Động lực học cát biển - Hướng dẫn các ứng dụng thực hành - Chương 12 pps

Vấn đề xử lý trường dòng chảy - sóng nảy sinh khi liên kết với sự đa dạng rộng rãi của các nhóm ứng dụng: • sự ổn định của vật liệu chống xói xung quanh những công trình xa bờ • sự phát

Chương 12 Xử lý trường dòng chảy - sóng

12.1 Tổng quan

Trong các mục trước đã giả thiết rằng một vận tốc dòng chảy đơn và/hoặc một

điều kiện sóng đơn (hoặc phổ sóng) được đặt ra Tuy nhiên, đối với nhiều ứng dụng thực tế người ta phải giáp mặt với điều kiện dòng chảy và sóng thay đổi rất lớn trong một năm từ những điều kiện yên lặng kết hợp với triều yếu cho đến những cơn bão cực mạnh kết hợp với dòng chảy triều cường cực đại Câu hỏi là làm sao để dự đoán vận chuyển trầm tích trung bình (hoặc động lực hình thái hoặc xói lở), xét đến những hiệu ứng của tất cả những điều kiện này một cách chính xác Quyết định sử dụng

đầu vào nào của sóng và dòng chảy có tầm quan trọng đặc biệt cho việc tính toán vận chuyển trầm tích dài hạn hoặc động lực hình thái

Vấn đề xử lý trường dòng chảy - sóng nảy sinh khi liên kết với sự đa dạng rộng rãi của các nhóm ứng dụng:

• sự ổn định của vật liệu chống xói xung quanh những công trình xa bờ

• sự phát triển xói xung quanh những công trình (không được bảo vệ)

• việc chôn lấp những vật thể nằm trên đáy biển

• sự phát triển động lực hình thái của bãi biển và những vùng xa bờ khi có hoặc không có công trình

• sự lưu động trầm tích và đường vận chuyển trong các vùng xa bờ

• sự xâm thực trầm tích hàng năm vào những công trình lấy nước

• mức bồi lấp hàng năm những rãnh, luồng tàu và bến cảng

Hầu hết các nguyên lý cơ bản mô tả dưới đây là tổng quát cho một vài hoặc tất cả những ứng dụng ở trên

Có ba cách tiếp cận cơ bản có thể sử dụng:

• tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế

• tiếp cận xác suất

• tiếp cận tuần tự

Tất cả đều có những thế mạnh và thế yếu của chúng, và được mô tả dưới đây

12.2 Tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế

Theo cách tiếp cận này, một điều kiện độ cao và dòng chảy thủy triều đơn, và một sóng đơn được chỉ rõ Trong một vài nghiên cứu chúng được chỉ ra bởi khách hàng như những điều kiện thiết kế mà một công trình hoặc sơ đồ phải đảm nhận Chúng có thể dựa vào những tham số mang ý nghĩa công trình, như cơn bão 50 năm

và những điều kiện thuỷ triều thiên văn lớn nhất có thể làm cho một công trình hư

hỏng nhưng chúng không nhất thiết là những điều kiện thích hợp nhất cho những mục đích vận chuyển trầm tích, vì điều kiện cực trị hiếm khi có thể xuất hiện như vậy hoặc ngắn ngủi đến nỗi nó chỉ có một hiệu ứng nhỏ lên trạng thái trầm tích dài hạn Một điều kiện kết cấu chịu mỏi, có xét đến tình trạng tích lũy sau những thời gian dài, hầu như phù hợp hơn với tình trạng vận chuyển trầm tích mặc dù vẫn chưa phải là lý tưởng

Một sự lựa chọn thích hợp hơn cho sóng và dòng chảy có thể thực hiện bởi việc lấy những giá trị đóng góp lớn nhất cho vận chuyển trầm tích trung bình dài hạn, dựa vào tiếp cận xác suất mô tả trong mục 12 3 Như một hướng dẫn thô, trong khu vực nước có thủy triều chúng là:

• dòng chảy lớn nhất của triều cường trung bình, nếu sóng không đáng kể

• dòng chảy lớn nhất của thủy triều trung bình (ví dụ M2) ghép nối với sóng có tần suất 10 %, nếu sóng quan trọng

