Nghiên cứu chế độ trường sóng và tác động của nó đến biến động suy thoái bãi biển nha trang

Nhà nước ta từ lâu đã nhận thức được tầm quan trọng của v n đề biến động cửa sông, bờ biển n n đã triển khai nhiều công trình, đề tài, dự án nhằm điều tra, thu thập, x c định hiện trạng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VŨ THẮNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ TRƯỜNG SÓNG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA NÓ ĐẾN

BIẾN ĐỘNG – SUY THOÁI BÃI BIỂN NHA TRANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

Hà nội – 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VŨ THẮNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ TRƯỜNG SÓNG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA NÓ ĐẾN

BIẾN ĐỘNG – SUY THOÁI BÃI BIỂN NHA TRANG

Ngành: Cơ kỹ thuật

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 60.52.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Mạnh Hùng

Hà nội – 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn: “Nghiên cứu chế độ trường sóng và tác động của

nó đến biến động – suy thoái bãi biển Nha Trang” là kết quả nghiên cứu của

riêng tôi với sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Mạnh Hùng Các số liệu nêu ra

và trích dẫn trong luận văn là trung thực không phải là sao ch p toàn văn của

t k tài liệu hay công tr nh nghi n cứu nào kh c mà không ch r trong tài liệu tham khảo

Hà Nội, ngày 9 tháng 10 năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Vũ Thắng

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành bài luận văn này tôi xin ày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới: Ban giám hiệu trường Đại học Công nghệ khoa Cơ học kỹ thuật, Phòng Sau đại học đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cơ quan nơi tôi công t c đã tạo điều kiện về mặt thời gian, kinh phí và các thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập

PGS TS Nguyễn Mạnh Hùng - người trực tiếp hướng dẫn giúp đỡ và tạo mọi điều kiện trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này

C c đồng nghiệp tại Phòng Cơ học và Môi trường Biển đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận văn

Nhiệm vụ hợp tác quốc tế: Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển vịnh Nha Trang, t nh Khánh Hòa do PGS.TS Nguyễn Trung Việt chủ nhiệm Nhiệm vụ đã cung c p cho tôi số liệu đo đạc về địa hình, sóng và mặt cắt bãi biển Nha Trang

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn c c thầy cô trong Khoa Cơ học kỹ thuật đã tận tính dạy dỗ và truyền thụ kiến thức cho tôi trong những năm học vừa qua

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ TIẾN HÀNH CHO KHU VỰC VỊNH NHA TRANG 3

1.1.Tổng quan về khu vực nghiên cứu 3

1.1.1 Đặc điểm kinh tế xã hội 3

1.1.2 C c điều kiện tự nhiên 4

1.2 Các nghiên cứu về trường sóng và biến đổi ãi đã tiến hành cho khu vực 6

1.2.1 Tình hình nghiên cứu tính toán sóng và vận chuyển bùn cát 6

1.2.2 Các nghiên cứu về trường sóng khu vực vịnh Nha Trang 7

1.2.3 Các nghiên cứu về biến đổi bãi khu vực vịnh Nha Trang 8

CHƯƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC MÔ HÌNH ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ TÍNH TOÁN TRONG LUẬN VĂN 9

2 1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWAN 9

2.1.1 Giới thiệu mô hình 9

2.1.2 C c phương tr nh cơ ản 9

2.2 Cơ sở lý thuyết các mô hình tính sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong hệ thống mô hình SMS (CMS-flow và CMS-wave) 12

2 2 1 Cơ sở lý thuyết mô hình CMS-flow 12

2 2 2 Cơ sở lý thuyết mô hình CMS-wave 22

2.2.3 Kết nối giữa các mô hình CMS-flow và CMS-wave 25

2 3 Cơ sở lý thuyết mô hình SBEACH: 26

CHƯƠNG III – ÁP DỤNG CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CÁC YẾU TỐ ĐỘNG LỰC VÀ BÙN CÁT CHO KHU VỰC BÃI BIỂN NHA TRANG VÀ CÁC KẾT QUẢ NHẬN ĐƯỢC 30

3.1 Thu thập số liệu sóng vùng nước sâu 30

3.2 Tính sóng lan truyền từ vùng nước sâu vào khu vực ven bờ vịnh Nha Trang bằng mô hình SWAN 32

3.2.1 Miền tính và lưới tính: 32

3.2.2 Kiểm chứng mô hình tính sóng: 33

3.2.3 Kết quả tính lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào vịnh Nha Trang: 37

3.3 Thiết lập các thông số trong mô hình CMS-wave và CMS-flow 39

3.3.1 Thiết lập thông số trong mô hình CMS-wave 39

3.3.2 Thiết lập thông số trong mô hình CMS-flow 41

3.3.3 Thiết lập thông số kết nối giữa hai mô hình CMS-flow và CMS-wave: 43

3.4 Các kết quả tính toán 44

3.5 Phân tích kết quả tính toán biến động ãi đ y iển khu vực bãi biển Nha Trang dưới t c động của c c trường sóng thịnh hành 52

