi phía và một phần nhỏ năng

lượng bị mất đi do ma sát nhớt. Khi các sóng tiếp cận tới các vùng bờ chúng chuyển

thành sóng lừng có dạng hai chiều với chu kỳ đồng đều và các đỉnh sóng tạo thành

luống.

Do độ sâu giảm đi theo hướng vào bờ, các sóng lừng mang đặc tính của sóng

nước nông tương tự như các sóng có chu kỳ không đổi. Vùng nước nông được xem

là bắt đầu khi sóng cảm nhận được nền đáy và đáy biển ảnh hưởng lên quá trình

truyền sóng, ngược lại, đáy biển cũng chịu ảnh hưởng tác động từ chuyển động sóng.

Nếu trường gió tác động thổi qua vùng bờ thì mặt biển nổi sóng gồm nhiều đỉnh sóng

không đồng đều tiến vào bờ, khi đó sự biến dạng sóng vùng nước nông là rất phức

tạp.

Những đặc tính nổi bật của quá trình chuyển hóa sóng ở vùng nước nông là

biến dạng sóng và khúc xạ sóng. Khúc xạ sóng là kết quả của sự thay đổi tốc độ tuyền

sóng như là hàm của độ sâu nước, tốc độ dòng chảy và chu kỳ sóng. Các sóng bị khúc

xạ thay đổi hướng lan truyền làm cho các dải đỉnh sóng có xu thế song song với các

đường đẳng sâu. Biến dạng sóng là kết quả thay đổi tốc độ truyền của dòng năng

lượng sóng, độ sâu càng nông thì tốc độ dòng năng lượng càng giảm đi, do độ cao

sóng tỷ lệ thuận với căn bậc hai của năng lượng sóng nên độ cao sóng phải tăng lên

khi sóng tiến đến vùng nước nông hơn để đảm bảo năng lượng sóng được bảo toàn

và cuối cùng sóng bị vỡ tại điểm mà độ cao sóng xấp xỉ bằng độ sâu. Điểm này được

gọi là điểm sóng đổ. Nhìn chung, điểm đổ của một chuỗi sóng không phải là một

điểm cụ thể mà là một vùng bởi vì điểm sóng đổ bị dịch chuyển theo từng sóng tới

do sự không nhất của sóng tới và sự phản xạ của bờ.

3

Theo các nghiên cứu thì ảnh hưởng của đáy lên chuyển động sóng quan sát

được khi tỷ lệ giữa độ sâu và độ dài sóng nước sâu nhỏ hơn 0,5, tức là khi độ sâu nhỏ

hơn ½ độ dài sóng. Như thế, khi sóng lan truyền vào vùng bờ, dưới tác động ảnh

hưởng của nền đáy như độ dốc, sự giảm độ sâu, độ gồ ghề của đáy, sóng bị thay đổi

các đặc trưng của nó. Trên thực tế, khi sóng truyền vào vùng nước nông thì xảy ra

các hiện tượng: biến dạng sóng, khúc xạ sóng, tán xạ sóng, phản xạ sóng, phá hủy

sóng và tiêu tán năng lượng.

Khi sóng truyền vào vùng ven bờ, do biến đổi không đồng nhất của địa hình

đáy đã gây ra khúc xạ, phản xạ sóng cũng như tiêu tán năng lượng sóng xảy ra không

đồng đều, do đó, dòng động năng của sóng tại các điểm khác nhau là khác nhau; thêm

vào đó là sự đổ nhào của các sóng tại vùng sóng đổ đã dồn một lượng nước vào vùng

gần bờ tạo ra các ứng suất không đồng nhất trong dải ven bờ này. Chính những nguyên

nhân trên đã tạo ra các dao động mực nước có chu kì dài hơn nhiều chu kì của các

sóng tới và tạo nên hệ thống dòng chảy phức tạp trong vùng ven bờ gọi là dòng chảy

sóng. Trên thực tế, dòng chảy phát sinh do sóng đóng vai trò quan trọng trong việc di

chuyển trầm tích đáy và lơ lửng và làm thay đổi đáng kể địa hình bờ [10].

1.2 Vận chuyển bùn cát

Trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, việc tính toán vận chuyển bùn cát ở vùng

ven bờ là nội dung hết sức quan trọng, vì bùn cát chính là yếu tố trung gian trong quá

trình gây nên hiện tượng xói lở hay bồi lấp ở bờ biển. Biết được lượng vận chuyển

bùn cát ven bờ thì mới có thể dự báo được sự biến đổi của đường bờ trong điều kiện

tự nhiên cũng như đánh giá được ảnh hưởng của các công trình xây dựng sau này.

Việc tính toán vận chuyển bùn cát ở biển rất phức tạp do quá trình vận chuyển bùn

cát ở biển không những chịu tác động của dòng chảy mà còn chịu ảnh hưởng của các

dao động mực nước do thủy triều, các tác động của sóng và vô số các lực tạo thành

dòng chảy khác nhau và liên tục biến đổi.

Trong biển cát có thể chuyển động bởi dòng chảy (do thủy triều, gió hoặc

sóng) hoặc bởi sóng, hoặc thông thường nhất là cả sóng và gió tác động cùng nhau.

4

Cát được vận chuyển bởi các quá trình cơ bản là cuốn theo, dịch chuyển và lắng đọng.

Ba quá trình này xảy ra đồng thời và có thể tác động tương hỗ với nhau: Sự cuốn theo

xảy ra là kết quả của ma sát tác động lên đáy biển bởi dòng chảy và/hoặc sóng, với

việc khuyếch tán rối có thể mang hạt lên trạng thái lơ lửng; Sự dịch chuyển xảy ra do

hạt lăn, nhảy và trượt dọc theo đáy thích ứng với ma sát, và trong trường hợp đáy dốc

là do trọng lực. Nó được biết đến như dòng di dáy, và là hình thức vận chuyển chủ

đạo đối với các dòng chảy chậm và/hoặc các hạt lớn. Nếu dòng chảy đủ nhanh (hoặc

sóng đủ lớn) và hạt đủ mịn, cát sẽ bị đưa đi vào trạng thái lơ lửng ở độ cao vài mét

trên đáy và được dòng chảy mang đi. Hình thức vận chuyển này được biết đến như

dòng lơ lửng và thường lớn hơn rất nhiều so với dòng di đáy; Lắng đọng xảy ra khi

hạt nằm trong dòng di đáy hoặc ra khỏi trạng thái lơ lửng. Trong hầu hết thời gian,

sự cuốn theo của một số hạt vào trạng thái lơ lửng và sự chìm lắng của một số hạt

khác xuống đáy do trọng lượng của chúng có thể xảy ra đồng thời.

Di đáy là phương thức chủ đạo của vận chuyển đối với lưu lượng nhỏ và/hoặc

kích thước hạt lớn. Cát thô và cuội sỏi chủ yếu được vận chuyển như dòng di đáy.

Đối với dòng chảy mạnh vượt quá ngưỡng lơ lửng, dòng di đáy vẫn sẽ xảy ra, nhưng

số lượng cát được mang vào trạng thái lơ lửng thường sẽ lớn hơn nhiều so với được

mang đi bởi dòng di đáy, đặc biệt đối với cát mịn.

Trong tự nhiên, sóng đóng vai trò chủ đạo trong việc khuấy trầm tích lên khỏi

đáy biển, cũng như tạo ra các dòng chảy chuyển động ổn định như dòng chảy dọc bờ,

dòng sóng dội, vận tốc vận chuyển khối lượng làm cho trầm tích vận chuyển. Sự bất

đối xứng của vận tốc dưới đỉnh sóng và chân sóng là một nguồn khác của sự vận

chuyển trầm tích ròng. Vận chuyển trầm tích mạnh nhất trong vùng ven bờ thường

thấy dưới các sóng đổ, hoặc trong vùng sóng đổ trên bãi hoặc trên bờ cát. Sóng gây

ra vận chuyển trầm tích bằng một số cơ chế:

- Sóng cuốn theo trầm tích nhiều hơn so với dòng chảy và khuếch tán chúng

thông qua lớp biên sóng. Khi có mặt dòng chảy, rối do dòng chảy sinh ra làm khuếch

tán trầm tích lơ lửng lên cao hơn và mang chúng đi với dòng chảy ròng;

5

- Khi bị vỡ trên bãi sóng phát sinh dòng chảy dọc bờ, dòng này vận chuyển

trầm tích dọc theo bờ;

- Vận tốc quỹ đạo dưới đỉnh sóng lớn hơn dưới chân sóng và do đó cuốn theo

nhiều trầm tích hơn. Chúng gây ra vận chuyển trầm tích ròng theo hướng lan truyền

sóng (nói chung hướng vào bờ);

- Vận chuyển khối lượng nước theo hướng lan truyền sóng được sản sinh trong

lớp biên sóng, mang trầm tích theo hướng sóng;

- Trong vùng sóng đổ, sóng sản sinh vận tốc dòng sóng dội sát đáy hướng ra

khơi, mang trầm tích ra xa bờ.

Sóng vỗ bờ, đặc biệt là sóng bão có thể phá hủy bờ gây xói lở tạo ra vật liệu

vụn cơ học cuốn ra ngoài theo dòng ngược chiều sát đáy và lắng đọng ở bãi triều và

ở sườn bờ ngầm theo nguyên lý phân dị cơ học: gần bờ hạt thô, càng xa bờ độ hạt

càng mịn. Sóng vỗ bờ thường ít khi vuông góc với bờ do hướng gió quy định. Vì vậy

trong quá trình sóng vỗ bờ đã tạo ra sự di chuyển vật liệu trầm tích dọc bờ theo một

đường đi ziczac. Sóng đóng vai trò dồn đẩy vật liệu từ đáy biển nông xa bờ vào sát

bờ thường tạo nên các thể trầm tích đặc trưng: đê cát ven bờ, bar cát ngầm.

1.3 Mô hình mô phỏng sóng ven bờ

Việc nghiên cứu trường sóng đã được thực hiện từ rất sớm. Có thể kể đến việc

nghiên cứu và phát triển mô hình từ hệ phương trình Mild Slope. Việc tính toán bằng

phương trình này khá phổ biến tuy nhiên việc mô tả lan truyền sóng dựa trên lý thuyết

sóng tuyến tính sẽ không được đảm bảo tại khu vực ven bờ khi mà sóng lan truyền

vào bờ thì tính phi tuyến của sóng càng tăng lên.

Việc nghiên cứu mô phỏng được hệ thống dòng chảy phát sinh do sóng rất có

ý nghĩa thực tiễn. Thông thường, mô phỏng dòng chảy sóng được thực hiện thông

qua việc giải hệ phương trình nước nông thủy tĩnh truyền thống với nguồn lực là

trường ứng suất sóng ven bờ được tính toán theo lý thuyết sóng tuyến tính (sóng biên

độ nhỏ) thông qua phân bố độ cao sóng và hướng sóng trong khu vực sóng đổ ven

6

bờ. Việc mô phỏng này còn nhiều vấn đề chưa được thỏa đáng do hệ phương trình sử

dụng là thủy tĩnh thuần túy. Trong khi đó, sóng tồn tại trong khu vực ven bờ với địa

hình biến đổi đáng kể thì tính thủy tĩnh của phân bố áp suất không còn chủ đạo mà

tính phi thủy tĩnh tăng lên đáng kể. Thêm vào đó, việc mô phỏng bằng hệ phương

trình Mild Slope thiếu vắng việc mô phỏng tương tác giữa sóng với sóng và giữa sóng

với dòng chảy, bỏ qua phản xạ. Chính điều này đã làm cho việc mô phỏng sóng và

dòng chảy do sóng còn nhiều hạn chế và chưa tiếp cận được với việc mô phỏng hệ

thống dòng chảy ven bờ thực tiễn [2].

