Giáo trình cơ sở kỹ thuật bờ biển - Chương 5 pptx

Sự chuyển động của hệ thống mặt trời nh† sau: - Trái đất chuyển động quanh mặt trời khoảng 365 ngμy - Mặt trăng chuyển động quanh trái đất khoảng 27.3 ngμy - Trái đất tự quay xung quanh

Ch ‡ơng 5: Thủy triều

5.1 Mở đầu

Hầu hết mọi ng†ời sống ở vùng ven biển đều biết về thủy triều, nh†ng không hiểu cơ chế hình thμnh Tuy nhiên từ rất xa x†a ch†a thể giải thích nguyên nhân sinh ra thủy triều, ông cha ta cũng có một số cách giải thích về thủy triều, chẳng hạn:

ƒ Thủy triều lμ kết quả của thiên thần đắm mình vμo biển đông (Al Falik, 900 BC) hoặc

ƒ Thủy triều lμ kết quả của một con cá voi lớn tắm mình trong biển cả

Nghiên cứu đầu tiên giải thích về hiện t†ợng thủy triều từ nghiên cứu của Newton năm 1687 Trong công trình toán học của ông đã thể hiện các lực hấp dẫn trọng

tr†ờng giữa mặt trăng, mặt trời vμ trái đất Sau nμy vμo năm 1799, Laplace đã trình bμy chi tiết hơn vμ bức tranh về thủy triều dần dần đ†ợc lμm sáng tỏ Vμo năm 1898, Darwin đã xuất bản cuốn sách về lý thuyết cân bằng

Ngμy nay, các lý thuyết về sự hình thμnh thủy triều có thể tìm qua Internet ở các Website sau đây:

http://math.math.sunysb.edu/tony/tides/index.html

Thông tin về thủy triều của Hμ Lan tìm qua Website

http://www.waterland.net/rikz/waterstand/index.html

Khi nghiên cứu thủy triều, 2 câu hỏi cơ bản đặt ra Đó lμ:

ƒ Vì sau các kiến thức về thủy triều lại quan trọng nh† vậy

ƒ Thủy triều lμ gì?

Hình 5.1: Dao động mực n†ớc triều

Trả lời câu hỏi thứ nhất khá đơn giản vì các mục đích kinh tế, kỹ thuật Đó lμ:

ƒ Cải tạo các vùng đất ven biển

5.2 Nguồn gốc của thủy triều

Theo giải thích của Newton, thủy triều liên quan đến các lực hấp đẫn của mặt trời, mặt trăng vμ trái đất Hình 5-2 biểu diễn hệ thống mặt trời

Sự chuyển động của hệ thống mặt trời nh† sau:

- Trái đất chuyển động quanh mặt trời khoảng 365 ngμy

- Mặt trăng chuyển động quanh trái đất khoảng 27.3 ngμy

- Trái đất tự quay xung quanh trục của nó 24 giờ

Hình 5.2: Chuyển động của hệ mặt trời vμ nguồn gốc của thủy triều

Để đơn giản hóa giải thích nguồn gốc của thủy triều, chúng ta nghiên cứu hệ thống mặt trăng - trái đất (hình 5-3) với các giả thiết sau:

a Toμn bộ trái đất đ†ợc phủ bao phủ bởi một lớp n†ớc

b Quĩ đạo mặt trăng nằm trên mặt phẳng đi qua xích đạo của trái đất

c Trái đất không quay

†ớc bao phủ

ên mặt trái đất (giả thiết a), với hình dạng của nó nh† trên hình 5-4

t không quay cũng không thực tế, vì trái đất

Hình 5.3: Sơ đồ hóa hệ thống mặt trăng - trái đất

Hệ thống trái đất - Mặt trăng có trọng tâm chung lμ điểm A Nói một cách khác, hệ thống quay quanh điểm A trong khoảng thời gian xấp xỉ 27 ngμy Trong quá trình quay, 2 hμnh tinh ảnh h†ởng tới nhau thông qua lực trọng tr†ờng vμ các lực nμy phải cân bằng với lực ly tâm Rõ rμng rằng các lực nμy sẽ lμm biến dạng lớp n

