Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn

Bố cục luận văn gồm 3 chương và phần kết luận: Chương 1: Quá trình tiêu tán năng lượng sóng trong rừng ngập mặn Chương 2: Mô hình tính toán và dự báo sóng SWAN Chương 3: Áp dụng mô hình

Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn

Nguyễn Viết Quỳnh

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS ngành: Hải dương học; Mã số: 60 44 97 Người hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Minh Huấn

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Phân tích quá trình tiêu tán năng lượng sóng trong rừng ngập

mặn Đưa ra Mô hình tính toán và dự báo sóng SWAN Áp dụng mô hình SWAN tính toán suy giảm năng lượng sóng do rừng ngập mặn tại khu vực cửa Trà Lý – Thái Bình

Keywords: Hải dương học; Quá trình lan truyền sóng; Rừng ngập mặn;

103 ÷ 117 km/giờ đổ bộ vào huyện Thái Thụy (Thái Bình) nhờ có dải RNM bảo vệ nên

đê biển và nhiều bờ đầm không bị hư hỏng, trong lúc đó huyện Tiền Hải do phá phần lớn RNM nên các bờ đầm đều bị xói lở hoặc bị phá vỡ Năm 2005, vùng ven biển huyện Thái Thụy tuy không nằm trong tâm bão số 7 (Damrey) nhưng sóng cao ở sông Trà Lý đã làm sạt lở hơn 650m đê nơi không có RNM ở thôn Tân Bồi, xã Thái Đô trong lúc phần lớn tuyến đê có RNM ở xã này không bị sạt lở vì thảm cây dày đặc đã làm giảm đáng kể cường độ sóng Trận sóng thần khủng khiếp tại Ấn Độ Dương tháng 12 năm 2004, Kathiresan and Rajendran (2005) đã cho thấy tầm quan trọng của rừng ngập mặn trong

việc làm suy giảm ảnh hưởng của sóng thần.Ví dụ, tại Indonesia tâm sóng thần rất gần với đảo Simeuleu, tuy nhiên số lượng người chết đặc biệt thấp bởi vì sự hiện diện của những khu rừng ngập mặn với mật độ dày đặc, phía đông nam của Ấn Độ, thiệt hại về kinh tế và con người ít tại những vùng có rừng ngập mặn rậm rạp

Do tầm quan trọng to lớn của chúng, rừng ngập mặn và hệ sinh thái rừng ngập mặn đã được chú trọng nghiên cứu trong thời gian gần đây nhưng sự hiểu biết về chúng còn rất hạn chế Thiếu trầm trọng những nghiên cứu động lực và nghiên cứu về sự tương tác giữa trầm tích học và thủy động học Đặc biệt, những nghiên cứu về quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn là không nhiều Trong bối cảnh như vậy, đã lựa chọn

“Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn” là tên của đề tài nghiên cứu

Bố cục luận văn gồm 3 chương và phần kết luận:

Chương 1: Quá trình tiêu tán năng lượng sóng trong rừng ngập mặn

Chương 2: Mô hình tính toán và dự báo sóng SWAN

Chương 3: Áp dụng mô hình SWAN tính toán suy giảm năng lượng sóng do rừng ngập mặn tại khu vực cửa Trà Lý – Thái Bình

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 – QUÁ TRÌNH TIÊU TÁN NĂNG LƯỢNG SÓNG

TRONG RỪNG NGẬP MẶN Trong chương này, tổng quan về rừng ngập mặn nói chung, phân bố rừng ngập mặn trên thế giới và ở Việt nam, các đặc điểm được giới thiệu trong phần đầu Trong phần tiếp theo trình bày cơ sở khoa học của lý thuyết sóng tuyến tính, các phương pháp xác định tiêu tán năng lượng sóng

1.1 Rừng ngập mặn

Rừng ngập mặn (RNM) là rừng có những loại cây đặc biệt, thường mọc ở ranh giới giữa những phần đất tiếp giáp bờ biển và biển, ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới RNM thường phát triển trong những vùng triều, giữa mực nước biển trung bình và mực nước triều lớn Phía ngoài biển của rừng ngập mặn thường là vùng đất bùn, với độ dốc khoảng 1:1000 Phía sau RNM có thể là những đê biển, đầm muối và khu vực dân cư

sinh sống Phía trong RNM cây sẽ mọc song song với đường bờ biển với nhiều loài khác