Trên thế giới các nhà khoa học đã quan tâm nghiên cứu phát triển mô hình

toán mô phỏng sóng ven bờ dựa trên hệ phương trình Boussinesq trong nhiều thập kỉ

qua. Các nghiên cứu phát triển mô hình dựa trên hệ phương trình Boussinesq tiêu

biểu có thể kể ra như Schaffer và nnk (1993) [18], Madsen và nnk (1997a,b) [16, 17],

Kennedy và nnk (2000) [14] và một số tác giả khác. Thành công từ các nghiên cứu

phát triển các mô hình số đó đã đưa ra các mô hình mã nguồn mở cho cộng đồng khoa

học biển trên khắp thế giới sử dụng thí dụ như bộ chương trình FUNWAVE do Kirby

và cộng sự phát triển, PCOULWAVE của Mỹ, hay mô hình của Madsen và cộng sự

đã được phát triển tiếp để trở thành mô đun BW trong bộ phần mềm thương mại

MIKE21. Các nghiên cứu sử dụng hệ phương trình Boussinesq mở rộng tiếp tục được

quan tâm và cải tiến bởi cộng đồng các nhà khoa học về thủy động lực biển ven bờ

trên khắp thế giới. Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào cải tiến sơ đồ số để tăng

tính ổn định và giải quyết các vấn đề khác như tiêu tán sóng đổ tốt hơn...Tuy nhiên,

mô hình Boussinesq phụ thuộc mạnh vào hệ số bán kinh nghiệm nhân tạo cho sóng

đổ, do đó, sẽ rất khó để mô phỏng tốt đối với các trường hợp thực tế nơi mà sóng đổ

rất phức tạp. Một vấn đề gặp phải với mô hình Boussinesq đó là tốc độ tính toán. Nếu

như mô hình dựa trên hệ phương trình Mild Slope tính toán với tốc độ nhanh hơn

nhưng kết quả có sự sai khác với thực tế thì mô hình Boussinesq cho kết quả tốt hơn

nhưng thời gian tính toán tăng lên rất nhiều.

Để giải quyết vấn đề nêu trên và tạo một công cụ hữu hiệu cho việc mô phỏng

và dự báo hệ thống dòng chảy ven bờ do sóng làm cơ sở xác định được mức độ tác

7

động của sóng đến biến động xói lở bãi biển, việc ứng dụng hệ phương trình nước

nông phi thủy tĩnh dần trở nên phổ biến. Trong khoảng 10 năm trở lại đây, trào lưu

của các nhà khoa học trên thế giới là sử dụng hệ phương trình nước nông phi thủy

tĩnh để mô phỏng sóng trong vùng ven bờ vì hệ phương trình này đơn giản hơn hệ

phương trình Boussinesq, tốc độ tính toán nhanh hơn, mở ra khả năng tính toán trên

miền tính lớn. Tuy nhiên, câu hỏi đặt ra là việc sử dụng hệ phương trình này có thực

sự tốt không? Có phù hợp với thực tiễn hay không? Để trả lời câu hỏi đó, học viên

lựa chọn mô hình SWASH được phát triển từ hệ phương trình nước nông phi thủy

tĩnh để sử dụng trong luận văn này.

8

CHƯƠNG 2. CƠ SƠ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH SWASH VÀ MỘT SỐ THỬ

NGHIỆM

2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWASH

2.1.1 Giới thiệu mô hình SWASH

SWASH (từ viết tắt của Simulating WAves till SHore) là chương trình mã

nguồn mở do Zijlema và cộng sự phát triển và xuất bản năm 2011. Đây là mô hình

dựa trên hệ phương trình phi thủy tĩnh cho phép mô phỏng sự biến đổi của sóng bề

mặt phân tán từ ngoài khơi đến bãi biển bao gồm động lực vùng sóng đổ, lan truyền

sóng và nhiễu động tại các cảng, bến cảng. Ngoài ra, SWASH có thể mô phỏng được

lũ lụt ven biển do vỡ đê, sóng thần và sóng lũ, dòng chảy mật độ trong vùng ven biển,

hoàn lưu biển quy mô lớn, thủy triều và nước dâng do bão [20].

Mô hình SWASH được xây dựng và phát triển nhằm cung cấp một mô hình

nhanh và hiệu quả cho phép mô phỏng các hiện tượng sóng bề mặt và dòng chảy nước

nông được áp dụng trong môi trường phức tạp trong quy mô không gian và thời gian

lớn. Phương trình tiến triển là hệ phương trình nước nông phi tuyến bao gồm áp suất

phi thủy tĩnh và tùy chọn các phương trình bảo toàn chuyển động của độ muối, nhiệt

độ và trầm tích lơ lửng. Ngoài ra, phân tán rối theo phương thẳng đứng của động

lượng và khuếch tán muối, nhiệt và tải trầm tích được mô hình hóa bằng mô hình rối

tiêu chuẩn k-ε. Các phương trình vận chuyển được kết nối với phương trình động

lượng thông qua số hạng lực chính áp, trong khi phương trình trạng thái được sử dụng

(mật độ liên quan đến độ muối nhiệt độ và trầm tích) [25].

Các quá trình vật lý được tính đến trong mô hình bao gồm: Lan truyền sóng,

phân tán tần số, nước nông, khúc xạ và nhiễu xạ; Tương tác sóng phi tuyến; Độ sâu

giới hạn sóng phát triển bởi gió; Sóng vỡ; Sóng leo và sóng rút; Di chuyển đường bờ;

Ma sát đáy; Phản xạ một phần; Tương tác sóng với công trình đá nổi; Tương tác sóng

với vật thể trôi; Tương tác sóng dòng chảy; Dòng chảy phát sinh do sóng; Xáo trộn

rối theo phương thẳng đứng; Rối quy mô dưới lưới; Bất đẳng hướng của rối; Giảm

sóng gây ra bởi thực vật thủy sinh; Dòng chảy biển đổi nhanh; Sóng thủy triều; Dòng

9

chảy gió; Gió biến đổi theo không gian và áp suất không khí; Dòng chảy mật độ; Vận

chuyển thành phần lơ lửng cho trầm tích kết dính [25].

2.1.2 Phương trình tiến triển và điều kiện biên

Phương trình được sử dụng trong mô hình SWASH dựa trên phương trình

nước nông phi tuyến bao gồm áp suất phi thủy tĩnh có thể được suy ra từ phương trình

Navie Stokes với giả thiết không nén. Bằng việc sử dụng khai triển Reynolds (chia

vận tốc thành 2 thành phần: phần trung bình và phần nhiễu động 𝑢 = �̅� + 𝑢′) và

trung bình hóa, nhận được phương trình Navie-Stokes trung bình Reynold (RANS).

SWASH giải hệ phương trình RANS (cùng với phương trình liên tục) bằng cách lấy

trung bình theo phương thẳng đứng cho mỗi lớp thẳng đứng. Phương trình trung bình

theo độ sâu được đưa ra trong các phương trình (1-3) (Zijlema et al., 2008) [24].

𝜕𝜉

𝜕𝑡+

𝜕ℎ𝑢

𝜕𝑥+

𝜕ℎ𝑣

𝜕𝑦= 0 (1)

𝜕𝑢

𝜕𝑡+ 𝑢

𝜕𝑢

𝜕𝑥+ 𝑣

𝜕𝑢

𝜕𝑦+ 𝑔

𝜕𝜉

𝜕𝑥+

1

ℎ∫

𝜕𝑞

𝜕𝑥

𝜉

−𝑑

𝑑𝑧 + 𝑐𝑓

𝑢√𝑢2 + 𝑣2

ℎ=

1

ℎ(

𝜕ℎ𝜏𝑥𝑥

𝜕𝑥+

𝜕ℎ𝜏𝑥𝑦

𝜕𝑦) (2)

𝜕𝑣

𝜕𝑡+ 𝑢

𝜕𝑣

𝜕𝑥+ 𝑣

𝜕𝑣

𝜕𝑦+ 𝑔

𝜕𝜉

𝜕𝑦+

1

ℎ∫

𝜕𝑞

𝜕𝑦

𝜉

−𝑑

𝑑𝑧 + 𝑐𝑓

𝑣√𝑢2 + 𝑣2

ℎ=

1

ℎ(

𝜕ℎ𝜏𝑦𝑥

𝜕𝑥+

𝜕ℎ𝜏𝑦𝑦

𝜕𝑦) (3)

trong đó: t là thời gian, x và y nằm ở mực nước tĩnh và trục z hướng lên trên, 𝜉(x, y,

t) là độ cao bề mặt được đo từ mực nước tĩnh, d(x,y) là độ sâu của nước tĩnh được đo

từ bề mặt nước tĩnh đến đáy, h = 𝜉+d là độ sâu nước (tổng độ sâu), u(x, y, t) và v(x,

y, t) là vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu tương ứng trong hướng x và hướng

y, q(x, y, z, t) là áp suất phi thủy tĩnh (được chuẩn hóa bởi mật độ), g là gia tốc trọng

trường, cf là hệ số nhám đáy không thứ nguyên và 𝜏𝑥𝑥, 𝜏𝑥𝑦, 𝜏𝑦𝑥, 𝜏𝑦𝑦 là số hạng ứng

suất rối theo phương ngang.

Tích phân của gradient áp suất phi thủy tĩnh so với độ sâu nước trong phương

trình (2) có thể được biểu thị như sau (Stelling and Zijlema 2003) [19]:

10

∫𝜕𝑞

𝜕𝑥

𝜉

−𝑑

𝑑𝑧 =1

2ℎ

𝜕𝑞𝑏

𝜕𝑥+

1

2𝑞𝑏

𝜕(𝜉 − 𝑑)

𝜕𝑥 (4)

với qb là áp suất phi thủy tĩnh tại đáy. Biểu thức tương tự cho thành phần áp suất phi

thủy tĩnh trong phương trình (3).

Do thêm vào thành phần áp suất phi tuyến qb nên cần bổ sung thêm một số

phương trình để đảm bảo khép kín hệ phương trình. Độ chính xác của phân tán tần số

đối với sóng ngắn có thể được thiện bằng cách áp dụng phương pháp Kellerbox (Lam

and Simpson, 1976) [15]:

𝑞|𝑧=𝜉 − 𝑞|𝑧=−𝑑

ℎ= −

𝑞𝑏

ℎ=

1

2

𝜕𝑞

𝜕𝑧|𝑧 = 𝜉 +

1

2

𝜕𝑞

𝜕𝑧|𝑧 = −𝑑 (5)

Áp suất thủy tĩnh phi thủy tĩnh tại bề mặt tự do bằng không.

Phương trình động lượng cho thành phần theo phương thẳng đứng:

Trong đó, cả hai số hạng bình lưu và khuếch tán được bỏ qua vì chúng thường

nhỏ hơn so với gia tốc theo phương thẳng đứng được giả định là được xác định bằng

gradient áp suất phi thủy tĩnh.

Kết hợp (5) và (6) nhận được

𝜕𝑤𝑠

𝜕𝑡=

2𝑞𝑏

ℎ−

𝜕𝑤𝑏

𝜕𝑡 (7)

Vận tốc theo phương thẳng đứng tại đáy, 𝑤𝑏, có thể được tìm thấy thông qua

điều kiện động lực:

𝑤𝑏 = −𝑢𝜕𝑑

𝜕𝑥− 𝑣

𝜕𝑑

𝜕𝑦 (8)

Cuối cùng, sự bảo toàn của khối lượng:

11

𝜕𝑢

𝜕𝑥+

𝜕𝑣

𝜕𝑦+

𝑤𝑠 − 𝑤𝑏

ℎ= 0 (9)

Khi sóng truyền qua một khoảng cách tương đối dài vài kilomet, ảnh hưởng

của ma sát đáy trở nên rõ rệt hơn. Hơn nữa, nó có thể ảnh hưởng đến các sóng dài

gần bờ như sóng trọng lực và hoàn lưu gần bờ. Mặc dù, có nhiều biểu thức cho hệ số

ma sát đáy cf, trong mô hình sử dụng biểu thức dựa trên hệ số nhám Manning n, như

sau:

𝑐𝑓 =𝑛2𝑔

ℎ1/3 (10)

Ứng suất rối được cho bởi:

𝜏𝑥𝑥 = 2𝑣𝑡

𝜕𝑢

𝜕𝑥, 𝜏𝑥𝑦 = 𝜏𝑦𝑥 = 𝑣𝑡 (

𝜕𝑣

𝜕𝑥+

𝜕𝑢

𝜕𝑦) , 𝜏𝑦𝑦 = 2𝑣𝑡

𝜕𝑣

𝜕𝑦 (11)

với 𝑣𝑡(x, y, t) độ nhớt xoáy theo phương ngang do sóng vỡ và rối quy mô dưới lưới.