3.6 Tính toán biến động bãi biển Nha Trang dưới t c động của bão 53

3.6.1 Thiết lập thông số trong mô hình SBEACH 53

3.6.2 Kết quả tính mô hình SBEACH 54

3 7 Sơ ộ nhận x t và đề xu t các giải pháp ổn định bãi 54

KẾT LUẬN 56

DANH MỤC CÁC HÌNH

H nh 2 1 Sơ đồ “Avalanching” trong mô hình SBEACH

Hình 3.1 Trích một đoạn số liệu th ng 1 năm 1988 của bộ số liệu trường sóng thu thập được

H nh 3 2 Lưới tính sóng theo mô hình SWAN cho khu vực Vịnh Nha Trang và lân cận

Hình 3.3 Vị trí trạm đo đạc các tham số sóng

Hình 3.4 So s nh độ cao sóng tính toán và thực đo tại trạm A tháng 5/2013

Hình 3.5 So sánh chu k sóng tính toán và thực đo tại trạm A tháng 5/2013

H nh 3 6 So s nh độ cao sóng tính toán và thực đo tại trạm A tháng 12/2013

Hình 3.7 So sánh chu k sóng tính toán và thực đo tại trạm A tháng 12/2013

H nh 3 8 Lưới tính CMS-wave

Hình 3.9 Thiết lập các thông số chính của CMS-wave

H nh 3 10 Điều kiện phổ sóng tại biên CMS-wave

H nh 3 22 Địa h nh đ y iển khu vực bãi Nha Trang sau khi tính toán với hướng sóng

E

Hình 3.23 Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 1 dưới sự t c động hướng sóng E Hình 3.24 Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 2 dưới sự t c động hướng sóng E Hình 3.25 Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 3 dưới sự t c động hướng sóng E Hình 3.26 Bản đồ phân bố trường sóng ứng với hướng sóng SE

H nh 3 27 Địa h nh đ y iển khu vực bãi Nha Trang sau khi tính toán với hướng sóng

SE

Hình 3.28 Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 1 dưới sự t c động hướng sóng SE Hình 3.29 Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 2 dưới sự t c động hướng sóng SE Hình 3.30 Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 3 dưới sự t c động hướng sóng SE Hình 3.31 Biến động địa hình bãi tại mặt cắt số 1 dưới t c động của c c hướng sóng thịnh hành trong năm NE, E và SE

Hình 3.32 Biến động địa hình bãi biển tại mặt cắt số 2 dưới t c động của c c hướng sóng thịnh hành trong năm NE E và SE

Hình 3.33 Biến động địa hình bãi biển tại mặt cắt số 3 dưới t c động của c c hướng sóng thịnh hành trong năm NE E và SE

Hình 3.34 Mực nước trong 2 ngày 09,10-11-2013 tại khu vực Nha Trang

Hình 3.35 Kết quả tính toán bằng mô hình SBEACH

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Tần su t (%) xu t hiện c c độ cao sóng theo c c hướng Bảng 3.2 Bảng độ cao sóng trung nh theo c c hướng tại độ sâu 90m Bảng 3.3 Bảng chu k sóng trung nh theo c c hướng tại độ sâu 90m Bảng 3.4 Bảng độ cao sóng trung bình tại độ sâu 15m

Bảng 3.5 Bảng chu k sóng trung bình tại độ sâu 15m

Bảng 3.6 Hình thế trường sóng theo hướng t c động

Bảng 3.7 Số liệu địa hình mặt cắt bãi biển trước và sau bão

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây khu vực bãi biển Nha Trang đang phải đối mặt với một

số vần đề cần được giải quyết như v n đề môi trường và biến động – suy thoái bãi Biến động – suy thoái bãi ở đây được hiểu là các quá trình như xói lở, m t bãi, biến động địa h nh dưới mặt nước tạo ra c c ar sâu ngay s t m p nước hay xu t hiện các hiện tượng động lực ven bờ như dòng t ch ờ (rip currents), các xoáy cục bộ khu vực ven bờ Những hiện tượng tr n được x c định là sự suy thoái bãi biển gây m t bãi tắm tại khu vực dọc bờ biển vịnh Nha Trang ảnh hưởng trực tiếp đến một trong những thế mạnh nh t của nơi đây là ngh dưỡng, tắm biển Các yếu tố động lực biển bao gồm sóng, dòng chảy, mực nước và vận chuyển bùn cát (VCBC) là các tham số đầu vào quyết định đến sự suy thoái của bãi

Nhà nước ta từ lâu đã nhận thức được tầm quan trọng của v n đề biến động cửa sông, bờ biển n n đã triển khai nhiều công trình, đề tài, dự án nhằm điều tra, thu thập,

x c định hiện trạng bồi xói, theo dõi diễn biến địa hình ở các vùng trọng điểm, xây dựng các luận cứ khoa học cho các giải pháp phòng chống Tuy nhi n do đặc điểm phức tạp vùng cửa sông, ven biển dưới t c động của các yếu tố động lực biển, gió mùa

và bão, hiện vẫn chưa có được những kết quả phân tích đ nh gi hoặc tính toán cho phép lý giải cơ chế và dự báo diễn biến của c c đặc trưng thủy động lực và bùn cát phục vụ cho phát triển kinh tế, xã hội Ngoài ra, trong điều kiện t c động của biến đổi khí hậu, việc tính toán các quá trình này và hậu quả của nó là biến đổi bãi biển, bờ biển càng trở lên phức tạp hơn Hầu hết các quy trình và mô hình sử dụng đều chưa có điều kiện kiểm tra và hiệu ch nh chi tiết và đồng bộ đối với điều kiện Việt Nam V n