tr

Hình 5.4: N†ớc bao phủ bề mặt trái đất theo các giả thiết phần trên

Từ hình 5-4, có thể thấy có một số dạng thủy triều Bây giờ, 2 giả thiết có sự điều chỉnh nh† sau: Giả thiết mặt trăng chuyển động trên mặt phẳng qũy đạo của trái đất không đúng thực tế; trục trái đất nghiêng 1 góc lμ 6605 (Tính trung bình) với mặt phẳng qũy đạo mặt trăng Giả thiết trái đấ

quay quanh mặt trời

Hình 5-5 cho biết sự biến dạng của lớp n†ớc, khi thay đổi các giả thiết nμy.Khi quan sát điểm B trên hình 5-5, rõ rμng rằng có hai điểm n†ớc cao vμ 2 điểm n†ớc thấp trong khoảng thời gian 24 giờ Thủy triều tại điểm B đ†ợc gọi lμ bán nhật triều Nguyên tắc cơ bản của triều mặt trăng đ†ợc trình bμy vμ một số đặc điểm thể hiện trên hình 5-1 đ†ợc giải thích Nửa đầu của chu kỳ bán nhật triều dμi hơn 12 giờ Điều nμy có thể giải thích nh† sau: Chu kỳ triều bị chi phối bởi 2 chuyển động (i) sự quay

của trái đất vμ (ii) sự quay của mặt trăng quanh trái đất.

Hình 5-5: N

†ờng hợp bán nhật triều khoảng thời gian

của trục trái đất Sự khác

†ớc bao phủ trên bề mặt trái đất khi trái đất

vμ mặt trăng chuyển động trong hệ thống Với việc quay quanh trái đất (24 giờ), mặt trăng còn chuyển động trên qũi đạo của

nó Do vậy, ở vị trí xác định trên bề mặt đất đối diện với mặt trăng, khoảng thời gian lớn hơn 24 giờ để thấy lại mặt trăng đối diện với trái đất ở điểm đó Mặt khác mặt trăng chuyển động xung quanh trái đất một vòng trong khoảng thời gian 27.3 ngμy

Nh† vậy trong 1 ngμy mặt trăng chuyển động đ†ợc góc t†ơng ứng 1/27.3 của 3600,hay xấp xỉ 130 trên mặt phẳng qũi đạo của nó Đối với điểm xem xét trên bề mặt trái

đất, điều đó cũng có nghĩa lμ vị trí đối diện của mặt trăng trong ngμy tiếp theo chậm hơn một khoảng thời gian bằng (13/360) * 24 giờ, hay khoảng 50 phút so với ngμy hôm tr†ớc (điều nμy giải thích điểm đỉnh hay chân triều chậm dần khoảng 50 phút mỗi ngμy Chẳng hạn hôm nay đỉnh triều tại vị trí A xảy ra lúc 11giờ sáng thì ngμy mai sẽ xảy ra vμo lúc 11giờ 50) Trong tr

chỉ lμ một nửa hay 24h50/2 = 12h25

Tuy nhiên cũng cần nhấn mạnh rằng giá trị trên chỉ lμ trung bình vμ thay đổi theo thời gian trong tháng vì qũi đạo của mặt trăng lμ một elip Hơn nữa, vì ảnh h†ởngtổng hợp của mặt trăng vμ mặt trời nên trong thực tế khoảng thời gian lặp lại của thủy triều tại khu vực triều cao ngắn hơn 50 phút vμ ở khu vực triều kém dμi hơn 50 phút