Một mô hình rối cần được sử dụng để xấp xỉ xáo trộn rối và tiêu tán do sóng vỡ. Mặc

dù sự tiêu tán là ẩn trong trình bày bore, nhưng độ nhớt là yếu tố xác định quy mô mà

tại đó sự tiêu tán diễn ra. Như vậy, chuyển động rối quy mô lớn trong cuộn sóng bề

mặt có thể được mô hình hóa hiệu quả thông qua độ nhớt xoáy 𝑣𝑡, theo đó, rối được

giả định là ở trạng thái cân bằng cục bộ. Với lý do này, lý thuyết độ dài xáo trộn

Prandtl được sử dụng và được đưa ra bởi:

𝑣𝑡 = 𝑙𝑚2 √2 (

𝜕𝑢

𝜕𝑥)

2

+ 2 (𝜕𝑣

𝜕𝑦)

2

+ (𝜕𝑣

𝜕𝑥+

𝜕𝑢

𝜕𝑦)

2

(12)

trong đó lm là độ dài xáo trộn được lấy tỷ lệ với chiều cao sóng điển hình; hoặc độ

cao sóng cho sóng đều hoặc độ cao sóng có nghĩa cho sóng không đều. Cần lưu ý

rằng loại mô hình này không chỉ được coi là mô hình xáo trộn bên mà còn là mô hình

trao đổi động lượng dọc xảy ra trong bore rối di chuyển.

12

Để khép kín hệ thống các phương trình, các điều kiện biên thích hợp cần được

áp đặt tại các vị trí biên mở của miền lưới tính toán. Tại biên ngoài khơi sóng đều và

sóng không đều được giới thiệu bằng cách xác định một phân bố vận tốc cục bộ. Để

mô phỏng sóng đi vào mà không có phản xạ tại biên, một điều kiện phản xạ yếu cho

phép sóng đi ra được áp dụng (Blayo and Debreu, 2005) [11]:

𝑢𝑏 = ∓√𝑔

ℎ(2𝜉𝑏 − 𝜉) (13)

Giả sử rằng sóng đều và đi ra là vuông góc với biên. Loại điều kiện biên bức

xạ này đã được chứng minh là dẫn đến kết quả tốt với điều kiện sóng gần bờ. Ở đây,

ub là tốc độ dòng chảy tại biên và 𝜉𝑏 là kí hiệu độ cao bề mặt của sóng tới. Kí hiệu

trong phương trình (13) phụ thuộc vào vị trí của biên. Dấu cộng chỉ một vận tốc dòng

chảy tại biên phía Tây và phía Nam, dấu trừ cho vận tốc dòng chảy ở biên phía Đông

và phía Bắc. Đối với sóng đều, kí hiệu sóng tới có thể là chuỗi thời gian hoặc chuỗi

Fourier được đưa ra bởi:

𝜉𝑏 = 𝑎𝑜 + ∑ 𝑎𝑗cos (𝜔𝑗𝑡 − 𝜑𝑗)

𝑁

𝑗=1

(14)

Sóng không đều thường có thể được dễ dàng mô tả bằng định nghĩa của chuỗi

Fourier (Holthuijsen, 2007) [13]. Sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính, vận tốc tại một

độ sâu được tìm thấy bằng sự chồng chất tuyến tính của N sóng điều hòa có biên độ

được xác định bằng cách lấy mẫu phổ mật độ phương sai và pha được chọn ngẫu

nhiên cho mỗi lần thực hiện:

𝑢𝑏(𝑧, 𝑡) = ∑ 𝑎𝑗 [𝜔𝑗

𝑐𝑜𝑠ℎ𝑘𝑗(𝑧 + 𝑑)

𝑠𝑖𝑛ℎ𝑘𝑗ℎ+ √

𝑔

ℎ] cos(𝜔𝑗𝑡 − 𝛼𝑗) − √

𝑔

ℎ𝜉

𝑁

𝑗=1

(15)

trong đó, kj và aj lần lượt là số sóng và pha ngẫu nhiên của mỗi tần số ωj. Hơn nữa,

dải tần số được giải quyết đồng đều với khoảng tần số ∆ω, tức là j = j∆ω. Số sóng và

13

tần số có liên quan bởi mối quan hệ phân tán ω2 = gk tanh (kh), trong khi pha ngẫu

nhiên tại mỗi tần số được phân bố đồng đều giữa 0 và 2π. Điều kiện biên (15) được

tăng cường với điều kiện bức xạ để giảm thiểu phản xạ tại biên ngoài khơi.

Đối với phổ sóng E(ω) nhất định, chuỗi thời gian (15) có thể được tổng hợp

bằng cách tính biên độ cho mỗi sóng điều hòa như sau:

𝑎𝑗 = √2𝐸(𝜔𝑗)∆𝜔 (16)

Phổ có thể nhận được từ các quan sát cho trạng thái biển mong muốn hoặc

bằng việc xác định hình dạng tham số phổ, chẳng hạn như phổ Jonswap nổi tiếng cho

điều kiện đà giới hạn trong nước sâu. Phổ đà giới hạn khác được gọi là phổ TMA

được sử dụng để tạo đặc trưng sóng xảy ra tại nước nông hơn (Holthuijsen, 2007)

[13].

2.2 Một số ứng dụng thử nghiệm

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính đã cung cấp một số lượng

lớn các mô hình được sử dụng để giải quyết các vấn đề thủy động lực khu vực ven

biển. Kỹ thuật số có thể dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp sai

phân hữu hạn, phương pháp phần tử biên, phương pháp thể tích hữu hạn và phương

pháp Euler-Lagrange; Thuật toán bước thời gian có thể là ẩn, bán ẩn, hiện...; Mô hình

có thể đơn giản hóa trong các không gian khác nhau: một chiều (1D), hai chiều (2D),

mô hình tích phân theo độ sâu, mô hình 3 chiều (3D)… Có thể thấy rằng, mỗi một

mô hình được xây dựng trên các cơ sở toán học khác nhau, lý thuyết khác nhau, sơ

đồ sai phân khác nhau. Về lý thuyết, mô hình có thể đúng về mặt toán học, điều này

chỉ có thể nói lên việc mô hình đúng cho các quá trình mà được đại diện trong lý

thuyết của bài toán, vì vậy, trước khi ứng dụng vào thực tiễn, mô hình phải được kiểm

nghiệm thông qua những bài toán tuy đơn giản nhưng thể hiện được các quá trình chủ

đạo. Thông thường các thí nghiệm vật lý được thực hiện với những điều kiện đơn

giản nhưng kết quả là nghiệm đúng của quá trình. Do vậy, nếu mô hình đã mô phỏng

tốt các điều kiện trong phòng thí nghiệm thì các quá trình tương tự chủ đạo ở ngoài

14

thực tế cũng đã được mô phỏng. Thực tế, các quá trình ở trong tự nhiên có thêm sự

xuất hiện của các quá trình nhiễu, tuy nhiên, việc mô phỏng tốt các quá trình chủ đạo

là điều kiện để khẳng định sự phù hợp và khả năng ứng dụng của mô hình trong thực

tế.

Trong nội dung này, các điều kiện mô phỏng trong phòng thí nghiệm được lựa

chọn và được mô phỏng lại bằng mô hình SWASH, sau đó, so sánh và đánh giá với

số liệu thí nghiệm để đánh giá mức độ phù hợp, khả năng ứng dụng thực tế của mô

hình với các dạng địa hình và điều kiện tính toán khác nhau.

2.2.1 Lựa chọn các điều kiện mô phỏng

Với nhiều mục đích khác nhau, các thí nghiệm trong các bể sóng được thiết

lập khác nhau. Với khá nhiều các mô phỏng hiện nay, để đánh giá được trường sóng

và dòng chảy chảy phát sinh do sóng luận văn lựa chọn các thí nghiệm sau:

- Thí nghiệm về lan truyền sóng trên bãi nghiêng của Ting and Kirby (1994)

[21]

Bãi nghiêng thoải là dạng địa hình khá phổ biến trên thực tế. Sóng lan truyền

trên bãi nghiêng là một trong những mô phỏng cơ bản nhất trong mô phỏng sóng.

Sóng lan truyền đến vùng nước nông sẽ gặp phải những hiệu ứng như biến dạng, phản

xạ, khúc xạ… Do đó, để mô phỏng tốt trường sóng ven bờ cần mô phỏng tốt những

hiệu ứng này. Nhằm mục đích mô tả quá trình lan truyền sóng trên bãi nghiêng và

sóng đổ, thí nghiệm của Ting và Kirby được thực hiện tại bể sóng hai chiều tại phòng

thí nghiệm kỹ thuật biển tại trường Đại học Delaware. Dựa trên những kết quả về lan

truyền sóng và sóng vỡ để đánh giá kết quả mô phỏng của mô hình

- Thí nghiệm về lan truyền sóng qua bãi biển nông có bar ngầm của Van Gent

và Doorn (2000) [22]

Bãi biển nông có bar ngầm là một dạng địa hình phổ biến trong thực tế khi mà

sóng đánh vào bờ làm xói bờ biển và mang cát ra ngoài sau đó lắng đọng tạo thành

bar ngầm phía ngoài. Có thể nói đây là thí nghiệm với địa hình có quy mô giống với

15

thực tế. Nhằm đánh giá khả năng lan truyền sóng qua bãi biển nông có bar ngầm trong

điều kiện bão, thí nghiệm được Van Gent và Doorn thiết lập với địa hình dựa trên

nguyên mẫu là bãi biển khu vực phòng thủ biển Petten ở bờ biển Hà Lan.

- Thí nghiệm về dòng chảy sóng của Haller (2002) [12]

Địa hình bãi biển có xuất hiện các cồn ngầm là dạng địa hình khá phổ biến.

Trên thực tế, do các quá trình tác động khác nhau, vật liệu bờ khác nhau dẫn đến địa

hình đường bờ cũng khác nhau. Bãi biển thực tế luôn tồn tại những bar ngầm do các

quá trình động lực khác nhau gây ra, là nguyên nhân gây ra dòng rip nguy hiểm cho

người tắm biển. Với địa hình ngoài thực tế, việc đo đạc gặp nhiều khó khăn do thiết

bị thường thiết kế cho những khu vực có độ sâu tương đối, thiết bị bị di chuyển do

quá trình sóng đổ, do vậy, việc tiêu chuẩn hóa những điều kiện ngoài thực tế đưa vào

phòng thí nghiệm trở nên phổ biến. Với mục đích kiểm nghiệm dòng chảy phát sinh

do sóng qua cồn ngầm, Haller và cộng sự đã thực hiện thí nghiệm trên bể sóng tại Đại

học Delaware và xuất bản công trình nghiên cứu về dòng chảy phát sinh do sóng vào

năm 2002. Trong thí nghiệm này các điều kiện về các cồn ngầm được tiêu chuẩn hóa,

nếu như trong thực tế các cồn ngầm xuất hiện là không đều nhau thì khi đưa vào trong

phòng thí nghiệm các cồn ngầm được thiết kế đồng đều để kiểm chứng được sự xuất

hiện của dòng rip. Thí nghiệm này là một trong những thí nghiệm nổi tiếng được cộng

đồng các nhà khoa học thế giới về động lực học ven bờ đón nhận như một trong

những điều kiện tiêu chuẩn để nghiên cứu đánh giá khả năng mô phỏng dòng chảy

đặc biệt là dòng rip của mô hình toán.

2.2.2 Tính toán mô phỏng và kết quả

Với các điều kiện thử nghiệm được lựa chọn, việc chuẩn bị số liệu, đặc biệt là

số liệu địa hình là công việc quan trọng hàng đầu. Nếu như ở các tính toán cho các

trường hợp thực tế, số liệu địa hình được sử dụng là số liệu thực đo hoặc sử dụng

những số liệu đã có thì trong các tính toán mô phỏng cho các bài toán trong phòng

thí nghiệm, địa hình tính toán được tạo thông qua các mô tả về thí nghiệm vật lý bằng

các chương trình được viết trên ngôn ngữ Fortran. Sau khi có được file địa hình và

16

xác định được các điều kiện tính toán tiến hành mô phỏng bằng mô hình số. Trong

quá trình tính toán mô phỏng các tham số mô hình được thay đổi để đưa ra được kết

quả tốt nhất. Thông qua việc này cũng đánh giá được độ nhạy của các tham số đối

với từng trường hợp cụ thể từ đó làm cơ sở để áp dụng vào thực tế.

a. Lan truyền sóng trên bãi thoải (Ting và Kirby 1994)

Điều kiện tính toán

Thí nghiệm về lan truyền sóng trên bãi nghiêng thoải được tiến hành tại bể

sóng hai chiều trong phòng thí nghiệm Kỹ thuật Đại dương tại Đại học Delaware. Thí

nghiệm được mô tả ngắn gọn như sau: bãi biển thoải có độ dốc 1/35 được thiết lập

trên bể sóng có với chiều dài 40m, chiều rộng 0,6m và chiều cao 1m. Bãi biển thoải

nối với vùng nước có đáy ngang ở độ sâu 0,4m, khoảng cách từ bờ đến vị trí có độ

sâu 0,38m là 15,5m. Khoảng cách từ chân bãi nghiêng đến máy tạo sóng bằng chiều

dài sóng. Trục x hướng từ bảng tạo sóng vào bờ. Sóng tới được tạo ra có chu kì 2s,

độ cao sóng 0,125m. Sau bảng tạo sóng có một lớp hấp thụ sóng có độ rộng bằng 1-

1,5 lần độ dài sóng.