đề suy thoái của bãi tắm Nha Trang ngay cả sau khi có các công trình bảo vệ đã được

Ủy ban nhân dân t nh Kh nh Hòa quan tâm đặc biệt Ngày 08/03/2012, Sở Khoa học

và Công nghệ Khánh Hòa tổ chức hội thảo khoa học: “Đề xu t giải pháp khoa học công nghệ nhằm nâng c p bãi biển Nha Trang phục vụ du lịch và phát triển bền vững” với sự tham gia của c c chuy n gia đầu ngành về hải dương học, công trình biển và quản lý môi trường

Nhận thức được mức độ c p thiết của v n đề biến động – suy thoái khu vực bãi

biển Nha Trang, tôi lựa chọn hướng nghiên cứu với đề tài: “nghiên cứu chế độ trường sóng và tác động của nó đến biến động – suy thoái bãi biển Nha Trang"

Luận văn có các mục tiêu như sau:

- Có được chế độ trường sóng vùng nước sâu khu vực vịnh Nha Trang

- Dựa vào phương ph p tính to n lan truyền trường sóng vùng nước sâu vào khu vực ãi iển Nha Trang có được c c h nh thế trường sóng thịnh hành t c động đến đ y iển ãi iển Nha Trang

- Đ nh gi được c c iến động đ y iển ãi iển Nha Trang qua c c kết quả tính

to n iến đổi đ y theo c c mô h nh tính hiện đại

- Sơ ộ nhận x t và đưa ra c c giải ph p nhằm ổn định ãi

Luận văn ao gồm: Mở đầu chương I - Tổng quan về khu vực và tình hình nghiên cứu đã tiến hành cho khu vực vịnh Nha Trang chương II - Cơ sở lý thuyết các mô

h nh được sử dụng để tính toán trong luận văn chương III - Áp dụng các mô hình tính toán các yếu tố động lực và bùn cát cho khu vực bãi biển Nha Trang và các kết quả nhận được, cuối cùng là kết luận

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn góp phần bổ sung thêm các thông tin khoa học về nghiên cứu đ nh gi sự biến đổi, suy thoái bãi biển Nha Trang nhằm đẩy mạnh việc áp dụng tiến bộ khoa học và công nghệ nói chung, khoa học và công nghệ biển nói riêng vào phục vụ phát triển kinh tế, xã hội của đ t nước

CHƯƠNG I – TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

ĐÃ TIẾN HÀNH CHO KHU VỰC VỊNH NHA TRANG 1.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

1.1.1 Đặc điểm kinh tế xã hội

Thành phố Nha Trang có tổng diện tích đ t tự nhiên là 252.6 km2, dân số tính đến ngày 31/12/2007 là 371879 người với 27 đơn vị hành chính gồm 19 phường và 08 xã Nha Trang có 19 đảo đảo lớn nh t là Hòn Tre rộng 36 km2

vừa có thể coi như đảo, vừa có tính ch t như đ t liền đã được xây dựng dự n Vinpearl để tôn tạo trở thành cảnh quan văn hóa độc đ o; đảo Hòn Mun là trung tâm của khu bảo tồn đa dạng sinh học biển đầu tiên của Việt Nam với các rạn san hô, rong tảo, nhiều nhóm cá khác nhau động vật không xương sống như hải sâm, cầu gai, ốc đụn, sao biển gai Bãi biển Nha Trang nằm sát trung tâm thành phố, là bãi tắm sạch đẹp, r t h p dẫn du khách Ngoài ra, còn có nhiều di tích lịch sử - văn ho và danh lam thắng cảnh nổi tiếng: Tháp Bà Ponagar, Chùa Long Sơn Nhà thờ Chánh tòa, Bảo tàng Yersin, Dinh thự Vua Bảo Đại, Danh thắng Hòn Chồng - Hòn Đỏ đảo Bãi Trũ Bãi Ti n là nguồn tiềm năng lớn để phát triển du lịch Nha Trang còn có c c trường Đại học trường Cao Đẳng trường dạy nghề và các trung tâm chuy n ngành có ý nghĩa vùng như Viện Pasteur, Viện Vắcxin, Viện Hải dương học, Học viện Hải quân là một trong những yếu tố thuận lợi giúp cho nguồn nhân lực của thành phố có tr nh độ tương đối cao hơn so với c c địa phương lân cận

Cơ c u kinh tế chính của thành phố Nha Trang là: công nghiệp, nông nghiệp, du lịch và dịch vụ