Để tính toán chuyển trầm tích dọc bờ, một hướng dẫn thô sẽ xét đến:

• sóng có tần suất 20 %

Trong các vùng dòng chảy gió chiếm ưu thế, sóng thiết kế và dòng chảy thiết kế cần phải được liên kết với vận tốc gió

Có thể thực hiện những lựa chọn tốt hơn nếu biết phân bố xác suất của vận tốc dòng chảy, pc(Ui) và độ cao sóng, pH(Hj) Trong đó, Ui - vận tốc dòng chảy tại trung tâm của khoảng thứ i, và Hj là độ cao sóng tại trung tâm của khoảng thứ j, của biểu

đồ xác suất Lúc đó dòng chảy thiết kế Ud, và độ cao sóng thiết kế Hd, cho bằng :

m

i

i c

m i

U

/ 1 ) (

















n

j

j H n j

H

/ 1

) ( 











Những giá trị số mũ m và n phụ thuộc vào vấn đề đang xét: đối với ứng suất trượt tại đáy m = n = 2; đối với dòng di đáy m = n = 3; đối với vận chuyển trầm tích tổng cộng m và n trong khoảng 3 - 5; đối với vận chuyển dọc bờ n = 2,5

Những kỹ thuật tiên tiến hơn để chọn một 'thủy triều động lực hình thái' (Latteux, 1996) hoặc một 'sóng đơn đại biểu' (Chesher và Miles, 1992) cho việc mô hình hoá chi tiết động lực hình thái được phát triển để giảm bớt thời gian tính toán tới những tỉ lệ quản lý được

Điều quan trọng là ý thức được rằng câu trả lời nhận được trong tính toán vận chuyển trầm tích sẽ phụ thuộc có tính quyết định vào sự lựa chọn những điều kiện

đầu vào dòng chảy và sóng, sự lựa chọn này thường quan trọng hơn sự lựa chọn phương pháp sử dụng hoặc sự không thích hợp của mô hình dự báo vận chuyển trầm tích

Như vậy cách tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế chỉ sử dụng nếu không thể hoặc không thực tế khi sử dụng cách tiếp cận xác suất hoặc tiếp cận tuần tự

12.3 Tiếp cận xác suất

Thường nói rằng vận chuyển trầm tích bị chi phối bởi những sự kiện cực trị

Điều này chỉ đúng một phần Một cơn bão cực trị kết hợp với dòng chảy triều cường lớn nhất sẽ có tác động lớn nhưng rất hiếm khi xuất hiện, trong khi những sóng vừa phải kết hợp với thuỷ triều trung bình lại xuất hiện rất thường xuyên Cả hai sự kiện có thể có đóng góp như nhau cho vận chuyển trầm tích dài hạn Cách tiếp cận xác suất bao gồm tất cả các tổ hợp có thể có của những sự kiện, được tổng hợp bằng một trọng số phụ thuộc vào tần số xuất hiện của chúng

Xét trường hợp trong đó dòng chảy thủy triều chiếm ưu thế Phân bố xác suất (ví

dụ theo giờ) vận tốc dòng chảy có thể nhận được từ những số đo bằng lưu tốc kế hoặc

từ một mô hình số dòng chảy thủy triều Biểu thị nó bằng pc(Ui), trong đó pc là xác suất xuất hiện của dòng chảy trong khoảng thứ i của vận tốc quy về một vận tốc Ui Khi không có các đo đạc, cũng không có mô hình nào, có thể tổng hợp phân bố xác suất bằng việc tổ hợp dòng chảy triều cường và yếu theo từng giờ với các cấp thủy triều trong năm lấy theo bảng thủy triều

Trường sóng (nên đo trong cả một năm hoặc nhiều hơn) có thể trình bày bằng một bản vẽ rời rạc Hs-Tz (hình 12) Nói chung, nó có thể tổng hợp bằng dự báo lùi các sóng từ một chuỗi dài dữ liệu gió Vận tốc quỹ đạo đáy RMS được tính toán (ví dụ bằng lý thuyết sóng tuyến tính, mục 4.4) cho mỗi tổ hợp của Hs và Tz Trong tính toán này có thể sử dụng độ sâu nước trung bình, miễn là độ lớn thủy triều nhỏ so với