Hình 1. Mô tả thí nghiệm của Ting và Kirby (1994)[21]

Điều kiện thí nghiệm của Ting và Kirby (1994) về sóng truyền trên bãi thoải

được đưa vào để thử nghiệm mô phỏng số và so sánh với kết quả thí nghiệm vật lý

về phân bố độ cao sóng trên bãi nghiêng. Trong mô phỏng này, sóng tới được cho

dạng sóng đều với độ cao 0,125m, chu kì 2s. Mô phỏng sử dụng lưới đều ∆𝑥 = ∆𝑦 =

0,05𝑚 , bước thời gian 0,005s.

Kết quả

17

Khi sóng lan truyền từ ngoài khơi vào vùng nước nông, bước sóng giảm khi

độ sâu giảm do hệ quả của quan hệ phân tán. Chu kì sóng cố định; bước sóng và do

đó vận tốc sóng giảm khi gặp nước nông. Một hiệu ứng khác của thay đổi bước sóng

trong vùng nước nông là sự tăng độ cao sóng. Đây là hệ quả của bảo toàn năng lượng,

khi lan truyền vào vùng nước nông động năng của sóng giảm, thế năng tăng lên, độ

cao sóng tăng lên trong khi đó bước sóng giảm. Độ sâu càng nông thì tốc độ dòng

năng lượng càng giảm đi, do độ cao sóng tỉ lệ với căn bậc hai của năng lượng sóng

nên độ cao sóng phải tăng lên khi sóng tiến đến vùng nước nông hơn để đảm bảo

năng lượng sóng được bảo toàn. Điều này làm cho đỉnh sóng có xu hướng chuyển

động nhanh hơn làm cho con sóng dốc và gây ra hiện tượng sóng đổ.

Trên thực tế khi truyền vào vùng nước nông, độ cao sóng tăng dần lên khi độ

sâu giảm đi. Độ sâu càng giảm thì độ cao sóng càng tăng nhanh và đạt đến một giá

trị cực đại, sau đó, sóng bị đổ nhào và năng lượng của nó tiêu tán đáng kể do quá

trình đổ nhào này.

Hình 2. So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thí nghiệm trong thí nghiệm sóng lan

truyền qua bãi nghiêng thoải (Ting và Kirby 1994)

Trong thí nghiệm vật lý, sóng lan truyền đến vị trí có độ sâu khoảng 0,22m độ

cao sóng bắt đầu tăng lên, đến vị trí độ cao sóng khoảng 0,15m tương ứng với độ sâu

0,19m sóng bắt đầu đổ, sau đó độ cao sóng giảm. So sánh kết quả tính toán và số liệu

18

thí nghiệm cho thấy sự khá phù hợp giữa tính toán và thực đo, đặc biệt phía sau vùng

sóng đổ, độ cao mô phỏng khá sát với thực tế. Trong mô hình, vùng đỉnh sóng được

mô phỏng thấp hơn trong thực tế do phương pháp tiêu tán rối ở vùng sóng đổ, tuy

nhiên, phía sau vùng sóng đổ phân bố độ cao sóng rất phù hợp với thực tế. Phía sau

vùng sóng đổ là nơi quá trình dòng chảy phát sinh do sóng rất phức tạp, chính dòng

chảy này và quá trình tiêu tán năng lượng là nguồn lực gây nên vận chuyển bùn cát

và làm biến đổi đáy, do vậy, mặc dù mô hình có thể không tính tốt tại điểm sóng đổ

nhưng phía sau vùng sóng đổ kết quả mô phỏng cho kết quả phù hợp với thực tế, điều

này mở ra khả năng mô phỏng tốt dòng chảy và vận chuyển cát.

b. Lan truyền sóng trên bãi có bar ngầm (Van Gent và Doorn 2000)


Thí nghiệm của Van Gent và Doorn được thực hiện với mục đích mô phỏng

sự lan truyền sóng qua một bãi nông có một bar ngầm. Thí nghiệm được thực hiện

dựa trên nguyên mẫu là bãi biển tại khu vực phòng thủ biển Petten ở bờ biển Hà Lan.

Đây là một bãi biển thoải có độ dốc 1/30 có sự xuất hiện của một bar ngầm (chi tiết

về bar ngầm được thể hiện trên hình 3), Độ sâu nước trong thí nghiệm là -24m. Các

giá trị về độ cao sóng được đo tại các vị trí phía ngoài bar ngầm, tại đỉnh bar ngầm,

tại rãnh, tại bãi thoải phía trong và tại chân mái dốc. Điều kiện sóng mô phỏng tương

đương với sóng xảy ra trong bão với độ cao sóng 6m, chu kì 9s, mực nước 4,7m

Hình 3. Mô tả thí nghiệm của Van Gent và Doorn (2000) [22]

19

Mô phỏng số được thực hiện với địa hình được xây dựng cùng tỉ lệ, sử dụng

kích thước lưới 1m, bước thời gian 0,02s và tính toán cho 2 lớp.

Kết quả

Hình 4. So sánh kết quả mô phỏng và số liệu thực đo trong thí nghiệm sóng lan

truyền trên bãi thoải có sự xuất hiện của bar ngầm (Van Gent và Doorn 2000)

Trong thực tế với địa hình có bar ngầm ở phía ngoài, sóng có thể bị đổ tại bar

ngầm ở phía ngoài khi mà độ cao sóng bằng khoảng 0,78 lần độ sâu nước trước khi

tiếp tục lan truyền và đổ ở khu vực phía trong. Các quá trình sóng đổ khác nhau sẽ

gây ra sự vận chuyển bùn cát khác nhau làm cho địa hình bị biến đổi. Với điều kiện

sóng bão, sự biến đổi đường bờ diễn ra phức tạp và nhanh chóng hơn. Nếu như các

quá trình động lực thông thường gây nên sự biến đổi đường bờ trong thời đoạn dài

thì trong bão đường bờ có thể bị biến đổi nhanh chóng do những tác động mãnh liệt

của sóng bão. Chính năng lượng sóng lớn khi sóng cập bờ là nguyên nhân phá hủy

bờ sau mỗi trận bão. Do vậy, việc mô phỏng tốt trường sóng trong bão là cơ sở để

tính toán lượng vận chuyển bùn cát nhằm đánh giá diễn biến đường bờ trong điều

kiện bất thường.

Kết quả mô phỏng độ cao sóng bằng mô hình SWASH và so sánh với số liệu

thí nghiệm được thể hiện trên Hình 4. Có thể nhận thấy rằng kết quả mô phỏng sóng

trong bão bằng mô hình SWASH cho kết quả phù hợp với thực tế. Một lần nữa, việc

20

mô phỏng sóng bằng mô hình này cho kết quả tốt, đặc biệt là phía trong vùng sóng

đổ.

c. Dòng chảy sóng (Haller 2002)


Thí nghiệm của Haller và cộng sự có thể được mô tả ngắn gọn như sau: Bãi

biển thoải độ dốc 1/30 được thiết lập trên bể sóng có độ rộng 18,2m chiều dài bể 19m.

Bãi biển thoải nối với vùng nước có đáy ngang phẳng ở độ sâu 0,373m. Trên bãi thoải

có ba cồn ngầm thiết lập tạo thành hai khoảng cách hở giữa ba cồn ngầm, mỗi khoảng

hở rộng 1,82m. Độ sâu tại chân phía ngoài của cồn ngầm là 0,1m, độ sâu tại đỉnh cồn

ngầm là 0,048m, độ rộng chân cồn ngầm là 1,2m. Bảng tạo sóng tại x = 0m (trục x

hướng từ bảng tạo sóng vào bờ, trục y song song với bờ) , chân cồn ngầm phía ngoài

tại x = 11,1m, đỉnh cồn ngầm xấp xỉ tại vị trí x = 12m, chân cồn ngầm phía bờ xấp xỉ

tại x = 12,3m. Từ đường mép nước đến mép chân ngoài của cồn ngầm xấp xỉ 3m.

Sóng tới được tạo ra có chu kỳ 1,0s, độ cao sóng 0,0475m. Các thành phần vận tốc

trung bình độ sâu tại các mặt cắt x = 10m (mc1); 11,2m (mc2); 12,2m (mc3) và 13m

(mc4) được đo đạc để đánh giá vận tốc dòng chảy phía trong cồn ngầm, tại khe hở và

phía ngoài cồn ngầm.

Hình 5. Mô tả thí nghiệm của Haller và nnk (2002)[12]

21

Trong nghiên cứu mô phỏng bằng mô hình SWASH, điều kiện thí nghiệm

tương tự như thí nghiệm của Haller và nnk (2002) được thiết lập với đúng tỉ lệ trong

phòng thí nghiệm. Kích thước ô lưới ∆𝑥 = ∆𝑦 = 0,04𝑚, bước thời gian 0,01s. Các

giá trị vận tốc dòng chảy tại các mặt cắt tương ứng được xuất ra để đánh giá khả năng

mô phỏng của mô hình.

Kết quả

Với dạng địa hình có sự xuất hiện của công trình (cồn ngầm), phía sau công

trình tồn tại nhiều quá trình như sóng phản xạ từ bờ, sóng nhiễu xạ qua công trình,

tác động phi tuyến giữa sóng và dòng chảy, do vậy, việc mô phỏng trường dòng chảy

tại đây là hệ quả của sự tương tác phi tuyến hết sức phức tạp là cực kỳ khó. Một mô

hình toán muốn mô phỏng tốt trường dòng chảy này phải là một mô hình mô phỏng

được đầy đủ các tương tác phi tuyến đã nêu trên thì mới có thể đưa ra được kết quả

phù hợp với số liệu thực đo.

Hình 6 trình bày kết quả mô phỏng trường dòng chảy phát sinh do sóng bằng

mô hình SWASH. Có thể nhận thấy rõ sự xuất hiện của dòng ríp tại khe hở giữa các

cồn ngầm, tại đây sóng trực tiếp tác động đến bờ, bùn cát bị sóng khuấy lên, nước bị

dồn sang hai phía, dòng chảy phát sinh do sóng phân kì sang hai bên tạo nên dòng

uốn men theo cồn ngầm và chảy ra phía ngoài. Phía sau công trình do có sự che chắn,

tác động của sóng yếu, độ cao sóng nhỏ, dòng chảy yếu, dòng trầm tích sinh ra do

sóng khi cập bờ sẽ chuyển sang quá trình lắng đọng hình thành tombolo hay salent

tùy thuộc vào tỷ lệ giữa chiều dài công trình và khoảng cách từ bờ đến công trình.

22

Hình 6. Kết quả phân bố trường dòng chảy (Haller và nnk 2002)

Để đánh giá mức độ chính xác của việc mô phỏng, giá trị của thành phần vận

tốc dọc bờ và vận tốc ngang bờ được trích xuất tại các mặt cắt và so sánh đánh giá

với giá trị thực đo trong phòng thí nghiệm. Kết quả mô phỏng tại các mặt cắt được

được trình bày tại các hình 7-10.

Hình 7 trình bày phân bố vận tốc dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại vị trí x =

10m. Đây là mặt cắt song song song với bờ cách cồn ngầm khoảng 2m. Từ số liệu thí

nghiệm cho thấy tại mặt cắt này thành phần dòng chảy u và v đều nhỏ, dòng chảy

ngang bờ gần như bằng không. Kết quả mô phỏng cho thấy có sự phù hợp giữa kết

quả tính toán thành phần vận tốc ngang bờ bằng mô hình so với số liệu thí nghiệm tại

các vị trí phía ngoài cồn ngầm, tại vị trí khe hở giá trị mô phỏng lớn hơn so với thực

tế. Vận tốc dòng chảy dọc bờ tại mặt cắt này có sự khá tương đồng giữa kết quả tính

toán và số liệu thực đo.