Các ngành công nghiệp chủ yếu là: Chế biển thực phẩm; Công nghiệp dệt, da, may mặc; Công nghiệp sản xu t vật liệu xây dựng; Công nghiệp cơ khí hóa ch t (Nhà máy sữa chữa ôtô, tàu thuyền, ch t tẩy rửa…); Công nghiệp chế biến gỗ Hoạt động sản

xu t nông nghiệp cũng đóng vai trò lớn trong tỷ trọng kinh tế của thành phố nhưng cũng góp phần làm suy giảm ch t lượng môi trường Kinh tế thủy sản cũng là một thế mạnh của Khánh Hòa nói chung và của Nha Trang nói riêng Tuy nhiên, với phương thức khai thác vẫn còn lạc hậu, các nguồn lợi tài nguy n và môi trường biển luôn bị đe dọa và ngày càng cạn kiệt Kinh tế du lịch cũng là một trong những ngành mũi nhọn của thành phố và t nh Nhưng đây cũng là một lĩnh vực có nhiều sức p đối với các

v n đề tài nguy n môi trường, xã hội cho các nhà quản lý, các nhà khoa học cũng như toàn thể cộng đồng Ngành giao thông vận tải biển đã và đang được chú ý đầu tư và phát triển ở Nha Trang Hệ thống cảng Cầu Đ đang thực hiện nhiệm vụ trung chuyển hàng hóa với trọng tải tương đối lớn nơi neo đậu của các tàu khách du lịch trong nước

và quốc tế Dọc theo bờ biển Nha Trang còn có cảng Hải quân đồng thời là cảng tiếp nhận xăng dầu Cảng cá ở cầu Hà Ra và Cửa Bé Tuy nhiên, đó cũng là những điểm nóng có khả năng làm ô nhiễm vùng vịnh [6]

1.1.2 Các điều kiện tự nhiên

Vị trí địa lí: Vịnh Nha Trang nằm phía đông thành phố Nha Trang, thuộc t nh

Khánh Hòa, giới hạn phía bắc là mũi K Gà phía nam là mũi Đông Ba Với diện tích khoảng 500km2, vịnh Nha Trang được che chắn bởi 19 đảo lớn nhỏ đảo lớn nh t là đảo Hòn Tre Vị trí và sự tồn tại của c c đảo này làm cho vịnh Nha Trang vừa có

những n t đẹp riêng, vừa có những đặc trưng thủy văn động lực phức tạp

Đặc điểm trường gió:

Mùa gió mùa đông ắc: mùa gió mùa đông ắc bắt đầu từ th ng 11 và k o dài đến

th ng 3 năm sau Trong mùa này ảnh hưởng của p cao châu Á thường gọi là áp cao Sibia phát triển mạnh, khống chế toàn bộ vùng Biển Đông đến tận vĩ độ 10 độ bắc Gió hướng bắc vào đầu mùa và hướng đông ắc vào giữa mùa thịnh hành trên toàn vùng Biển Đông ổn định trong thời gian mỗi đợt chừng 5-7 ngày tạo ra sóng r t lớn ở vùng ngoài khơi Có thể phân chia mùa gió mùa đông ắc thành hai thời k Thời k đầu với khối không khí thường là khối không khí biến tính qua lục địa nên thời tiết thường hanh khô, gió thịnh hành hướng bắc đông ắc và mạnh, ổn định Thời k cuối mùa gió đông ắc, vào tháng 2 tháng 3 là mùa suy thoái của gió mùa đông ắc với sự su t hiện của áp cao phụ khu vực biển Đông tạo ra loại hình thời tiết ẩm mưa phùn với khối không khí biến tính qua biển Gió thịnh hành trong thời gian này là gió đông ắc, đông đông ắc và kém ổn định cùng với tốc độ yếu hơn thời k đầu Về thời gian tác dụng gió mùa đông ắc thuộc dạng hình thế thời tiết syn-nốp tự nhiên với thời gian tác dụng liên tục mỗi đợt từ 5 đến 7 ngày, tuy nhiên r t thường xuy n có c c đợt gió mùa bổ sung

Mùa gió mùa tây nam: mùa gió mùa tây nam còn gọi là gió mùa mùa hè bắt đầu từ tháng 5 và kết thúc vào tháng 9 Gió mùa tây nam hoạt động mạnh nh t tại khu vực phía nam Biển Đông với hướng thịnh hành là hướng tây nam l n đến vùng giữa và bắc Biển Đông hướng gió thịnh hành trong gió mùa tây nam chuyển dần sang nam tây nam và nam Tại khu vực ngoài khơi Nha Trang gió mùa tây nam có hướng thịnh hành là hướng nam và thường có chu k khá lớn (dạng sóng lừng), t c động r t mạnh đến biến động bờ biển

Mùa bão và áp th p nhiệt đới: đối với khu vực nghiên cứu, mùa bão kéo dài từ

th ng 5 đến tháng 12 Quy luật hoạt động của bão khá phức tạp và còn nhiều v n đề hiện nay chưa lý giải được Theo số liệu thống kê của khoảng 80 năm trở lại đây hàng năm có khoảng 1-12 cơn ão và p th p nhiệt đới đổ bộ vào vùng biển và ven bờ nước

ta Tính trung bình mỗi năm có 6 cơn ão và p th p nhiệt đới trong đó có khoảng 30% số cơn xu t hiện trong khu vực đông nam Biển Đông Do sự xê dịch theo mùa của đường đi của bão, mùa bão có xu thế chậm dần từ bắc xuống nam Khu vực ven bờ biển Nha Trang, theo số liệu thống kê nhiều năm hàng năm chịu ảnh hưởng của 1-2 cơn ão [1]