độ sâu nước trung bình Số lần xuất hiện trong bản vẽ rời rạc Hs-Tz rơi vào trong mỗi khoảng Urms (ví dụ khoảng 0,1 ms-1) sẽ được cộng lại và chuẩn hóa bằng cách chia cho toàn bộ số lần xuất hiện để nhận được phân bố xác suất của vận tốc quỹ đạo sóng RMS là pW(Urms,j)

Bởi vì dòng chảy thủy triều phát sinh bởi những quá trình thiên văn và sóng phát sinh bởi những quá trình khí tượng, chúng có thể xem xét độc lập thống kê với nhau Với giả thiết quan trọng này, xác suất xuất hiện kết hợp của dòng chảy Ui, và vận tốc quỹ đạo sóng Urms,j là:

) ( ) ( ) , ( i rms,j c i w rms,j

Lấy suất vận chuyển trầm tích làm ví dụ cho cách tiếp cận, biểu thị suất vận chuyển trầm tích do tổ hợp của dòng chảy U với vận tốc quỹ đạo sóng Urms bằng q(U,

Urms) Có thể tính toán đối với một kích thước hạt đã cho vv, bằng công thức Soulsby

- Van Rijn (phương trình (136), lấy ví dụ Suất vận chuyển trầm tích trung bình dài hạn (thô) qLT được cho bằng:

) ,

( ) ,

( , rms,j

i j

j rms i cw

Như vậy có thể tính toán một tổ hợp những phương trình (144) và (145) để có suất vận chuyển trầm tích trung bình thô dài hạn (ví dụ năm) tại một điểm Nó có thể áp dụng tại từng điểm lưới cho mô hình khu vực ven bờ (mục 11.1) để nhận được phân bố vận chuyển trầm tích trung bình năm cho một khu vực

Một mở rộng của phương pháp trên là chia nhỏ dòng chảy theo các hướng (ví dụ

cứ mỗi 30o), và lặp lại những tính toán trên theo mỗi nhóm hướng Tính toán bằng phương trình (145) sẽ cho ta suất vận chuyển trầm tích trung bình dài hạn và hướng trong mỗi nhóm hướng, có thể phân tích ra những thành phần theo hướng x (qkLT,x)

và y (qkLT,y) cho nhóm hướng thứ k Vectơ vận chuyển trầm tích ròng trung bình dài

hạn bằng:

















k

y LT k k

x LT k

q

,

(146) có thể sử dụng để tính toán đường vận chuyển và độ lớn trầm tích trung bình dài hạn

Hình 33 Những đóng góp (o/oo) bởi tổ hợp sóng và dòng chảy cho vận chuyển trầm tích trung bình

dài hạn

Suất vận chuyển trầm tích thô (phương trình (145)) là mô đun trung bình q không xét tới hướng, trong khi suất vận chuyển trầm tích ròng (phương trình (146))

là trung bình vectơ của q có kể đến hướng

Những phương pháp tương tự có thể sử dụng cho những loại vấn đề khác

Đối với những vấn đề xói lở và di động đáy biển, biểu thị ứng suất trượt cực đại tại đáy do dòng chảy Ui và vận tốc quỹ đạo sóng Uw,j bằng max(Ui,Uw,j) Đây phải là thành phần ma sát lớp đệm và có thể tính toán bằng một trong các phương pháp mô tả trong mục 5.3 Xác suất lũy tích của ứng suất trượt vượt quá một giá trị đặc trưng

cr, nhận được bằng cách cộng những xác suất kết hợp pcw đã cho bởi phương trình (144) của tất cả các tổ hợp của Ui và Uw,j mà làm cho max vượt quá cr. Nếu cr là ngưỡng ứng suất trượt cho sự ổn định của một đề xuất chống xói, tính toán ở trên cho

ta xác suất hàng năm phải chống xói Đối vơí vấn đề di động đáy biển, nếu cr là ngưỡng chuyển động của vật liệu đáy, tính toán cho ta tỷ lệ biến động đáy trong năm