23


10m


11,2 m

Hình 8 trình bày kết quả thành phần vận tốc tại vị trí x = 11,2m chính là vị trí

tại gần sát chân cồn ngầm phía ngoài. Tại mặt cắt này có sự phù hợp giữa kết quả tính

toán và thực đo. Tại vị trí khe hở giữa 2 cồn ngầm, tồn tại một dòng chảy từ bờ ra

24

khơi (dòng ríp) khá rõ ràng và mạnh. Kết quả mô phỏng khá chính xác độ rộng và độ

lớn của dòng chảy này. Thành phần vận tốc v tại mặt cắt này khá nhỏ.


12,2 m

Hình 10. Phân bố các thành phần vận dòng chảy ngang bờ và dọc bờ tại mặt cắt x

= 13m

25

Tại mặt cắt x = 12,2m, đây là mặt cắt ngay phía rìa trong của chân cồn ngầm,

có thể nói đây chính là chân của dòng rip tại khu vực khe hở giữa hai cồn ngầm. Tại

vị trí này có thể thấy giá trị vận tốc khá phù hợp tại khe hở, tuy nhiên, tại vị trí sát

công trình giá trị vận tốc có sự sai khác đáng kể.

Tại mặt cắt x = 13m có sự phù hợp giữa số liệu thí nghiệm và mô phỏng, cả

thành phần vận tốc u và v đều cho xu thế rất phù hợp với kết quả thí nghiệm.

Từ các kết quả trên cho thấy: việc mô phỏng bằng mô hình SWASH đã mô

phỏng được các quá trình rất phức tạp phía sau công trình trong vùng nước nông như

nhiễu xạ qua công trình, hiệu ứng nước nông, khúc xạ do độ sâu biến đổi, tương tác

sóng dòng chảy… những quá trình mà không được mô phỏng tốt bằng các mô hình

dựa trên hệ phương trình cân bằng năng lượng hay hệ phương trình elliptic mild slope,

hệ phương trình parabolic mild slope như kết quả đã được công bố của học viên cùng

nhóm nghiên cứu [8]. Theo kết quả đã được công bố, việc mô phỏng trường dòng

chảy với ứng suất sóng được tính bằng mô đun SW của mô hình Mike 21, do không

tính đến phản xạ sóng, không tính đến hiệu ứng nước nông phi tuyến và tác động của

sóng đổ cũng như tương tác giữa sóng với sóng nên đã ước lượng không tốt ứng suất

sóng, dẫn đến kết quả tính dòng chảy phát sinh do sóng khu vực phía sau công trình

có xu thế nhỏ hơn thực tế. Trong khi với ứng suất sóng được tính từ mô đun PMS và

EMS, mô hình có tính đến phản xạ sóng, nhiễu xạ sóng và hiệu ứng nước nông nhưng

không tính được tương tác phi tuyến sóng với dòng chảy cũng như tương tác sóng

với sóng, hiệu ứng sóng đổ không được mô phỏng tốt nên dẫn đến nhiều sai khác về

tính toán ứng suất sóng dẫn đến kết quả tính toán tuy có tốt hơn việc sử dụng ứng

suất sóng tính từ mô đun SW nhưng vẫn có sai khác khá lớn về độ lớn cũng như xu

thế dòng chảy so với thí nghiệm vật lý.

Việc mô phỏng dòng chảy phát sinh do sóng bằng mô hình SWASH cho kết

quả tốt tại tất cả các mặt cắt, điều mà mô hình khác chưa làm được. Tại mặt cắt phía

ngoài hầu hết các mô hình đều cho kết quả mô phỏng tốt, do các quá trình xẩy ra tại

đó tương đối đơn giản, tuy nhiên, khi lan truyền vào phía bờ với dạng địa hình có

26

công trình việc mô phỏng trở nên khó khăn hơn. Đối với dòng chảy phát sinh do sóng,

nếu không mô phỏng tốt trường sóng thì đối với các khu vực có địa hình phức tạp tồn

tại tương tác phi tuyến mạnh, tồn tại công trình và đặc biệt có hệ thống dòng chảy

phức tạp thì việc mô phỏng khó cho kết quả tốt.

2.2.3 Đánh giá

Kết quả mô phỏng về lan truyền sóng trên bãi thoải trong điều kiện thường,

lan truyền sóng qua bãi có cồn ngầm trong điều kiện bất thường (có bão), và mô

phỏng dòng chảy trong địa hình có sự xuất hiện nhiều cồn ngầm cho thấy: mô hình

cho kết quả mô phỏng khá sát thực tế, các kết quả tính toán vẫn có những sai khác

nhất định, tuy nhiên, khi so sánh với những mô hình khác có thể nhận thấy rằng đây

là mô hình có khả năng mô phỏng khá tốt trong nhiều dạng địa hình và điều kiện tính

toán.

Việc mô phỏng tốt trường sóng trong các điều kiện khác nhau là cơ sở để mô

phỏng tốt dòng chảy phát sinh do sóng trong ở khu vực gần bờ. Mô hình SWASH đã

giải quyết được các hiệu ứng trong vùng nước nông, do vậy, việc mô phỏng cho kết

quả tốt. Qua đây có thể nhận định: mô hình SWASH phù hợp cho việc tính toán trong

khu vực ven bờ.

27

CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CHO BÃI BIỂN CỬA LÒ-NGHỆ AN

Các mô hình được xây dựng nhằm giải quyết các bài toán thực tế, SWASH

cũng vậy, với mục đích mô phỏng các hiện tượng trong khu vực ven bờ, mô hình đã

được xây dựng có thực sự tốt hay không, khả năng ứng dụng vào thực tiễn, cụ thể là

ở Việt Nam có khả thi hay không? Để giải quyết vấn đề đó học viên lựa chọn khu

vực biển Cửa Lò Nghệ An là khu vực nghiên cứu. Trong chương này, các vấn đề

được trình bày bao gồm: Tổng quan về khu vực nghiên cứu, số liệu và phương pháp

nghiên cứu, quá trình ứng dụng mô hình vào thực tế bao gồm việc chuẩn bị miền tính,

lưới tính, hiệu chỉnh kiểm định mô hình, xác định các điều kiện tính toán và kết quả

đạt được.

3.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu

3.1.1 Vị trí địa lý

Tỉnh Nghệ An nằm ở trung tâm khu vực Bắc Trung Bộ, với diện tích 16.490,25

km2, lớn nhất cả nước; dân số hơn 3 triệu người, đứng thứ tư cả nước nơi đây hội tụ

đầy đủ các tuyến giao thông đường bộ, đường sắt, đường hàng không, đường biển,

đường thuỷ nội địa; điều kiện tự nhiên phong phú, đa dạng như một Việt Nam thu

nhỏ... Nghệ An có nhiều tiềm năng và lợi thế để thu hút đầu tư và ngày càng có nhiều

nhà đầu tư trong và ngoài nước đến tìm hiểu cơ hội đầu tư, kinh doanh tại Nghệ An

[1].

Hình 11. Bản đồ hành chính tỉnh Nghệ An

28

Thị xã Cửa Lò là một trong 19 đơn vị hành chính cấp huyện của tỉnh Nghệ An,

cách thủ đô Hà Nội 300km về phía Bắc, cách thành phố Hồ Chí Minh 1400km về

phía Nam và cách thành phố Vinh - thủ phủ của tỉnh Nghệ An 17km về phía Đông

Bắc, với toạ độ địa lý từ 18°55' đến 19°15’ vĩ độ Bắc và 105°38' đến 105°52' kinh độ

Đông. Ranh giới Thị xã:

Phía Tây giáp huyện Nghi Lộc

Phía Nam giáp huyện Nghi Xuân - Hà Tĩnh

Phía Bắc giáp xã Nghi Thiết - Nghi Lộc

Phía Đông giáp Biển Đông

Hình 12. Khu vực biển Cửa Lò - Nghệ An

Thị xã Cửa Lò gồm 7 phường: Phường Nghi Thủy, Phường Nghi Tân, Phường

Thu Thủy, Phường Nghi Hòa, Phường Nghi Hải, Phường Nghi Hương và Phường

Nghi Thu.

3.1.2 Địa hình địa mạo

Thị xã Cửa Lò chạy dọc theo bờ biển với chiều dài 12 km và chiều ngang 2,3

- 4 km. Địa hình không bằng phẳng gồm nhiều cồn cát hình lượn sóng chạy song song

29

với bờ biển, độ cao trung bình 3,5 - 3,8 m, có nơi 4,5 - 5,5 m, sát bờ biển có những

cồn cao từ 7 - 8 m so với mặt biển nên các dòng chảy bề mặt chảy về hai đầu đổ vào

sông Cấm, sông Lam trước khi chảy ra biển với tốc độ thoát nước chậm [6].

Cửa Lò thuộc vùng đồng bằng ven biển, địa hình đa dạng, có hướng dốc từ

Tây sang Đông, cao ở phía Tây, thấp xuống phía Đông, chia thành hai vùng lớn:

- Vùng bán sơn địa: phía Tây và Tây Bắc của thị xã là đồi núi có độ cao và độ

dốc chênh lệch nhiều, bị chia cắt, do có những đồng bằng phù sa sông suối xen kẽ

tương đối rộng;

- Vùng đồng bằng: nằm ở trung tâm phía Đông; Đông Nam của thị xã, có địa

hình tương đối bằng phẳng, độ cao chênh lệch từ 0,6 - 5m.

3.1.3 Điều kiện khí tượng hải văn

Khí hậu [6]

Cửa Lò nằm trong vùng khí hậu Bắc Trung Bộ, chịu ảnh hưởng của khí hậu

nhiệt đới gió mùa, với hai mùa rõ rệt: nóng bức về mùa hè và ẩm ướt về mùa đông -

Bức xạ mặt trời và số giờ nắng: Khu vực Thị xã Cửa Lò có tổng lượng bức xạ dồi

dào, trung bình hàng năm đạt 230 - 250 Kcal/cm2, số giờ nắng trong năm đạt từ 1680

- 1780 giờ, tháng thấp nhất cũng đạt trên 50 giờ. Tổng số giờ nắng từ tháng 5 đến

tháng 9 phổ biến từ 1000 – 1150 giờ.

Chế độ nhiệt [6]

Mùa hè kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, có gió Tây Nam (gió Lào) khô và

nóng, tháng 7 là tháng nắng nhất trong năm với nhiệt độ trung bình 36°C, trị số cao

nhất có thể đạt 40,9°C. Mùa đông từ tháng 11 đến tháng 2, có gió Đông Bắc lạnh và

khô hanh, tháng 1 là tháng lạnh nhất với nhiệt độ trung bình là 12°C trị số thấp nhất

có thể xuống tới 5,4°C. Nhiệt độ không khí trung bình hàng năm là 23,8°C.

Tuy nhiên, thị xã Cửa Lò nằm sát Biển Đông có khả năng điều hoà vi khí hậu

vùng rất tốt nên ở đây khí hậu tương đối dễ chịu hơn ở các địa phương khác trong

tỉnh.

30

Chế độ mưa ẩm [6]

Lượng mưa bình quân hàng năm trên 2000mm nhưng phân bố không đều theo

từng tháng và mùa trong năm. Mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 và kéo dài đến tháng 11,

lượng mưa chiếm khoảng 86,5% tổng lượng mưa cả năm. Độ ẩm không khí tương

đối trong năm bình quân 85%, thấp nhất trong các tháng 6, 7 đạt mức 75%.

Chế độ gió [6]

Trong năm, ở Nghệ An có 2 hướng gió chính thịnh hành là : mùa hè có gió

Tây Nam từ tháng 5 đến tháng 8 và gió Đông Nam từ tháng 4 đến tháng 10 với vận

tốc 1 , 5 - 6 m/s, mùa đông có gió Đông Bắc với tốc độ gió trung bình 1,2 – 4 m/s.

Những đợt gió mạnh thường xảy ra vào mùa mưa (tháng 6 - 10) với tốc độ trung bình

4,2 m/s.

Ngoài ra, do nằm sát Biển Đông nên thị xã Cửa Lò cũng chịu ảnh hưởng của

loại gió biển nhưng đặc trưng cho khu vục ven biển và duyên hải: ban ngày có gió

đất liền thổi từ lục địa ra biển, ban đêm có gió thổi từ biển vào đất liền.

Thuỷ văn [6]

Thị xã Cửa Lò nằm giữa 2 con sông Lam và sông Cấm. Sông Lam là con sông

lớn bắt nguồn từ Lào chảy qua một số huyện tỉnh Nghệ An và đổ ra biển ở Cửa Hội.