25-Đặc điểm thủy văn sông ngòi: Với đặc trưng của địa hình khu vực miền Trung,

các sông suối trong lưu vực t nh Kh nh Hòa đều ngắn và dốc Dọc bờ biển, cứ khoảng

5 – 7km có một cửa sông Tuy nhiên, phần lớn c c con sông này đều nhỏ Đ ng chú ý

là hai con sông lớn nh t bao gồm Sông Cái Nha Trang và Sông Cái Ninh Hòa Sông Cái Nha Trang (còn có tên là sông Phú Lộc, sông Cù, ở phần thượng lưu có t n là sông Thác Ngựa) có độ dài 79 km, bắt nguồn từ hòn Gia Lê cao 1.812 m chảy qua Khánh Vĩnh Di n Kh nh Nha Trang rồi đổ ra biển Khi chảy đến địa phận thôn Xuân Lạc (xã Vĩnh Ngọc) th chia làm hai chi lưu Một chi lưu, chảy men theo núi Đồng Bò đổ

ra biển qua Cửa Bé (Tiểu Cù Huân) Chi thứ hai, chảy xuống Ngọc Hội, lại chia làm hai nhánh Một nhánh chảy qua cầu Xóm Bóng, qua Cửa Lớn (Đại Cù Huân) và chảy

ra biển Nhánh thứ hai, chảy qua cầu Hà Ra, qua Xóm Cồn, rẽ lên phía Bắc rồi hội nước vào dòng chính, chảy ra biển qua Cửa Lớn (Đại Cù Huân) Giữa hai nhánh sông này, nổi lên các cồn ãi như Cồn Dê, Hải Đảo, Xóm Cồn Sông Dinh (còn gọi là sông

C i Ninh Hòa sông Vĩnh An sông Vĩnh Phú ) ắt nguồn từ vùng núi Chư H'Mư (đ nh cao 2.051 m) thuộc dãy Vọng Phu, chảy theo hướng bắc nam khi đến Eakrơngru dòng sông mở rộng và chảy lệch sang hướng Tây Bắc - Đông Nam Qua khỏi Dục Mỹ, về phía hạ lưu sông nhận th m nước của suối Bông và đến Tân Lạc, sông nhận th m nước của suối Trầu Chảy đến Ngũ Mỹ sông đổi hướng Tây - Đông, cách Ninh Hòa khoảng một cây số, sông nhận th m nước của sông Đ Bàn và sông Tân Lan, cách cửa một cây số, còn nhận th m nước của sông Chủ Chay (sông Dõng) Các phụ lưu lớn (Đ Bàn Tân Lan Chủ Chay) hội với dòng chính ở hạ lưu tạo thành mạng với sông Dinh, có dạng hình nan quạt, với tổng diện tích lưu vực 985 km2, bao trùm toàn bộ huyện Ninh Hòa Sau khi chảy qua thị tr n Ninh Hòa, sông lại chia ra nhiều nhánh nhỏ như lạch Nga Hầu, lạch Nga Dã, lạch Ngòi Sau, lạch Cồn Ngao, rồi qua cửa Hà Li n đổ ra đầm Nha Phu Ngoài ra, phía nam vịnh Nha Trang còn có thêm sông Tắc là con sông tương đối nhỏ [4], [5]

Đặc điểm trường dòng chảy: Dòng chảy vịnh Nha Trang chịu ảnh hưởng chủ yếu

bởi ba yếu tố chính: Hệ thống gió mùa và gió địa phương địa hình khu vực vịnh, quá trình truyền triều từ biển vào Nhìn chung, trong mùa gió Đông Bắc hướng dòng chảy lớp bề mặt phần lớn chảy theo hướng Nam – Tây Nam, lệch góc so với hướng gió không quá 45° Dọc theo dải sát bờ và eo biển phía nam, dòng chảy bị ép theo hướng dọc bờ Vào thời k gió mùa Tây Nam, dòng chảy tầng mặt thường có hướng Bắc – Đông Bắc Các phân tích, thống kê từ các số liệu thực đo cho th y rằng: Tốc độ dòng cực đại ghi nhận được có thể l n đến 50cm/s Trong đó thành phần dòng không triều (chủ yếu là dòng gió kết hợp dòng quán tính) có thể đạt 25cm/s Khi chưa có gió mùa Đông ắc t c động mạnh, tốc độ trung bình là 20,7cm/s và đạt khoảng 30,3cm/s vào giữa thời k gió mùa mạnh Các giá trị cực đại, cực tiểu tương ứng với thời k gió mùa

và thời k gió mùa mạnh là 37,7 cm/s và 44,0 cm/s; 1,0cm/s và 17,0cm/s Với đặc điểm độ sâu trung bình trên toàn vịnh tương đối lớn, có hiện tượng cường hóa dòng

chảy theo độ sâu, tốc độ dòng ở lớp nước sâu thường lớn hơn g p hai đến ba lần tốc

độ dòng chảy trên mặt Hướng vectơ dòng chảy xoay theo độ sâu cũng là một hiện tượng phổ biến ở khu vực này [7]

Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước: Thủy triều trong khu vực biển