Với vấn đề xâm thực trầm tích, biểu thị nồng độ trầm tích lơ lửng do dòng chảy

Ui, và vận tốc quỹ đạo sóng Uw,j tại độ cao của công trình lấy nước là C(Ui, Uw,j) Có thể tính toán nó bằng những phương pháp mô tả trong mục 8.6 Như vậy nồng độ trầm tích lơ lửng trung bình hàng năm tại công trình lấy nước bằng:

) , ( ) , ( , w,j

i j

j w i cw

Lượng trầm tích hàng năm nhận được bằng cách nhân CLT với thể tích nước đi qua công trình trong một năm

Đối với những phương pháp trên, cần tính toán vận tốc quỹ đạo đáy của sóng

đơn tương đương Uw, chứ không phải là Urms, vì những phương trình tương ứng đối với ứng suất trượt tại đáy và nồng độ trầm tích lơ lửng được cho dưới dạng những sóng đơn Trong hợp này, phải chuyển đổi

Có thể thực hiện những bổ sung tinh vi để mở rộng hợp lý những phương pháp nói trên Chúng gồm những tính toán cho các mực nước đặc trưng liên quan đến vận tốc dòng chảy trong các trường hợp độ lớn thủy triều không phải nhỏ so với độ sâu nước Một ví dụ khác là tính toán thể tích trầm tích xâm thực phân chia theo nhóm kích thước hạt

Có lẽ giả thiết cực đoan nhất trong phương pháp nói trên là ở sự độc lập của dòng chảy và sóng sử dụng trong phương trình (144) Trong khi giả thiết này khá tốt cho những khu vực mà dòng chảy ưu thế như vùng thềm lục địa phía Tây Bắc châu

Âu, nó lại không phù hợp trong các khu vực trong đó dòng chảy gió hoặc dòng chảy

do nước dâng thống trị như ở phía Bắc của biển Bắc và thềm lục địa Bắc Mỹ Nó cũng không thích hợp trong vùng sóng đổ trong đó dòng chảy dọc bờ do sóng chiếm

ưu thế

Thậm chí trong các khu vực thủy triều thống trị, hầu hết những dòng chảy cực trị đều có thành phần do gió Nếu U và Urms tương quan một phần, xác suất kết hợp của chúng trở nên lớn hơn nhiều đối với những sự kiện cực trị, do vậy chúng đóng góp lớn hơn cho trung bình dài hạn Nếu sóng và dòng chảy hoàn toàn tương quan thì vấn đề thật sự đơn giản, bởi vì một phân bố xác suất đơn (của độ cao sóng hoặc vận tốc gió) là đủ Những trường hợp tương quan một phần (đặc biệt với sự phụ

thuộc về hướng) thì phức tạp hơn nhiều Trong các trường hợp này, cách tiếp cận tuần tự hoặc cách tiếp cận thống kê dựa vào một số lượng hạn chế của hiện thực có thể cần thiết

Những chi tiết hơn của tiếp cận xác suất do Soulsby (1987b) đưa ra đối với suất vận chuyển trầm tích thô

Một ví dụ áp dụng cho một tuyến tại phía Nam Biển Bắc, nơi sẵn có những tập hợp dữ liệu dài hạn của dòng chảy và sóng, do Soulsby đưa ra (1987b) Minh họa ví

dụ này cho trong hình 33, trong đó những đóng góp (phần nghìn) bởi mỗi tổ hợp của sóng và dòng chảy được chỉ ra Thấy rằng những đóng góp lớn ( > 10 o/oo) là do dòng chảy nằm giữa các đỉnh triều cường trung bình và triều yếu trung bình, kết hợp với sóng trong phạm vi 1,5 < Hs < 3,8 m Nó tương ứng với tần suất trong phạm vi 33 %-

2 % Những đóng góp lớn nhất (19 - 20 o/oo) là do dòng chảy ở chính giữa những đỉnh triều cường trung bình và triều yếu trung bình, kết hợp với sóng Hs = 2,5 m ứng với tần suất 9%