Sông Cấm được hình thành từ những khe suối nhỏ ở vùng đồi núi phía Tây và Tây

Bắc Nghệ An và đổ ra biển ở Cửa Lò. Sông Cấm chịu ảnh hưởng của chế độ thuỷ

triều, mùa mưa nước dâng cao tràn vào bờ bồi đắp phù sa cho các cánh đồng ven

sông. Nhiệm vụ chính của sông Cấm là tiêu thoát nước tự nhiên trong mùa bão lũ và

cung cấp nước tưới tiêu cho nông nghiệp

Hải văn

Chế độ sóng [5]

Vào các tháng mùa gió mùa Đông Bắc (tháng 1, 2, 11, 12) các hướng sóng

chính là NE, E, SE trong đó hướng chủ đạo là NE và nó có xu hướng tăng vào nửa

đầu mùa đông và giảm vào các tháng nửa cuối. Còn hướng SE có xu hướng giảm vào

31

nửa đầu mùa đông và tăng vào các tháng nửa cuối mùa đông. Vào thời gian này dường

như chỉ xuất hiện những sóng này, hầu như không xuất hiện các sóng hướng khác.

Hình 13. Hoa sóng tháng 1 (theo số liệu sóng NOAA)

Vào các tháng mùa gió mùa Tây Nam (tháng 5, 6, 7, 8) các hướng sóng chính

là SE, S, SW, NE; hướng chủ đạo là SE. Nửa đầu của mùa gió tây nam hướng SE,

NE có xu hướng giảm sóng hướng S tăng lên. Vào các tháng nửa cuối mùa hè hướng

NE không còn là một trong những hướng sóng chính mà thay vào đó là hướng SW.

Hình 14. Hoa sóng tháng 7 (theo số liệu sóng NOAA)

Vào các tháng chuyển tiếp từ mùa đông sang mùa hè (tháng 4, 5) các hướng

sóng chính vẫn là NE, E, SE nhưng hướng chủ đạo là hướng SE.

32

Vào các tháng chuyển tiếp từ mùa hè sang mùa đông (tháng 9, 10) thì các

hướng sóng chính tương tự các tháng chuyển tiếp từ mùa đông sang mùa hè nhưng

hướng sóng chủ đạo là hướng NE. Vào những tháng này thì các sóng hướng khác vẫn

có xuất hiện nhưng với tần suất nhỏ. Trong khi những tháng còn lại hầu như không

có sự xuất hiện của các sóng hướng khác ngoài các hướng sóng chính.

Chế độ thủy triều [9]

Tính chất, đặc điểm và diễn biến của thủy triều vùng biển Nghệ An chịu sự tác

động của nhiều nhân tố (vị trí địa lý, địa hình đáy biển, điều kiện thiên văn và một số

nhân tố khác). Trong đó, nhân tố quan trọng nhất tác động mạnh mẽ đến đặc điểm,

tính chất của thủy triều là vị trí cũng như địa hình đáy biển. Nằm trong vịnh Bắc Bộ

- một vịnh lớn, kín và phức tạp của nước ta, lại kết hợp thêm một số yếu tố địa hình

của vùng thềm lục địa Nghệ An đã tạo điều kiện cho quá trình cộng hưởng của các

sóng triều khi truyền vào đây.

Dưới sự tác động của các nhân tố trên, thủy triều vùng biển Nghệ An mang

những đặc điểm của chế độ triều hỗn hợp. Với hệ số đặc trưng thủy triều H=3,58,

thủy triều vùng biển Nghệ An được đánh giá là có chế độ nhật triều không đều. Trong

tháng có khoảng 10 - 13 ngày thủy triều có 2 lần nước lên và 2 lần nước xuống. Biên

độ triều ở đây khá lớn (2,5 - 3m vào kỳ nước cường) và giảm dần từ Bắc vào Nam.

Nơi có biên độ lớn nhất là vùng vịnh Diễn Châu. Khi đi vào các cửa sông, biên độ

triều cũng có những thay đổi đáng kể. Thủy triều vùng biển Nghệ An cũng biến thiên

theo những chu kỳ nhất định.

3.2 Số liệu và phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Số liệu

Trong nghiên cứu này các số liệu được sử dụng là sự kết hợp giữa số liệu thực

đo, số liệu thu thập và số liệu tái phân tích toàn cầu. Cụ thể:

- Số liệu địa hình: số liệu địa hình được sử dụng để xây dựng lưới tính cho mô

hình là số liệu thực đo khu vực gần bờ vào tháng 6/2018 (khu vực được thể hiện trong

33

hình 15) kết hợp với số liệu hải quân đo đạc năm 2009. Bộ số liệu được đồng bộ hóa

về hệ cao độ quốc gia, hệ tọa độ UTM48 [3].

Hình 15. Khu vực đo địa hình chi tiết

- Số liệu hiệu chỉnh kiểm định mô hình: trong luận văn sử dụng số liệu sóng

thực đo trong hai mùa tại Cửa Lò để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Trong đó, số

liệu sóng mùa gió mùa Đông Bắc được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình và số liệu mùa

gió mùa Tây Nam phục vụ kiểm định mô hình. Chi tiết các trạm đo được thể hiện

trong bảng 1 [4, 7].

Bảng 1.Chi tiết trạm đo sóng

Mùa gió mùa Đông Bắc Mùa gió mùa Tây Nam

Tọa độ trạm ngoài khơi 105046’49,90”E

18049’55,1”N

105046’53” E

18049’50” N

Tọa độ trạm ven bờ 105043’42,27”E

18048’31,49”N

105043’40,1”E

18048’30,4”N

Thời gian đo 19/3/2019-25/3/2019 17/6/2018-24/6/2018

34

Hình 16. Trạm đo sóng

- Số liệu tại biên tính toán: để xác định điều kiện sóng đầu vào tại biên của mô

hình luận văn sử dụng số liệu sóng tái phân tích toàn cầu của Cơ quan Quản lý Khí

quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ - National Oceanic and Atmospheric

Administration (NOAA) tại vị trí có tọa độ 190N, 106,50E. Số liệu sau khi thu thập

sẽ được thống kê làm cơ sở để xác định kịch bản tính toán.

Hình 17. Trạm số liệu sóng NOAA

35

3.2.2 Phương pháp

Với số liệu đã được chuẩn bị, việc tính toán được thực hiện.

Do miền tính (được trình bày chi tiết ở phần sau) là khu vực nhỏ gần bờ, trong

khi đó các số liệu được sử dụng để làm điều kiện biên lại ở vị trí xa bờ cho nên trong

tính toán sử dụng mô hình SWAN tính toán lan truyền sóng từ khu vực ngoài khơi và

trích xuất số liệu tại biên cho mô hình SWASH. Việc này được thực hiện cho cả quá

trình hiệu chỉnh kiểm định lẫn quá trình tính toán theo các kịch bản.

Trong luận văn này, số liệu sóng thực đo tại trạm ngoài khơi được sử dụng

làm biên đầu vào để tính toán lan truyền sóng, sau đó, so sánh kết quả với trạm ven

bờ để hiệu chỉnh mô hình nhằm đưa ra bộ thông số phù hợp với khu vực tính toán.

Tiến hành kiểm định với bộ số liệu thực đo mùa còn lại để khẳng định mức độ phù

hợp của bộ thông số đã xác định. Hệ số Nash được sử dụng để đánh giá kết quả của

mô hình.

Sau khi có được bộ thông số phù hợp với khu vực tính toán, tiến hành tính

toán theo các kịch bản. Các kịch bản được xây dựng dựa vào thống kê số liệu sóng

tái phân tích toàn cầu NOAA từ năm 1979 đến năm 2017. Các kịch bản được đưa ra

dựa vào sự xuất hiện của các hướng sóng chủ đạo. Trong mô hình SWASH, sóng với

các hướng khác nhau được đưa vào, tuy nhiên, cần chú ý khi tính bằng lưới Đề các,

giá trị hướng sóng là góc lượng giác tính từ gốc 0 của trục Ox đến vecto hướng sóng

theo ngược chiều kim đồng hồ. Theo đó, giá trị của các hướng sóng khi đưa vào tính

toán tương ứng là: N (2700), NE(2250), E(1800), SE(1350), S(900), SW(450), W(00),

NW(3150).

Trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, việc tính toán vận chuyển bùn cát ở vùng

ven bờ là nội dung hết sức quan trọng, vì bùn cát chính là yếu tố trung gian trong quá

trình gây nên hiện tượng xói lở hay bồi lấp ở bờ biển. Biết được lượng vận chuyển

bùn cát ven bờ thì mới có thể dự báo được sự biến đổi của đường bờ trong điều kiện

tự nhiên cũng như đánh giá được ảnh hưởng của các công trình xây dựng sau này.

36

Trên cơ sở kết quả tính toán trường sóng và trường dòng chảy tiến hành thử

nghiệm tính toán vận chuyển bùn cát qua một số mặt cắt từ số liệu sóng và dòng chảy

được xuất ra từ mô hình. Hiện nay, có khá nhiều công thức để tính toán vận chuyển

bùn cát tùy thuộc vào hình thức vận chuyển là di dáy hay lơ lửng hay dựa vào việc

vận chuyển bùn cát là do sóng hay do dòng chảy hay kết hợp giữa sóng và dòng chảy

như công thức về vận chuyển trầm tích tổng cộng do dòng chảy của Van Rijn (1984)

hay công thức của Engelund và Hansen (1972), công thức Acker và White (1973)

cũng về tính toán vận chuyển trầm tích tổng cộng do dòng chảy, công thức của Bailard

(1981) đối với vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng, công thức Soulsby – Van

Rijn cho vận chuyển trầm tích tổng cộng do sóng và dòng chảy kết hợp… Trong

nghiên cứu này, với mục đích thử nghiệm tính toán vận chuyển bùn cát do sóng, học

viên lựa chọn sử dụng công thức tính vận chuyển bùn cát di đáy của Van Rijn (2007)

[23]:

𝑞𝑏 = 𝛼𝑏𝜌𝑠𝑈ℎ(𝑑50/ℎ)1.2𝑀𝑒1.5

trong đó:

𝑞𝑏 vận chuyển di dáy (kg/s/m)

𝛼𝑏 = 0.015

𝑀𝑒 = (𝑈𝑤 − 𝑈𝑐𝑟)/[(𝑠 − 1)𝑔𝑑50]0.5 tham số chuyển động (-)

𝑈𝑒 = 𝑈 + 𝛾𝑈𝑤 vận tốc hiệu quả (effective velocity) (m/s) với 𝛾 = 0.4 cho sóng

không đều và 0,8 cho sóng đều

U vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu (m/s)

𝑈𝑤 = 𝜋𝐻𝑠/[𝑇𝑝sinh (𝑘ℎ)] vận tốc quỹ đạo phổ (m/s) dựa vào lý thuyết sóng

tuyến tính.

𝐻𝑠 độ cao sóng có nghĩa (m); 𝑇𝑝 chu kì sóng đỉnh phổ (s)

𝑈𝑐𝑟 = 𝛽𝑢𝑐𝑟,𝑐 + (1 − 𝛽)𝑢𝑐𝑟,𝑤 là vận tốc tới hạn (m/s) với 𝛽 = 𝑢/(𝑢 + 𝑈𝑤)

𝑈𝑐𝑟,𝑐 là vận tốc tới hạn (m/s) của dòng chảy dựa trên Shields (Van Rijn, 1993)

37

𝑈𝑐𝑟,𝑤 là vận tốc tới hạn (m/s) của sóng (Van Rijn, 1993)

𝑈𝑐𝑟,𝑐 = 0.19(𝑑50)0,1log (12ℎ/3𝑑90) nếu 0,0001<𝑑50<0,0005 m

𝑈𝑐𝑟,𝑐 = 8.5(𝑑50)0,6log (12ℎ/3𝑑90) nếu 0,0005<𝑑50<0,002 m

𝑈𝑐𝑟,𝑤 = 0.24[(𝑠 − 1)𝑔]0,66𝑑500,33(𝑇𝑝)

0,33 nếu 0,0001<𝑑50<0,0005 m

𝑈𝑐𝑟,𝑤 = 0.95[(𝑠 − 1)𝑔]0,57𝑑500,43(𝑇𝑝)

0,14 nếu 0,0005<𝑑50<0,002 m

3.3 Ứng dụng mô hình SWASH tính toán trường sóng và dòng chảy phát sinh

do sóng cho khu vực Cửa Lò - Nghệ An

3.3.1 Miền tính và lưới tính toán

Miền tính: Khu vực tính toán thuộc khu vực biển Cửa Lò – Nghệ An được giới

hạn như trên hình 18. Khu vực quan tâm là khu vực tính từ đảo Lan Châu xuống phía

Nam khoảng 2km, tuy nhiên, để tránh ảnh hưởng từ biên và sai số do các sóng có

hướng không vuông góc tại biên, khu vực tính toán được mở rộng lên phía Bắc và

xuống phía Nam mỗi bên khoảng 200m.