- Chuyển động của sóng là hai chiều

- Sóng chuyển động trong dạng nhất định bất biến theo thời gian

- Chất lỏng không nén được

- Nhớt, rối và sức căng bề mặt được bỏ qua

- Chiều cao sóng (H) nhỏ so với chiều dài sóng (L) và độ sâu (d)

Phương trình điều chỉnh vận tốc thế vị  (Young, (1999)),

,, theo hai hướng (x,z)

t z

Ở đây ɳ (m) là dao động mực nước, g (m/s2) là gia tốc trọng trường,  thế vận

tốc, u (m/s) là vận tốc theo hướng x, w (m/s) là vận tốc theo hướng z

Phân loại sóng theo độ sâu

Sóng có thể được phân loại dựa theo mối quan hệ giữa chiều dài sóng với độ sâu hay tích số của số sóng k và độ sâu nước d (kd)

Hầu hết tham số sóng sẽ thay đổi khi sóng lan truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông Chiều dài sóng, vận tốc nhóm sóng và chuyển động quỹ đạo của hạt nước sẽ thay đổi

1.2.2 Năng lượng sóng và phổ năng lượng sóng

Năng lượng sóng bao gồm động năng và thế năng (Battjes, (1998)) Năng lượng sóng tổng cộng bằng tổng động năng và thế năng (mật độ năng lượng) trên một đơn vị chiều rộng được tính bằng:

Phổ sóng

Một phương pháp để nghiên cứu các quá trình dao động là xem xét chúng là một

tổ hợp các sóng hình sin với độ lớn, tần số và pha khác nhau Các hàm số thể hiện sự phân bố của biên độ và pha theo tần số được gọi là phổ tần số Phổ có thể là liên tục hay rời rạc, nhưng phổ sóng là liên tục Phổ mật độ năng lượng sóng đặc trưng được thể hiện trong hình 1.5 dưới đây Trục ngang thể hiện tần số, trục thẳng đứng thể hiện mật độ năng lượng

1.3 Các phương pháp xác định tiêu tán năng lượng sóng

1.3.1 Phương pháp sử dụng hệ số ma sát đáy

Sóng lan truyền ở vùng nước nông gần bờ chịu tác động ma sát do đáy sinh ra Độ lớn của lực ma sát này phụ thuộc vào một loạt các tham số như vận tốc quỹ đạo sóng theo phương ngang, độ nhám của đáy và độ sâu nước Trong nhiều tài liệu về hiện tượng suy giảm sóng trong rừng cây ngập mặn hiện tượng ma sát đáy rất ít được chú ý mặc dù các biểu thức của lực ma sát thường được sử dụng để mô tả các thành phần tiêu tán do rừng cây ngập mặn

Công thức của Van Rijn

Theo Van Rijn (1989), tiêu tán năng lượng do ma sát đáy được thể hiện bằng đại lượng Df là công trung bình theo thời gian của lực ma sát

Công thức của Collins

Ma sát đáy theo Collins (1972) dựa trên công thức thông thường đối với sóng có chu kỳ với các tham số phụ để phù hợp với trường sóng ngẫu nhiên Cường độ tiêu tán năng lượng được xác định bằng công thức ma sát đáy thông thường:

Công thức của Morrison

Morrison và nnk (1950) đã xác định được lực tác động lên một cọc mảnh đơn lẻ trong sóng bề mặt:

dt

dU D C t

2

1 4

1 2 

 (1.18)

trong đó Cm là hệ số quán tính, D là đường kính của cọc, Cd hệ số tiêu tán và U là giá trị cực đại của vận tốc quỹ đạo theo phương ngang

Công thức của Dalrymple

Dalrymple và nnk (1984) xác định một hệ số tiêu tán năng lượng dựa trên biểu thức của Morrison đối với các thực vật chìm trong nước ở đầm lầy

3

3 3

cosh3

sinh3sinh

23

2

H kh

k

h k h

k kg

N b

Hai cơ chế cơ bản để mô tả hiện tượng tiêu tán năng lượng sóng do thực vật được

mô tả ở các phần phía trên là phương pháp khối trụ và tăng cường tham số nhám đáy