12.4 Tiếp cận tuần tự

Cách tiếp cận xác suất sử dụng những phân bố chính xác của dòng chảy và sóng làm đầu vào cho vấn đề vận chuyển trầm tích, nhưng không xét đến sự liên tục trong

đó chúng xuất hiện Trong một vài loại ứng dụng, đặc biệt là vấn đề động lực hình

thái, sự tuần tự (hoặc tính niên đại) có thể quan trọng Trong cách tiếp cận này, dòng

chảy (hoặc mực nước) và sóng phải được nhập vào tại mỗi bước thời gian thông qua

sự mô phỏng dài hạn

Một ví dụ là tính toán bãi phẳng (xem mục 11.1), trong đó sự hình thành một

đặc tính đường bờ có thể ảnh hưởng đến bức tranh truyền sóng sau đó Vì những mô hình bãi phẳng tương đối đơn giản, điều khả thi cho tính toán là chạy với một chuỗi sóng theo từng giờ của 30 năm liên tục

Những mô hình mặt cắt ven bờ cũng có thể chạy cho những chuỗi tương đối dài Southgate (1995b) lấy chuỗi bốn tháng số liệu sóng từng giờ, chia nó thành năm

đoạn, và sắp xếp nó lại theo 120 chuỗi khả thi Các chuỗi này được sử dụng làm đầu vào cho mô hình mặt cắt ven bờ COSMOS-2D với một bãi biển phẳng lúc ban đầu

120 mặt cắt kết quả cuối cùng cho thấy những biến đổi lớn về hình dạng, mà không phụ thuộc nhiều vào đoạn cuối cùng của dữ liệu đưa vào, thể hiện rằng tính tuần tự

là quan trọng

Những mô hình số cho động lực hình thái bùn đặc biệt nhạy cảm với tính tuần

tự, trong trường hợp này là sự liên tục của thủy triều, do hiệu ứng lịch sử sản sinh bởi sự nén của đáy Điều này làm cho trạng thái bùn khi thủy triều tăng từ triều yếu

đến triều cường khác với trạng thái bùn khi thủy triều giảm từ triều cường đến triều yếu

Một khó khăn đối với cách tiếp cận tuần tự là sự liên tục của sóng làm đầu vào cho một chu kỳ nhiều năm trong tương lai chưa được biết trước Phải sử dụng một chuỗi đo đạc liên tiếp trước đây, hoặc là tạo ra một chuỗi tổng hợp theo thời gian với

trường sóng thống kê chính xác và chuỗi liên tiếp hợp lý của các sự kiện Điều này dẫn đến kết quả hình thái cuối cùng Nó có thể phân tích dưới dạng những xu thế, những biến thiên và những cực trị Một cách lý tưởng, cần phải tiến hành một số lớn ( 30) các kết quả khác nhau, và những kết quả phải được phân tích bằng thống kê Những kết quả phải thể hiện ở dạng các số hạng thống kê, hoặc các rủi ro

Quy trình nói trên làm nảy sinh các câu hỏi: làm sao để tạo ra những chuỗi đầu vào trong một trạng thái hiện thực về mặt vật lý; liệu những mô hình phát triển cho những ứng dụng tương đối ngắn hạn có làm việc chính xác cho những thời hạn dài hay không và làm sao để phân tích và trình bày những kết quả

Thời lượng tính toán trên máy có thể cũng cản trở, đặc biệt đối với các nghiên cứu tư vấn với ngân quỹ ngặt nghèo Trong một vài trường hợp yêu cầu về thời gian máy tính là hoàn toàn không thực tế: ví dụ, để chạy 30 lần cho những dự đoán 10 năm liên tục với việc sử dụng lưới chia mịn cho khu vực ven bờ, một mô hình động lực hình thái (ở thời điểm này) sẽ mất khoảng 100 năm liên tục tính toán trên máy tính trạm có tốc độ cao! Những điều đó và những vấn đề liên quan hiện nay còn đang

được nghiên cứu Chúng được bàn luận sâu hơn trong cuốn sách hiện đại về động lực hình thái của de Vriend (đang chuẩn bị)