Đặc điểm thứ 2 trong hình 5-1 lμ độ lớn của hai đỉnh triều hay chân triều liên tiếp không bằng nhau Điều nμy có thể giải thích do độ nghiêng

nhau nμy đ†ợc gọi lμ hiện t†ợng không bằng nhau ngμy

Bằng một số giả thiết, các hiện t†ợng thủy triều đ†ợc giải thích khá rõ rμng Tuy nhiên, một giả thiết không chính xác đó lμ giả thiết toμn bề mặt trái đất đ†ợc phủ một lớp n†ớc Trong thực tế trên bề mặt trái đất có sự phân bố biển vμ lục địa nên một phần trái đất không có n†ớc Thực tế có một vμnh đai biển bao quanh hoμn toμn vòng

vĩ tuyến của trái đất Đó lμ vòng vĩ tuyến từ 63 đến 640S gần với nam cực Trong khu vực nμy thủy triều hình thμnh nh† các lực đã trình bμy ở trên Từ đây, các sóng triều

chuyển động lên h†ớng bắc qua đại d†ơng.

Hình 5-6 biểu diễn các dạng triều Bán nhật triều (một dạng triều phổ biến trên thế giới), nhật triều vμ triều hỗn hợp lμ các dạng cơ bản đã quan trắc đ†ợc Để giải thích

đ†ợc tại sao tại một vị trí lại chỉ gặp 1 trong 3 loại triều nêu trên lμ một vấn đề rất khó Thủy triều nếu đi vμo các đại d†ơng từ ph†ơng nam th†ờng bị phản xạ lại bởi các lục địa vμ bị tiêu hao một phần khi đi vμo vùng n†ớc nông, tăng biên độ khi chuyển động giữa các vùng đất gây trở lại cho thủy triều hình thμnh ở phía bên kia của đất liền

Hình 5.6: Các dạng thủy triều hình thμnh trên thế giới

Tr†ớc đây, chỉ có ảnh h†ởng của mặt trăng đ†ợc nghiên cứu Tuy nhiên vai trò của mặt trời cũng t†ơng tự nh† của mặt trăng tác động lên các khối n†ớc trên bề mặt trái

đất, mặc dù ảnh h†ởng của mặt trời đến thủy triều trái đất chỉ bằng 46% ảnh h†ởngcủa mặt trăng Xem xét thủy triều xảy ra ở trái đất chịu ảnh h†ởng các quĩ đạo elliptic của cả mặt trăng vμ mặt trời thì thủy triều sinh ra có độ lớn không bằng nhau

vμ chu kỳ dμi hơn cũng cần đ†ợc nghiên cứu

Hình 5.7: Іờng quá trình triều Cuối cùng, qũi đạo nghiêng của mặt trăng vμ mặt trời cũng không phải lμ luôn luôn không đổi vμ đã tác dụng lên thủy triều trái đất Chẳng hạn, thủy triều ở Indonesia ở rất nhiều địa ph†ơng lμ nhật triều, trong khi dọc theo bờ biển Việt nam, nhật triều vμ bán nhật triều xen kẽ nhau hay bờ biển Hμ Lan thì bán nhật triều chiếm †u thế.Một vấn đề cần nghiên cứu về thủy triều lμ triều cao vμ triều kém, sự thay đổi về độ lớn triều khi xét tới vị trí t†ơng đối của trái đất vμ mặt trăng (hình 5-7) Để giải thích

điều nμy, cần thiết phải có một cái nhìn khác vμo hệ mặt trời nh

8 Từ hình nμy có thể thấy nh† sau:

- Vμo thời điểm bắt đầu có trăng vμ trăng tròn, các lực tạo triều của mặt trăng vμ mặt trời cùng ph

bình)

- Khi mặt trăng ở cuối tuần đầu vμ cuối tuần thứ 3, các lực tạo triều ng

mực n†ớc thấp hơn so với trung bình

Từ hình 5-7 có thể thấy rằng triều c†ờng vμ triều kém xảy ra chậm hơn so với vị trí

đối diện của mặt trăng so với vị trí ban đầu Đó lμ vì khoảng thời gian cần thiết để sóng triều chuyển động từ điểm hình thμnh (vù