Hình 18. Khu vực tính toán

Lưới tính toán: trong tính toán sử dụng lưới đều trong hệ tọa độ Đề các với

kích thước ô lưới ∆𝑥 = ∆𝑦 = 1,5𝑚.

38

3.3.2 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình

a. Hiệu chỉnh mô hình

Trên cơ sở giá trị của các hệ số đã được sử dụng trong các tính toán ứng dụng

thử nghiệm cho các bài toán trong phòng thí nghiệm ở chương 2, tiến hành hiệu chỉnh

với bộ hệ số bao gồm: hệ số nhớt rối ngang theo công thức Smagorinsky với giá trị

trong khoảng [0,1-0,3], hệ số ma sát đáy sử dụng theo công thức số Manning với giá

trị trong khoảng [0,01-0,04], hệ số sóng vỡ 𝛼 trong khoảng [0,3-0,7], 𝛽 trong khoảng

[0,15-0,4].

Quá trình hiệu chỉnh được tiến hành như sau: giữ nguyên 3 tham số, thay đổi

tham số còn lại, đánh giá độ nhạy và xác định được giá trị phù hợp của tham số đó.

Sau khi có được giá trị của tham số đầu tiên, quá trình tiếp tục với các tham số còn

lại. Quá trình được tiếp diễn để xác định giá trị phù hợp với khu vực của từng tham

số.

Trong các tham số đã lựa chọn để hiệu chỉnh, tham số có ảnh hưởng nhiều

nhất đến kết quả mô phỏng là hệ số nhớt, tham số ít có ảnh hưởng nhất là hệ số sóng

vỡ. Việc thay đổi giá trị của hệ số sóng vỡ không làm thay đổi nhiều kết quả tính

toán, do vậy, trong tính toán này, sử dụng giá trị mặc định của mô hình do giá trị này

đã được sử dụng tại chương 2 và cho kết quả tốt đối với trường hợp địa hình có hình

dạng và kích thước gần giống với thực tế trong thí nghiệm lan truyền sóng trên bãi

có bar ngầm. Trong hai tham số còn lại, sự thay đổi giá trị của tham số sẽ làm cho kết

quả biến đổi nghịch biến, giá trị của các tham số tăng lên sẽ dẫn đến kết quả độ cao

sóng giảm xuống và ngược lại. Trong tính toán, nếu sử dụng các giá trị mặc định của

mô hình sẽ dẫn đến kết quả thiên cao, do vậy, cần tăng các giá trị của tham số. Trong

hai tham số này, tham số có ảnh hưởng nhiều đến kết quả là hệ số nhớt, việc thay đổi

giá trị của hệ số ma sát làm kết quả ít biến đổi hơn.

Trên cơ sở các tính toán ở chương 2 cùng với quá trình hiệu chỉnh xác định

được bộ tham số cho khu vực Cửa Lò – Nghệ An như sau: hệ số ma sát = 0,025, hệ

số nhớt = 0,25, hệ số sóng vỡ 𝛼 = 0,6, 𝛽 = 0,3

39

Hình 19. Kết quả hiệu chỉnh mô hình

Kết quả tính toán trường sóng được hiệu chỉnh với chuỗi số liệu thực đo tại

trạm gần bờ trong thời gian từ 7h ngày 20/3/2019 đến 7h ngày 23/3/2019. Kết quả

hiệu chỉnh mô hình được đánh giá bằng chỉ số Nash, với giá trị bằng 0,74 cho thấy

mức độ phù hợp giữa số liệu thực đo và tính toán.

b. Kiểm định mô hình

Với bộ tham số đã được xác định, tiến hành tính toán kiểm định mô hình với

bộ số liệu thực đo từ 1h ngày 20/6/2018 đến 1h ngày 24/6/2018. Kết quả kiểm định

cho hệ số Nash = 0,62. Kết quả này cho thấy rằng bộ tham số là phù hợp cho khu vực

tính toán.

Hình 20. Kết quả kiểm định mô hình

40

Do bộ số liệu thực đo dòng chảy là kết quả dòng chảy tổng cộng không tách

được riêng dòng cho sóng nên quá trình hiệu chỉnh kiểm định dòng chảy không được

thực hiện, tuy nhiên, qua kết quả tính toán ở chương 2 có thể khẳng định mô hình phù

hợp để tính toán trường dòng chảy khu vực ven bờ.

3.3.3 Kịch bản tính toán

Qua thống kê số liệu sóng từ NOAA cho ngoài khơi khu vực Cửa Lò Nghệ An

thấy rằng: tại khu vực này sóng ảnh hưởng chủ yếu là sóng hướng NE (32,83%), SE

(41,94%) và E (19,88%). Do vậy, tiến hành tính toán theo các kịch bản là các hướng

sóng chính với độ cao sóng và chu kì sóng đưa vào tính toán là độ cao sóng có nghĩa

và chu kì sóng tương ứng của từng hướng.

Bảng 2. Thống kê sóng nhiều năm tại Nghệ An (1979-2017)

Hướng H1/3 (m) T1/3 (s) Tần suất (%)

N 1.42 4.89 0.77

NE 1.57 6.89 32.83

E 0.98 5.72 19.88

SE 0.95 5.72 41.94

S 0.66 3.47 1.25

SW 0.62 3.32 2.52

W 0.56 3.18 0.47

NW 0.60 3.12 0.36

Kịch bản tính toán được đưa ra như trong bảng 3.

Bảng 3. Kịch bản tính toán

Kịch bản Hướng Độ cao (m) Chu kì (s)

1 NE 1,57 6,89

2 E 0,98 5,72

3 SE 0,95 5,72

3.3.4. Kết quả tính toán

Với bộ tham số phù hợp cho khu vực tính toán, các kịch bản, điều kiện tính

toán được đưa ra, tiến hành mô phỏng và nhận được kết quả như sau:

41

Kết quả tính toán trường sóng

Hình 21. Trường sóng kịch bản sóng hướng NE

Với kịch bản hướng sóng đầu vào là hướng NE, khi sóng lan truyền từ ngoài

khơi vào vùng ven bờ độ cao sóng tương đối lớn do không có sự cản trở của đảo hay

công trình, khu vực nhỏ sát bờ độ cao sóng nhỏ, trong quá trình lan truyền sóng bị

phân tán tạo nên như vực sóng không đều. Tại khu vực uốn gần đảo Lan Châu độ cao

sóng nhỏ, khi sóng hướng NE lan truyền đến đảo Lan Châu do đây là khu vực bờ đá,

đón sóng trực tiếp nên độ cao sóng tại khu vực này khá lớn vào khoảng 0,6-0,7m, với

kịch bản hướng sóng này cũng xuất hiện những khu vực nhỏ lặng sóng dọc bờ biển,

đây chính là những nơi có nguy cơ xảy ra dòng rip gây nguy hiểm cho người tắm

biển. Với hướng sóng có xu hướng vuông góc với bờ sẽ tạo ra những vùng hội tụ và

phân kì năng lượng năng lượng sóng là nguyên nhân gây ra dòng rip.

42

Hình 22. Trường sóng kịch bản sóng hướng E

Đối với sóng hướng E, việc tính toán cho kết quả có sai số do hướng sóng

không vuông góc với biên là nhỏ nhất. Tương tự như đối với kịch bản sóng hướng

NE, khu vực ven bờ độ cao sóng nhỏ. Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào

làm xuất hiện những vệt sóng có độ cao lớn nhỏ xen kẽ nhau. Độ cao sóng trong kịch

bản này tương đối nhỏ vào khoảng 0,5m.

Với kịch bản sóng hướng SE, khi sóng lan truyền từ ngoài khơi vào độ cao

sóng giảm, hướng sóng có xu hướng chuyển thành sóng hướng E do đảo Hòn Ngư

chắn ở phía ngoài. Độ cao sóng tương đối nhỏ trong kịch bản này.

43

Hình 23. Trường sóng kịch bản sóng hướng SE

Có thể thấy kết quả tính toán bằng mô hình SWASH cho kết quả trường sóng

khá khác so với mô hình thường dùng trước đây như mô hình Mike 21 SW. Nếu như

quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào vùng ven bờ được tính bằng mô hình

Mike độ cao sóng suy giảm theo độ sâu, thì khi tính bằng mô hình SWASH do phân

tán tần số, độ cao sóng suy giảm trong quá trình truyền sóng tạo nên những những

con sóng có độ cao lớn nhỏ xen kẽ nhau. Nhiều quá trình được tính đến làm cho kết

quả mô phỏng sát với thực tế hơn.

Trong cả ba kịch bản tính toán, khu vực sát bờ đều có độ cao sóng nhỏ, khu

vực mũi đảo Lan Châu có độ cao sóng tương đối lớn do đây là khu vực đón sóng trực

tiếp, khu vực uốn cong chỗ gần đảo Lan Châu do là vùng khuất sóng nên đây là chỗ

sóng khá nhỏ trong tất cả các trường hợp

Kết quả tính toán trường dòng chảy

Các hướng sóng khác nhau lan truyền vào bờ có tác động khá khác nhau đến

khu vực bãi tắm Cửa Lò, Nghệ An. Với sóng NE, sóng lan truyền trực tiếp vào khu

44

vực bãi tắm, hiệu ứng nước nông và khúc xạ có tác động chính đến phân bố trường

sóng vùng gần bờ. Các hướng sóng E, SE bị tác động chắn của đảo Hòn Ngư nên bị

suy giảm độ lớn khá nhiều khi tiếp cận bãi biển. Các quá trình khúc xạ, nhiễu xạ, biến

dạng có ý nghĩa lớn trong việc phân bố trường sóng khu vực ven bờ. Do đó, trường

dòng chảy ven bờ của các sóng hướng E, SE sẽ khác so với trường dòng chảy do sóng

hướng NE gây ra.

Hình 24. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng NE

Đối với sóng hướng NE, trường dòng chảy có sự biến đổi mạnh, dòng chảy có

xu thế men theo sườn phía nam đảo Lan Châu, dọc bờ biển xuất hiện những dòng

ngang bờ.

45

Hình 25. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng E

Với kịch bản sóng hướng E và SE, dòng chảy chủ yếu là dòng dọc bờ, dòng

ven bờ đều có hướng đi từ Nam lên Bắc men theo bờ biển và tồn tại trong khoảng

phía trong vùng sóng đổ là chủ yếu. Duy có khu vực khúc uốn gần đảo Lan Châu, do

có sự hội tụ của hai dòng chảy phía đầu đảo đi xuống và dòng dọc bờ đi lên dẫn đến

khu vực này thường tồn tại dòng tách bờ khá nguy hiểm. Dòng này hướng ra khơi về

phía các đảo đá nhỏ chắn phía ngoài và có độ lớn vận tốc cỡ 0,5m/s.

46

Hình 26. Trường dòng chảy kịch bản sóng hướng SE

Thử nghiệm ứng dụng kết quả của mô hình SWASH để tính toán vận

chuyển bùn cát

Quá trình vận chuyển trầm tích đóng một vai trò hết sức quan trọng trong ổn

định bờ biển. Rất nhiều vấn đề liên quan tới xây dựng các công trình bờ đòi hỏi cung

cấp các số liệu tính toán định lượng về bồi tụ, xói lở và ổn định đường bờ. Sóng, dòng

chảy cùng với các tính chất vật lý của vật liệu đáy là những nhân tố quan trọng quyết

định cho các quá trình trên. Việc tính toán vận chuyển bùn cát ở biển rất phức tạp do

quá trình vận chuyển bùn cát ở biển không những chịu tác động của dòng chảy mà

còn chịu ảnh hưởng của các dao động mực nước do thủy triều, các tác động của sóng

và vô số các lực tạo thành dòng chảy khác nhau và liên tục biến đổi.