Phương pháp tăng cường tham số nhám đáy dựa trên các kết quả của Collins (1968) được Vries và Roelvink (WL Delft Hydraulíc, 2004) nghiên cứu và áp dụng bổ sung vào mô hình SWAN, các kết quả này được hiệu chỉnh cho cỏ biển - Spartina Anglica Phương pháp này có vẻ phù hợp khi hiệu chỉnh nhưng không tồn tại nguyên tắc vật lý để tham số hóa các dạng thực vật, các dạng thực vật phức tạp không dễ dàng đưa vào mô hình do thực vật chỉ được tham số hóa bằng một tham số

Mendez và Losada (2004) đã mở rộng công thức của Dalrymple (1984), kết quả này có thể áp dụng cho vùng đáy nghiêng và sóng vỡ Các thí nghiệm vật lý trong máng chứng minh các kết quả rất triển vọng của phương pháp này, Mendez và Losada cho thấy rằng dạng mô hình này có thể dễ dàng áp dụng trong các mô hình tính toán lan truyền sóng chuẩn để tích hợp quá trình tiêu tán năng lượng sóng do thực vật và còn có thể dự tính dòng chảy sóng cũng như vận chuyển trầm tích trong vùng có thực vật Kết luận là công thức của Dalrymple (1984) là phương pháp xấp xỉ quá trình tiêu tán năng lượng sóng do thực vật tốt nhất và thích hợp nhất để tích hợp vào mô hình SWAN

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO SÓNG SWAN

Giới thiệu mô hình tính toán sóng SWAN phiên bản mới nhất, đã trình bày tóm tắt cơ sở khoa học và thuật toán của mô hình SWAN Phần phân tích thành phần tiêu tán đã tập trung vào thành phần tiêu tán năng lượng do cây để phục vụ thực hiện các nội dung của đề tài

2.1 Giới thiệu mô hình SWAN

SWAN là mô hình tính toán sóng thế hệ ba, tính toán phổ sóng hai chiều bằng cách giải phương trình cân bằng tác động sóng (trong trường hợp không có dòng chảy có thể dùng phương trình cân bằng năng lượng sóng) có tính tới sự lan truyền sóng từ vùng

nước sâu vào vùng nước nông ven bờ, đồng thời trao đổi năng lượng với gió thông qua hàm nguồn cùng với sự tiêu tán năng lượng sóng

2.1.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAN

C N

C y N C x

C N

C N

C N

,0max2

10.5,

Trong mô hình SWAN sử dụng biểu thức tính hệ số tăng theo hàm mũ B:

Công thức của Kome và nnk (1984):

C

U

Với Cph là vận tốc pha, a và w là mật độ không khí và nước

- Mất mát năng lượng trong khi truyền sóng (Sds):

Mất mát năng lượng khi truyền sóng gây ra do ba quá trình: sự bạc đầu của sóng,

ma sát đáy và sóng vỡ do ảnh hưởng của độ sâu địa hình

2 4

1

m b

Công thức hàm nguồn năng lượng sóng vỡ có dạng

, (,) E(,)

E

D S

tot

tot br

ds  (2.8)

* Tương tác phi tuyến giữa các sóng

- Tương tác sóng bậc bốn

Tương tác sóng bậc bốn được tính với các xấp xỉ tương tác riêng (DIA) của

Trong mô hình 1D, nước dâng do sóng tính bằng cách tích phân phương trình cân

bằng mô men, đó là sự cân bằng giữa tác động sóng (gradient ứng suất phát xạ) và

gradient áp suất thuỷ tĩnh

F x 

(2.11)

Với d là độ sâu nước tổng cộng,  mực nước dâng so với mực nước trung bình

2.1.2 Mô hình số của SWAN

Trong mô hình SWAN, lời giải của phương trình cân bằng tác động sóng được

triển khai bằng một số sơ đồ khác nhau trong cả năm chiều (thời gian, không gian địa lý,

không gian phổ)

- Sơ đồ quá trình truyền sóng

Các sơ đồ được sử dụng trong SWAN dựa trên cơ sở có tính năng mạnh, sát thực

tế và mang tính kinh tế Do vậy, sơ đồ được sử dụng là dạng hàm ẩn trong cả không gian