Khánh Hòa mang tính ch t nhật triều không đều Các kết quả nghiên cứu và tính toán

từ số liệu mực nước tại trạm Cầu Đ Nha Trang cho th y rằng, giá trị của ch số Vanderstok là 2,6 Kết quả thống k cũng ch ra rằng: mực nước cao nh t là 235cm, mực nước th p nh t là 4cm, mực nước trung nh là 124cm Bi n độ dao động mực nước lớn nh t trong năm là 222cm trung nh là 212cm [6]

Đặc điểm trường sóng: Sóng khu vực ngoài khơi Nha Trang phân theo mùa r

rệt Từ th ng 10 đến th ng 4 năm sau sóng có hướng chủ đạo là Đông Bắc, với cường

độ mạnh nh t vào các tháng 11, 12 và th ng 1 Đây chính là thời k sóng ngoài khơi truyền vào vịnh mạnh nh t và ảnh hưởng đến bãi biển Từ th ng 4 đến tháng 9, sóng

có hướng chủ đạo là Tây Nam, chiều cao sóng nhỏ và không có ảnh hưởng nhiều đến biến đổi bãi biển khu vực này [8]

Đặc điểm địa hình đáy và bãi biển: Bãi biển Nha Trang có dạng cánh cung ôm

l y phần bờ phía tây vịnh Nha Trang Địa hình bãi thuộc dạng bãi tích tụ - xói lở do

t c động của sóng chiếm ưu thế Bãi biển thoải đều, ở khu vực phía Bắc ãi có độ dốc hơn phía Nam độ dốc trung bình của bãi từ 7-80

Hình thái bãi biển biến đổi theo mùa

r t rõ, mùa khô ãi được bồi tụ nâng cao và mở rộng th m mùa mưa th ngược lại bị xói lở và hạ th p [8]

1.2 Các nghiên cứu về trường sóng và biến đổi bãi đã tiến hành cho khu vực 1.2.1 Cac mô hình tính toán sóng và vận chuyển bùn cát

Sử dụng các mô hình số để tính toán, mô phỏng đ nh gi iến động bãi biển khu vực ven bờ, khu vực bãi tắm đã được thực hiện phổ biến trên thế giới Tùy thuộc vào đối tượng và mục đích nghi n cứu có thể áp dụng các loại mô hình tính to n cũng kh c nhau Có thể liệt kê một số mô hình tính sóng vùng ven bờ thường được áp dụng

Mô hình STWAVE (STeady state spectral WAVE) là mô hình tính lan truyền sóng

từ vùng nước sâu vào vùng ven bờ tr n cơ sở phương tr nh lan truyền sóng dạng elliptic với đ y thoải C c tính to n được thực hiện với các thành phần phổ sóng theo

c c hướng từ II/2 đến –II/2(phổ lan truyền ½ vòng tròn) Trường sóng được coi là ổn định và có tính đến qu tr nh trao đổi năng lượng từ gió cho sóng khi truyền cũng như tương t c sóng và dòng chảy Các kết quả kiểm tra với số liệu đo đạc cho th y mô hình STWAVE cho kết quả tính sóng nhỏ hơn so với trường sóng thực tế trong các hình thế trường sóng lừng có phổ r t hẹp Tuy vậy mô hình STWAVE hiện đang được sử dụng

r t rộng rãi trong tính to n động lực các vùng cửa sông, lạch triều và tính vận chuyển bùn cát, biến động bờ biển v mô h nh này có ưu điểm r t lớn là tính được tương t c giữa sóng với dòng chảy và trường sóng được mô phỏng dưới dạng phổ

Mô hình SWAN (Simulating WAve Nearshore) là mô h nh tính to n đặc trưng của trường sóng trong vùng ven bờ, trong các hồ và cửa sông từ c c điều kiện gió địa hình

đ y và dòng chảy Mô hình dựa tr n phương tr nh cân ằng t c động sóng (hoặc phương tr nh cân ằng năng lượng trong trường hợp không có dòng chảy) với các nguồn cung c p và ti u t n năng lượng SWAN là mô hình tính sóng thế hệ ba với các lựa chọn kiểu tính sóng thế hệ một, hai và ba SWAN có thể sử dụng đối với b t cứ quy mô vùng tính sóng nào phù hợp với trường sóng trọng lực trên biển do gió gây ra Tuy nhi n SWAN được lập ra để dành riêng cho việc tính sóng khu vực ven bờ Nó

có thể được áp dụng trong điều kiện từ phòng thí nghiệm tới các bãi biển và cho phép lồng ghép với mô hình WAM hoặc WAVEWATCH III – là những mô h nh được thiết lập đối với lưới tính hệ tọa độ cầu

Mô hình CMS-Flow là mô h nh tính to n trường dòng chảy và VCBC Mô hình tính toán vận chuyển các ch t hòa tan (muối) và bùn cát dưới t c động của thủy triều, gió và sóng Mô h nh động lực dựa tr n phương tr nh ảo toàn trong vùng nước nông

và các thành phần lực Coriolis, ứng su t gió, ứng su t sóng, ứng su t đ y ma s t do vật cản, ảnh hưởng của đáy và khuyếch tán rối