Hình 5.8: Chuyển động của hệ thống mặt trời, trái đất, mặt trăng

vμ sự hình thμnh thủy triều

Tóm lại, thủy triều có các đặc tính cơ bản sau đây:

- Nhật triều: Một lần n†ớc c†ờng vμ 1 lần n†ớc kém trong 24 giờ 50 (trung bình)

- Bán nhật triều: 2 lần n†ớc c†ờng vμ 2 lần n†ớc kém xảy ra liên tiếp nhau với chu

kỳ 12 giờ 25 phút (tính trung bình)

- Triều hỗn hợp lμ dạng hỗn hợp của 2 loại trên

Loại thủy triều tại một vị trí lμ rất quan trọng vì nó cho biết tr†ớc khi nμo n†ớc c†ờng

n†ớc dâng mang tính th†ờng nhật chẳng hạn nh† ta thổi vμo một chén n†ớc nh†ngkhông phải tất cả các công trình xây dựng, ng†ời ta đ†a thêm giá trị n†ớc dâng vμo trong đó Hình 5-9 lμ một ví dụ về hiệu ứng n†ớc dâng

Hình 5.9: Hiệu ứng n†ớc dâng Khi đ†ờng mặt n†ớc phát triển nh† hình 5-9 vμ khi h†ớng gió thổi tiếp tục duy trì trong một khoảng thời gian dμi sẽ hình thμnh dòng chảy ng†ợc lại ở đáy hồ cho đến khi một cân bằng mới đ†ợc thiết lập Một công thức đơn giản tính toán chiều cao

n†ớc dâng nh† sau:

h

l V

V: Tốc độ gió tính ở độ cao 6 m trên mặt biển (m/s);

l: Chiều dμi gió thổi (m);

ij: Góc giữa h†ớng gió vμ đ†ờng mặt n†ớc vừa đ†ợc thiết lập(xem hình 5-9);h: Độ sâu trung bình n†ớc hồ, biển(m)

Hiệu ứng n†ớc dâng trên mực n†ớc triều thuần túy đ†ợc thể hiện trên hình 5-10

Hình 5.10: Hiệu ứng n†ớc dâng

Điều đó có nghĩa lμ giá trị n†ớc dâng có thể xác định bằng cách lấy cao trình mực

n†ớc tổng cộng trừ cao trình mực n†ớc triều tại thời điểm t†ơng ứng Trong thực tế

do thiếu tμi liệu nên việc xác định độ lớn n†ớc dâng không dễ dμng Khi có số liệu quan trắc đầy đủ thì việc xác định độ lớn n†ớc dâng dễ dμng hơn

Nếu có số liệu dμi hạn ta sẽ có số liệu t†ơng ứng của độ lớn n†ớc dâng vμ bằng

ph†ơng pháp thống kê có thể tính toán đ†ợc độ lớn n†ớc dâng ứng với tần suất khác nhau H(n) (xem hình 5 -11)

Hình 5-11: Іờng tần suất n†ớc dâng Cuối cùng, cũng phải l†u ý về tác động của n†ớc dâng ở vùng ven biển N†ớc dâng mang giá trị d†ơng (h > 0) sẽ gây ra ngập lụt vùng ven biển, còn khi (h < 0) có thể gây khó khăn cho việc lấy n†ớc ngọt

b- Nớc dâng do bão

Tâm thấp của áp suất khí quyển (bão hay áp thấp nhiệt đới) lμ nguyên nhân của sự tăng lên của mực n†ớc so với mực n†ớc biển trung bình (t†ơng tự khi có áp cao thì mực n†ớc hạ thấp) áp suất không khí tại mực biển lμ 1013 mbar (= hPa) ở những vùng vĩ độ cao (>400), áp suất tại tâm bão dao động từ 960 to 1040 mbar, trong khi ở những vùng vĩ độ thấp, bão nhiệt đới có áp tâm xuống tới 900 mbar Bên cạnh đó, ở một vùng xác định, còn có sự dao động mùa của mực n†ớc biển trung bình do áp suất khí quyển