địa lý và không gian phổ, thêm vào đó là phép xấp xỉ trung tâm trong không gian phổ

SWAN bao gồm ba sơ đồ :

* Sơ đồ BSBT (backward space - backward time):

Sơ đồ này tính cho cả trường hợp sóng ổn định và sóng không ổn định

* Sơ đồ S&L

Sơ đồ dạng này được sử dụng trong điều kiện sóng ổn định Thời gian có thể bỏ đi

như một biến, các bước lặp vẫn được tiến hành như trước

* Sơ đồ cấp độ gió bậc ba

Sơ đồ này được áp dụng cho điều kiện sóng không ổn định Hai thành phần đạo

hàm theo hướng x và y

Việc số hoá quá trình khuyếch tán sóng trong sơ đồ S & L được thực hiện được

trong trường hợp sóng truyền trên khoảng cách lớn Hiệu ứng này phụ thuộc vào phổ

sóng Giá trị của hiệu ứng phụ thuộc vào dạng phổ và thời gian sóng truyền

n n

E E E

S E

S (2.12)

Với S E

2.1.3 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Trong SWAN, điều kiện biên trong không gian địa lý và không gian phổ là biên

hấp thụ đầy đủ với năng lượng sóng đi ra khỏi miền tính hoặc vào bờ Trên các biên hở,

năng lượng của sóng tới được cho bởi người sử dụng Đối với vùng ven bờ điều kiện biên

được cho dọc biên nước sâu và không cho dọc theo biên bên Điều này có nghĩa là có

những lỗi tại biên trong khi truyền vào vùng tính Vùng ảnh hưởng là vùng tam giác với

đỉnh tại góc giữa biên nước sâu và biên bên, phân tán tới bờ trong góc từ 30º tới 45º trên

hướng truyền của sóng nước sâu Để khắc phục vấn đề này thì biên bên nên lấy ở xa vùng

cần tính để tránh những lỗi trong vùng tính

2.2 Bổ sung tiêu tán năng lƣợng sóng do cây trong mô hình SWAN [6]

Bổ sung sự tiêu tán năng lượng bởi cây thực vật nghĩa là phải đưa thêm một hạng

mới vào phương trình Với sự bổ sung này mô hình diễn tả quá trình tiêu tán năng lượng

sóng bởi cây thực vật, trong đó thực vật có thể được thay đổi theo chiều ngang, và chiều thẳng đứng

i veg Sds br Sds b Sds w Sds Snl

Snl Sin

Tiêu tán năng lượng do rừng ngập mặn được tính theo phương pháp của Dalrymple (1984) Theo phương pháp này phân bố năng lượng tiêu tán trên một đơn vị diện tích được tính theo công thức:

3

3 3

cosh3

sinh3sinh

23

2

H kh

k

h k h

k kg

N b

~

cosh3

sinh3sinh

22

1

rms v

v d

kh k

h k h

k kg

N b

tot

tot veg

ds  (2.16) Với

~ 3

~

~ 3 3

~

~

~

cosh3

sinh3sinh2

2

1

rms v

v

h k k

h k k

k g N b C g

sinh3sinh

2

3

~ 3

k k

N b C g veg

S

1 , , , (2.19)

Trong đó I là số lớp cây ngập mặn, i là lớp được xem là có sự tiêu tán năng lượng

Công thức trên được mở rộng tính theo phổ tần, hướng và theo các lớp độ sâu như sau:

3

sinhsinh

3sinh

sinh

2

~ 3

1

~

~ 1

~ 3

~ 3

3

~

~

, ,

~ 2 ,

,

E h

k k

h k h

k h

k h

k

E

k N b C g S

i i

i i

tot i

v i v D i

Trong đó : - h: là tổng độ sâu nước

- i: là tỉ lệ của lớp nước i so với h

Như vậy năng lượng tiêu tán do rừng ngập mặn được tính theo phân bố theo mặt rộng và trên mỗi đơn vị diện tích có hiệu ứng như phân bố mật độ của thực vật trên một trường và có tính đến ảnh hưởng theo chiều thẳng đứng của các tham số đặc trưng

2.2.1 Sự biến thiên của cây theo phương ngang

Tiếp theo công thức đồng nhất, cây có thể dễ dàng được thay đổi theo phương ngang