Mô hình CMS-Wave là mô h nh tính to n lan truyền phổ sóng dựa tr n việc giải phương tr nh cân ằng t c động sóng dạng ổn định tr n lưới không đồng nh t trong hệ tọa độ Đề C c Mô h nh có khả năng tính to n qu tr nh ph t triển và lan truyền sóng

do gió hiệu ứng khúc xạ phản xạ m t m t năng lượng do ma s t đ y sóng ạc đầu và sóng đổ Ngoài ra, c c qu tr nh tương t c giữa c c sóng với nhau sóng với dòng chảy sóng leo nước dâng do sóng và sóng truyền qua c c công tr nh cũng được tính toán Các mô hình SWAN, CMS-Flow và CMS-wave được sử dụng để tính to n iến động theo mùa của ãi iển Nha Trang trong luận văn này

Mô hình SBEACH (Storm-induced BEAch CHange) là một mô h nh tính xói lở

ãi ờ iển do ão dựa tr n nguy n lý cân ằng động của mặt cắt vuông góc với ờ Trong luận văn này mô hình SBEACH được sử dụng để tính sự suy tho i ãi iển Nha Trang dưới t c động của qu tr nh syn-nốp với kích cỡ thời gian từ 5 đến 7 ngày

là ão hoặc gió mùa đông ắc mạnh

1.2.2 Các nghiên cứu về trường sóng khu vực vịnh Nha Trang

Trường sóng được phát sinh và phát triển dưới t c động trực tiếp của trường gió,

do vậy đặc điểm chế độ trường sóng là hậu quả trực tiếp của chế độ khí hậu và trường gió khu vực Do sóng được phát sinh và phát triển trên toàn bộ một vùng rộng lớn (đà sóng) n n đ nh gi chế độ trường sóng tại một khu vực cụ thể cần phải có được phân

bố sóng trên một vùng rộng lớn (đà sóng) Đối với trường sóng vùng nước sâu khu vực vịnh Nha Trang cần phải có được phân bố trường gió và kết quả của nó là trường sóng

cho toàn bộ vùng phía Bắc, giữa và Nam Biển Đông Trong khuôn khổ đề tài “tính toán trường sóng và vận chuyển bùn cát phục vụ xây dựng công trình biển ven bờ” đã

tiến hành tính to n và phân vùng trường sóng vùng ven bờ biển nước ta Kết quả đã

phân ra 6 vùng dọc theo ven bờ biển Việt Nam và Nha Trang thuộc vùng số 4 với định hướng đường bờ theo hướng Bắc Nam, nhìn thẳng ra Biển Đông không ị giới hạn, đường bờ theo c c hướng NE E SE và địa h nh đ y kh dốc Đây là vùng có động lực sóng khá khốc liệt so với các vùng ven bờ khác Sóng cực đại trong mùa gió Đông bắc

là khoảng 6-7m và trong mùa gió Tây Nam là 5-6m C c hướng sóng nguy hiểm trong vùng này là hướng N, NE và S, SE Tần su t của các sóng trong gió mùa Đông bắc là 40%, gió mùa Tây Nam là 23% còn lại tần su t lặng sóng chiểm 37% tổng số trường hợp Phân bố hai chiều có tần su t lớn nh t giữa độ cao và chu k sóng trung bình của vùng này khoảng 2-3m với chu k 5-7s Tần su t bão tại vùng này khoảng 1-2 cơn ão trong một năm tuy không nhiều bằng vùng ven bờ vịnh Bắc Bộ nhưng độ cao sóng trong bão lớn hơn nhiều do không bị ảnh hưởng của độ sâu như khu vực vịnh Bắc Bộ (với độ sâu 50-60m của vịnh Bắc Bộ, sóng bão có chu k >10s đã ị t c động của các hiệu ứng gây ra do độ sâu như hiệu ứng biến dạng, khúc xạ)

Sóng trong ão thường xu t hiện vào th ng 10 và th ng 11 Độ cao sóng hữu hiệu

và chu k sóng với chu k lặp 20 năm một lần khoảng 8 - 9m và chu k 12-14s[1]

1.2.3 Các nghiên cứu về biến đổi bãi khu vực vịnh Nha Trang

V n đề nghiên cứu chế độ thủy động lực và vận chuyển bùn cát khu vực cửa sông, ven biển đã được nghiên cứu từ lâu bằng cách sử dụng c c phương ph p khảo sát và

mô h nh hóa Đã có nhiều đề tài c p bộ và nhà nước cũng như s ch chuy n khảo nghiên cứu về v n đề diễn biến cửa sông bờ biển Một số nghiên cứu tiêu biểu về vận chuyển bùn cát khu vực cửa sông, ven biển như:

Đề tài KC09-05 “dự báo hiện tượng xói lở - bồi tụ bờ biển cửa sông và các giải pháp phòng tránh” do Viện Địa lý- Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam chủ tr Đề tài KC08-06 “nghiên cứu đề xuất giải pháp ổn định các cửa sông ven biển miền Trung” do trường Đại học Thủy lợi chủ trì thực hiện từ năm 2007-2009…

Cụ thể cho khu vực Nha Trang: Trong năm 2012 trường Đại học Thủy lợi chủ trì

nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học và công nghệ theo nghị định thư “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” do PGS.TS Nguyễn Trung Việt chủ nhiệm nhiệm vụ Đây là

một chương tr nh nghi n cứu khá toàn diện cả về phương diện đo đạc thực tế và tính toán mô hình cho khu vực vịnh Nha Trang nói chung và bãi biển Nha Trang nói riêng