Độ lớn thay đổi cao trình mực n†ớc biển trung bình Za (m) tính theo biểu thức

Za = 0.01(1013 - pa) (5.1b) Trong đó: pa = áp suất khí quyển tại mực biển tính bằng mbar hoặc hPa

Tuy nhiên, do hiệu ứng động lực, độ tăng của mực n†ớc biển có thể đ†ợc khuếch đại

đáng kể Khi áp thấp hay bão di chuyển nhanh, mực n†ớc biển cũng thay đổi nhanh t†ơng ứng vμ đ†ợc gọi lμ n†ớc dâng do bão N†ớc dâng trong bão do sóng dμi trong bão tạo ra Chiều dμi sóng gần bằng với chiều rộng của vùng tâm bão Chiều cao của sóng sẽ tăng lên một cách đáng kể khi đi vμo vùng n†ớc nông (còn gọi lμ hiệu ứng

n†ớc nông) Chẳng hạn dọc phía nam biển Bắc, chiều cao n†ớc dâng khoảng 3 m, trong khi bờ biển n†ớc Mỹ vμ vịnh Mehico có khi lên tới 5 m Nh† đã trình bμy trong

phần mở đầu, khái niệm n†ớc dâng do bão lμ một khái niệm rộng bao gồm triều thuần túy vμ các hiệu ứng khí t†ợng khác

c- Nớc dâng do gió

ứng suất do gió tạo ra trên mặt n†ớc lμ nguyên nhân gây nên độ dốc mặt n†ớc từ

h†ớng đón gió đến h†ớng khuất gió vμ kết quả lμ gây ra hiện t†ợng n†ớc dâng ở phía

đón gió vμ n†ớc hạ ở phía đối diện Hiện t†ợng nμy gây hiện t†ợng tăng mực n†ớc

đáng kể, đặc biệt ở những vùng biển nông, cửa sông hay thềm lục địa Chẳng hạn dọc theo phần nam của biển Bắc thuộc lãnh thổ Hμ Lan, Bỉ, Đức, độ lớn n†ớc dâng

do bão lên tới 3 m Nếu độ sâu n†ớc vμ tr†ờng gió ít thay đổi (h†ớng vμ tốc độ) thì

độ dốc mặt n†ớc có thể tính bằng biểu thức sau đây:

Sự khác nhau giữa (5.1d) vμ (5.1d*) cho thấy vai trò của độ sâu đáy biển vμ độ thẳng của đ†ờng bờ

Hình 5.11a: N†ớc dâng do gió Chính vì vậy, đề nghị rằng các công thức trên sẽ không nên áp dụng nếu ch†a đ†ợckiểm nghiệm bằng các số liệu quan trắc gió vμ mực n†ớc của địa ph†ơng Cũng có

thể tham khảo công thức thiết lập của Ippen (1966) tính toán n†ớc dâng do gió cho một số dạng địa mạo vμ địa hình đáy biển khác nhau

N†ớc dâng do gió thông th†ờng đ†ợc tính toán bằng các mô hình số để có thể bao gồm đ†ợc hết các nhân tố ảnh h†ởng đặc biệt lμ sức cản bề mặt

Hình 5.12: Quan hệ giữa chu kỳ sóng thần vμ độ lớn động đất

Tuy nhiên, khi tiến vμo bờ chiều cao sóng có thể tăng lên một cách đáng kể do hiệu ứng n†ớc nông vμ hiện t†ợng khúc xạ khi đi vμo bờ Chiều cao sóng trong tr†ờnghợp nμy có thể tính bằng lý thuyết n†ớc nông Hiện t†ợng khúc xạ hình thμnh ở những vùng thềm t†ơng đối dốc lμ hiện t†ợng cần đ†ợc nghiên cứu kỹ

Mặc dù có nhiều công trình lý thuyết, nh†ng các kết quả quan trắc chiều cao vμ chu

kỳ của sóng thần thực tế có thể tìm đ†ợc ở Nhật Bản dọc dải bờ biển cách tâm chấn khoảng 750 km (xem hình 5.12 vμ 5.13)