2.2.2 Biến đổi cây theo phương thẳng đứng

Để bổ sung sự biến đổi đặc điểm của cây theo phương thẳng đứng cần phải đơn giản hóa phân bố thẳng đứng của vận tốc quỹ đạo theo phương ngang

SWAN là mô hình trung bình độ sâu, bởi vậy sự phân bố vận tốc quỹ đạo ngang theo phương thẳng đứng được xem như profile đồng dạng

Khi cây được chia thành nhiều lớp thì sự tiêu tán tổng cộng sẽ bằng tổng các tiêu tán thành phần Có thể bổ sung cây thay đổi theo phương thẳng đứng, bằng cách đưa tham số cây khác nhau cho mỗi lớp

Tuy nhiên, áp dụng tham số cây không đồng nhất theo phương thẳng đứng thì profile vận tốc quỹ đạo ngang thực sự không còn đồng nhất nữa Ví dụ: mặt cắt của dòng chảy trong trong một lớp với 1000 thân cây với đường kính mỗi thân là 5 mm sẽ khác với mặt cắt chỉ với 3 thân cây với đường kính 100 mm tạo ra các giá trị tiêu tán năng lượng khác nhau Trong SWAN, tiêu tán năng lượng tổng cộng là giá trị trung bình theo độ sâu,

bởi vậy sự đóng góp khác nhau của mỗi lớp có thể được thêm vào để tạo ra lượng tiêu tán năng lượng tổng cộng

CHƯƠNG 3 - ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAN TÍNH TOÁN SUY GIẢM SÓNG DO RỪNG NGẬP MẶN TẠI KHU VỰC CỬA TRÀ LÝ – THÁI BÌNH

Trong chương này, trình bày việc áp dụng mô hình SWAN tính toán suy giảm sóng do rừng ngập mặn tại khu vực Trà Lý tỉnh Thái Bình Trình bày các đặc điểm về sóng, thủy triều, RNM của vùng nghiên cứu Các số liệu đã được xử lý để đưa vào mô hình tính và xây dựng các kịch bản tính toán Mô hình SWAN đã được kiểm định bằng cách so sánh kết quả với kết quả nghiên cứu khác và cho kết quả phù hợp Mô hình SWAN đã được áp dụng vào vùng nghiên cứu trên 2 bước lưới: lưới thô 110x110 m và lưới tinh 22x22m Đã tính toán cho các phương án mật độ cây từ 0,5 đến 5 cây/m2

và mực nước 0.5, 1.86, 3.5 m Kết quả thu nhận được là phù hợp với quy luật Trên cơ sở kết quả mô hình, đã đề xuất một số kiến nghị cụ thể về việc phát triển RNM của khu vực

3.1 Đặc điểm địa hình, hải văn của khu vực nghiên cứu

3.1.1 Đặc điểm địa hình và lưới tính

Vùng nghiên cứu được chỉ ra trong hình trên, dọc theo bờ biển bao gồm bãi bùn (độ dốc 1:2000) hướng ra khơi và được tạo bởi lượng phù sa được mang ra từ sông Thái Bình Một phần của bờ biển được bảo vệ bởi vành đai rừng ngập mặn đã trưởng thành

Lưới tính thô: là lưới vuông, có tọa độ địa lý trong khoảng 1060

32’ đến 106050’E

và 20020’ đến 20037’N Miền tính chi tiết cho toàn bộ vùng tính kích thước 32,56 km theo chiều dọc bờ và khoảng 30,8 km theo chiều vuông góc từ bờ ra phía ngoài khơi Toàn bộ vùng tính của miền này được chia làm 297 x 281 điểm tính, với kích thước của các ô lưới 110 m 110 m

Lưới tính tinh: là miền tính chi tiết, phía trong lưới tính thô, cho vùng ven bờ được

xem là nơi có RNM với lưới tính chi tiết với kích thước 5,72 km theo chiều dọc bờ và khoảng 5,368 km theo chiều vuông góc từ bờ ra phía ngoài khơi Tọa độ trong khoảng

106035’ đến 106037’E và 20029’ đến 20032’N Toàn bộ vùng tính của miền này được chia làm 245 x 261 điểm tính, với kích thước của các ô lưới 22 m 22 m

3.1.2 Chế độ sóng