Trong tự nhiên, sóng đóng vai trò khuấy trầm tích lên và tạo dòng chảy mang

vật chất đi. Vận chuyển bùn cát do sóng thường tạo thành biến đổi địa hình, đối với

đường bờ, sự di chuyển bùn cát dọc bờ có vai trò quan trọng trong sự biến động đường

bờ. Trong luận văn này, học viên chỉ sử dụng kết quả của mô hình SWASH để thử

nghiệm tính toán lượng bùn cát vận chuyển qua một số mặt cắt để chứng minh cho

47

việc có thể sử dụng kết quả của mô hình SWASH cho việc tính toán dòng vận chuyển

bùn cát mà chưa đi sâu nghiên cứu biến động đường bờ.

Để phục vụ tính toán vận chuyển bùn cát, số liệu sóng và dòng chảy tại một

số mặt cắt đại diện được trích xuất. Kết quả tính toán về lượng bùn cát vận chuyển

qua các mặt cắt được thể hiện trong bảng 4.

Hình 27. Mặt cắt tính toán vận chuyển bùn cát

Tại khu vực bãi biển Cửa Lò – Nghệ An với các sóng có hướng chủ đạo là

hướng SE và E, dòng chảy chủ yếu hướng từ Nam lên Bắc làm cho dòng bùn cát cũng

có xu hướng vận chuyển từ Nam lên Bắc. Có thể thấy với kịch bản sóng hướng E, do

tần suất xuất hiện nhỏ nhất nên lượng vận chuyển bùn cát qua các mặt cắt theo hướng

này tương đối nhỏ. Chủ yếu gây ra vận chuyển bùn cát đối với khu vực này là sóng

hướng SE và NE. Nếu như sóng hướng NE có xu hướng làm bùn cát vận chuyển

xuống phía Nam thì sóng hướng SE có xu hướng làm bùn cát vận chuyển lên phía

Bắc. Có thể thấy định lượng về lượng bùn cát vận chuyển lên phía Bắc có xu hướng

lớn hơn phía Nam. Từ kết quả tính toán có thể nhận thấy rằng dòng bùn cát có xu

hướng vận chuyển lên phía Bắc.

48

Bảng 4. Kết quả tính toán bùn cát vận chuyển qua các mặt cắt

Hướng Q (m3/năm) Ghi chú

MC1

NE -29.88

43.54

(+) hướng lên

phía bắc

(-) hướng

xuống phía

Nam

E -1.83

SE 75.25

MC2

NE 332.68

350.53 E -0.03

SE 17.88

MC3

NE -249.61

-120.25 E -4.50

SE 133.85

MC4

NE -33.71

-33.69 E 0.02

SE 0.00

MC5

NE -190.96

287.76 E 0.14

SE 478.58

Bùn cát có xu hướng vận chuyển từ phía Nam lên phía Bắc, trong quá trình di

chuyển, những hạt có kích thước lớn không bị di chuyển hoặc di chuyển một quãng

đường nhỏ sẽ bị lắng đọng lại, những hạt mịn hơn sẽ tiếp tục bị di chuyển do tác động

của sóng và dòng chảy, quá trình tiếp tục diễn ra. Tại khu vực uốn gần đảo Lan Châu

nơi có dòng chảy yếu, quá trình vận chuyển bùn cát di đáy ít diễn ra. Bùn cát từ phía

nam di chuyển lên thường sẽ lắng đọng tại vị trí này. Tại đây, cát thường là cát mịn

có độ chọn lọc cao, do những hạt lớn đã bị lắng đọng trong quá trình di chuyển, đến

tại vị trí này tạo thành bãi cát mịn. Điều này làm cho nhiều du khách chọn vị trí này

làm nơi vui chơi tắm biển. Tuy nhiên, tại vị trí uốn cong gần đảo Lan Châu có sự hội

tụ của dòng chảy từ phía Nam đi lên và dòng chảy từ phía đầu đảo đi xuống thường

tạo dòng tách bờ rất nguy hiểm, chính dòng này cuốn người tắm biển đi gây nhiều vụ

đuối nước thương tâm. Do vậy, cần có những cảnh báo cho người dân, du khách biết

để tránh gặp phải những tai nạn đáng tiếc.

49

Kết luận và kiến nghị

Mô hình SWASH đã được kiểm nghiệm qua ba bài toán: lan truyền sóng trên

bãi nghiêng thoải, lan truyền sóng trên bãi có bar ngầm trong điều kiện bão, dòng

chảy sóng trong địa hình có cồn ngầm. Kết quả này khẳng định rằng mô hình SWASH

phù hợp để tính toán vùng ven bờ.

Tính toán cho trường hợp thực tế ở Việt Nam kết quả cho thấy trường sóng

được mô phỏng khá tốt, thể hiện được các hiện tượng sóng trong vùng nước nông

như khúc xạ, nhiễu xạ… Việc mô phỏng tốt trường sóng là điều kiện quan trọng cho

việc mô phỏng tốt trường dòng chảy, từ đó có thể ứng dụng tính toán vận chuyển bùn

cát.

Qua tính toán thực tiễn cho khu vực biển Cửa Lò Nghệ An nhận thấy: Mô hình

có khả năng liên kết với mô hình SWAN thông qua biên liên kết tính toán đã mở ra

khả năng mô phỏng tốt trường sóng lan truyền sóng từ ngoài khơi đến vùng ven bờ;

Đối với mô hình SWASH thời gian tính toán tương đối nhanh, tuy nhiên, mô hình

chạy chưa ổn định khi thay đổi các tham số của mô hình; Trong các tham số của mô

hình, hệ số nhớt rối là tham số có ảnh hưởng nhiều nhất đến kết quả của mô hình.

Nghiên cứu trong luận văn mới chỉ dừng lại ở việc ứng dụng kết quả của mô

hình SWASH để tính toán thử nghiệm lượng bùn cát vận chuyển qua một số mặt cắt

mà chưa đi sâu nghiên cứu biến động đường bờ. Đây là điểm hạn chế của luận văn,

tuy nhiên, qua việc tính toán này có thể chứng minh được khả năng sử dụng kết quả

của mô hình cho việc tính toán dòng vận chuyển bùn cát, phục vụ cho những nghiên

cứu tiếp theo.

SWASH là một mô hình tính sóng hiện đại, có độ chính xác khá cao và phù

hợp với mô phỏng tính toán sóng ven bờ, nơi có sự tổng hợp của nhiều quá trình thủy

động lực phức tạp như sóng đổ, sóng leo, sóng tương tác phi tuyến với vật cản, công

trình, địa hình, sóng phản xạ, nhiễu xạ… Do đó, cần có những kiểm nghiệm thêm

trên thực tiễn để đưa SWASH vào ứng dụng trong các nghiên cứu tính toán sóng ở

khu vực cảng, cửa sông hay có công trình chỉnh trị.

50

Tài liệu tham khảo

Tiếng Việt

1. Báo cáo kinh tế - xã hội thị xã Cửa Lò, 2015

2. Phùng Đăng Hiếu (2016), “Thuyết minh đề tài TNMT.2016.06.09. Nghiên cứu xây

dựng mô hình tính toán trường động lực khu vực sóng đổ phục vụ cảnh báo

dòng chảy nguy hiểm ven bờ tại các khu vực bãi biển Việt Nam; Áp dụng thí

điểm cho bãi biển Cửa Lò – Nghệ An”, Viện Nghiên cứu biển và hải đảo

3. Phùng Đăng Hiếu, Lê Đức Dũng (2018), “Báo cáo khảo sát đo địa hình khu vực

Cửa Lò – Nghệ An tỷ lệ 1:2000”, Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài

TNMT.2016.06.09

4. Phùng Đăng Hiếu, Lê Đức Dũng (2019), “Báo cáo kết quả đo mực nước, sóng,

dòng chảy khu vực Cửa Lò – Nghệ An năm 2018 (số liệu đo mùa Đông Bắc)”,

Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài TNMT.2016.06.09

5. Phùng Đăng Hiếu, Nguyễn Thị Khang (2019), “Phân tích, tính toán chế độ sóng,

hoa sóng trung bình tháng từ số liệu NOAA cho khu vực Cửa Lò – Nghệ An

là cơ sở đầu vào cho tính toán dòng chảy nguy hiểm” Báo cáo chuyên đề thuộc

đề tài TNMT. 2016.06.09

6. Phùng Đăng Hiếu, Vũ Sinh Khiêu (2017), “Thu thập tài liệu, số liệu về điều kiện

tự nhiên, kinh tế-xã hội, khí tượng thủy văn, địa hình khu vực biển Cửa Lò-

Nghệ An”, Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài TNMT.2016.06.09

7. Phùng Đăng Hiếu, Trần Đức Trứ (2018), “Báo cáo kết quả đo mực nước, sóng,

dòng chảy khu vực Cửa Lò – Nghệ An năm 2018 (số liệu đo mùa hè)”, Báo

cáo chuyên đề thuộc đề tài TNMT.2016.06.09

8. Phùng Đăng Hiếu, Nguyễn Thị Khang, Lê Đức Dũng, Trần Đức Trứ (2018) “Mô

phỏng dòng rip và dòng chảy ven bờ phát sinh do sóng theo các phương pháp

khác nhau của phần mềm Mike 21” Tạp chí Khoa học Thủy lợi và Môi trường

- Số 61 (6/2018)

51

9. Vũ Như Hoán (2000), “Thủy triều ở ven biển Việt Nam”, NXB khoa học và kỹ

thuật, Hà Nội

10. Đinh Văn Ưu, Nguyễn Thọ Sáo, Phùng Đăng Hiếu (2006), “Thủy lực biển”, NXB

Đại học Quốc gia Hà Nội

Tiếng Anh

11. Blayo, E. and Debreu, L., (2005), “Revisiting open boundary conditions from

thepoint of view of characteristic variables”, Ocean Model., 9: 231–252

12. Haller, M.C., Dalrymple, R.A. and Svendsen, I.A., (2002), “Experimental studyof

nearshore dynamics on a barred beach with rip channels” J. Geophys. Res.,107

(C6), doi:10.1029/2001JC000955

13. Holthuijsen, L.H., (2007), “Waves in oceanic and coastal waters” Cambridge

University Press, Cambridge

14. Kennedy A.B., Chen Q., Kirby J.T. and Dalrymple R.A. (2000), “Boussinesq

modeling of wave transformation, breaking and runup. Part I. One dimension”

Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering 126, pp. 39-47

15. Lam, D.C.L. and Simpson R.B., (1976), “Centered differencing and the box

schemefor diffusion convection problems” J. Comput. Phys., 22: 486-500

16. Madsen P.A., Sorensen O.R., Schaffer H.A (1997a), “Surf zone dynamics

simulated by Boussinesq type model. Part I. Model description and cross-

shore motion of regular waves”. Coastal Engineering, 32, 255-287

17. Madsen P.A., Sorensen O.R., Schaffer H.A (1997b), “Surzone dynamics

simulated by Boussinesq-type model. Part II: Surfbeat and swash oscillations

for wave groups and irregular waves” Coastal Engineering, Vol 32, pp. 289-

319

18. Schaffer H.A., Madsend P.A., Diegaard R. (1993), “A Boussinesq model for wave

breaking in shallow water”, Coastal Engineering Vol. 20, No. 3-4, pp. 185-

202

52

19. Stelling, G. and Zijlema, M., (2003),“An accurate and efficient finite-

differencealgorithm for non-hydrostatic free-surface flow with application to

wavepropagation”, Int. J. Numer. Meth. Fluids, 43: 1–23

20. SWASH user manual

21. Ting F.C.K and Kirby (1994), “Observation of undertow and turbulence in a

laboratory surfzone”, Coastal Engineering 24, pp. 51-80

22. Van Gent, M.R.A. and Doorn, N., (2000),“Numerical model investigations

oncoastal structures with shallow foreshores; Validation of numerical models

basedon physical model tests on the Petten Sea-defence”. Report H3351,

WL|Delft Hydraulics, Delft, The Netherlands

23. Van Rijn L.C., “Simple general formulate for sand transport in rivers, estuaries

and coastal waters”, www.leovanrijn-sediment.com

24. Zijlema, M. and Stelling, G.S., (2008), “Efficient computation of surf zone

wavesusing the nonlinear shallow water equations with non-hydrostatic

pressure”, Coastal Engineering, 55: 780–790

25. Zijlema, M., Stelling, G. and Smit, P., (2011), “SWASH: An operational public

domain code for simulating wave fields and rapidly varied flows in coastal

waters”, Coastal Engineering, 58, 992-1012

http://dx.doi.org/10.1016/j.coastaleng.2011.05.015



ĐẠi hỌc quỐc gia hÀ nỘi trƯỜng ĐẠi hỌc...

Documents