Sóng thần cũng nh† động đất rất khó dự báo tr†ớc Về mặt nguyên tắc, nó cũng cần

đ†ợc xem xét đến trong thiết kế mặc dù tiêu chuẩn an toμn trong tr†ờng hợp nμy sẽ không cho lời giải kinh tế

Hình 5.13: Quan hệ giữa chiều cao sóng thần vμ độ lớn động đất

Thông tin chi tiết về sóng thần xem trên trang Web:

http://www.geophys.washington.edu/tsunami/welcome.html

5.5 Dao động mực n ớc trong hồ do thay đổi áp suất không khí (Seiche)

Seich lμ sự dao động mực n†ớc do cơ chế kích động vμ hấp thụ của địa hình đáy vịnh, hồ hay cảng sông Cơ chế kích động có thể gồm:

x Các yếu tố khí t†ợng địa ph†ơng nh† áp thấp địa ph†ơng hay gió lốc, vòi rồng

x Sóng thần

x N†ớc dâng do bão

Các sóng chu kỳ dμi tạo ra do hiệu ứng n†ớc nông hay dòng xoáy cũng nằm trong cơ chế nμy Thời gian xảy ra hiện t†ợng nμy rất ngắn (chỉ tính bằng phút vμ th†ờng nhỏ hơn 0.01Hz) vμ thông th†ờng từ 2 đến 40 phút

Chỉ khi phân tích các số liệu mực n†ớc mới có đ†ợc các kết luận về việc đ†a dao

động mực n†ớc trong hồ phục vụ mục đích thiết kế ở những nơi có số liệu đo đạc có thể thấy rằng tần suất xảy ra những dao động nhỏ ít nhất th†ờng gấp 2 lần những dao

động có tần suất lớn

5.6 Biểu diễn toán học về thuỷ triều

Nh† đã đ†ợc trình bμy trong phần tr†ớc, thủy triều bao gồm nhiều thμnh phần tác

động tạo thμnh Đã có rất nhiều nhμ nghiên cứu, nhμ khoa học tách các thμnh phần khác nhau từ tμi liệu quan trắc thủy triều với mục đích hiểu rõ ảnh h†ởng của mỗi nhân tố vμ các cơ chế chi phối giữa chúng Thêm nữa khi đã hiểu đ†ợc bản chất của thủy triều thì có thể tính toán cũng nh† dự báo đ†ợc mực n†ớc triều

Một trong những ph†ơng pháp sớm nhất giải thích về thủy triều lμ ph†ơng pháp phân tích điều hòa Ph†ơng pháp nμy đ†ợc phát triển bởi Doodsun vμo những năm 1930's Mực n†ớc biển thay đổi do các thμnh phần thủy triều có thể coi lμ tổng hợp của các thμnh phần điều hòa mμ mỗi thμnh phần ở một vị trí xác định, tại một thời điểm đ†ợc

- i lμ chỉ số của các thμnh phần

Ghi chú: Thời gian chậm pha giữa chân triều vμ đỉnh triều gọi lμ tuổi triều

Bảng 5-1 lμ 4 thμnh phần chính, phản ánh ảnh h†ởng của mặt trăng (M2) vμ mặt trời (S2), cũng nh† ảnh h†ởng trục nghiêng của mặt trăng trên mặt phẳng hoμng đạo (K1)

vμ độ nghiêng của trục trái đất so với quĩ đạo chuyển động của mặt trăng (O1) Chú ý rằng chỉ số 2 lμ ảnh h†ởng của bán nhật triều, trong khi chỉ số 1 chỉ ảnh h†ởng của nhật triều

O1 Triều do độ nghiêng của mặt trăng 13.94303 25.82

Với 4 thμnh phần chính trên bằng phép phân tích điều hòa có thể tính toán đ†ợc triều tổng hợp tại một vị trí Tuy nhiên, theo tính toán có trên 200 thμnh phần ảnh h†ởng