Đã thu được các kết quả đo đạc đồng bộ các yếu tố động lực biển và địa hình bãi biển Nha Trang Đã sử dụng nhiều loại mô hình hiện đại để tính toán biến động bãi biển và

ch ra các khu vực cần phải bảo vệ, phục vụ cho các hoạt động du lịch, ngh dưỡng của thành phố

CHƯƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC MÔ HÌNH ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ

TÍNH TOÁN TRONG LUẬN VĂN 2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWAN

2.1.1 Giới thiệu mô hình

SWAN là mô hình tính toán sóng thế hệ ba, mô hình tính toán các tham số sóng trong vùng nước nông ven bờ, trong các hồ đập và vùng cửa sông ven biển Các tham

số sóng được tính toán từ trường gió dưới t c động của các yếu tố địa h nh đ y dòng chảy, các quá trình truyển sóng và tương t c sóng với sóng, sóng với công trình trên biển, bờ biển Ngoài việc tính toán cho các khu vực nước nông ven bờ, mô hình SWAN cũng có thể áp dụng trên các quy mô lớn trong c c đại dương, nơi có độ sâu lớn, các tham số sóng được tính toán từ gió Mô hình SWAN dựa tr n phương tr nh cân bằng t c động phổ sóng (hoặc phương tr nh năng lượng sóng khi không có dòng chảy) cùng với các thành phần hàm nguồn cung và tiêu tán

C c tính năng cơ ản trong mô hình SWAN gồm có:

* Dựa theo quá trình truyền sóng:

- Truyền sóng trong không gian;

- Khúc xạ sóng dưới t c động của địa h nh đ y và dòng chảy;

- Nhiễu xạ sóng;

- Biến dạng sóng dưới t c động của địa h nh đ y và dòng chảy;

- Bị chặn hoặc phản xạ do dòng chảy ngược chiểu;

- Truyển qua một phần, bị chặn hoặc phản xạ bởi công trình;

* Dựa theo qu tr nh tăng trưởng và tiêu tán sóng:

- Tăng trưởng sóng do gió;

- Ti u t n năng lượng do sóng bạc đầu;

- Ti u t n năng lượng do sóng đổ gây ra bởi địa h nh đ y;

- Ti u t n năng lượng sóng do ma s t đ y;

- Tương t c giữa các sóng trong cả vùng nước sâu và nước nông;

Ngoài ra trong SWAN qu tr nh nước dâng do sóng cũng được tính toán Tuy nhiên dòng chảy gây ra do sóng không được tính toán [2]

2.1.2 Các phương trình cơ bản

Phương trình truyền sóng

T t cả các thông tin về trạng thái bề mặt biển được thể hiện trong phổ năng lượng sóng E(σ θ) năng lượng này được phân bố theo tần số σ và hướng sóng θ Thông thường các mô hình tính toán sóng sử dụng quá trình tiến triển của mật độ t c động sóng ⃗ theo không ⃗ gian và thời gian t Mật độ t c động sóng được xác

định bằng và được bảo toán trong quá trình truyền sóng, trong khi mật độ năng lượng sóng không được bảo toàn khi có mặt dòng chảy

Phương tr nh phát triển của cân bằng mật độ t c động sóng đưa ra ởi Mei, 1983 và Komen 1994 như sau:

⃗ [( ⃗ ⃗⃗⃗) ]

Thành phần thứ nh t - phía trái của phương tr nh là thành phần động năng Thành phần thứ hai là quá trình truyền năng lượng sóng trong không gian hai chiều trong đó ⃗

⃗⃗

⁄ là vận tốc nhóm sóng, k là số sóng Thành phần thứ ba biểu thị sự biến đổi của tần số do sự thay đổi địa hình và ảnh hưởng của dòng chảy Thành phần thứ tư biểu thị quá trình khúc xạ sóng dưới t c động của địa hình và dòng chảy C c đại lượng là tốc độ truyên sóng trong không gian phổ Phía bên phải phương trình chứa , đây là hàm nguồn biểu thị cho các quá trình vật lý như cung c p, tiêu tán và tái phân bố năng lượng sóng

Phương tr nh cân ằng mật độ năng lượng sóng có thể được viết trong hệ tọa độ

Đề Các hoặc hệ tọa độ cầu Trong trường hợp áp dụng trên quy mô nhỏ, phương tr nh được viết trong hệ tọa độ Đề c c như sau:

(2) Với quy mô lớn vùng tính to n là c c đại dương hoặc thềm lục địa phương tr nh cân bằng t c động phổ được viết trong hệ tọa độ cầu:

̃

̃

̃

̃

̃ ̃

(3)

Trong đó ̃ biểu thị theo kinh tuyến và vĩ tuyến

Nguồn cung cấp và tiêu tán năng lượng

Trong vùng nước nông, tổng năng lượng sóng thu nạp và tiêu tán có thể viết dưới dạng tổng của s u qu tr nh như sau:

(4)

C c đại lượng này tương ứng là năng lượng gió truyền cho sóng năng lượng chuyến đổi do tương t c sóng ậc ba và bậc bốn và các quá trình tiêu t n năng lượng sóng do bạc đầu sóng, ma s t đ y và sóng đổ do địa hình Cụ thể các thành phần như sau:

Năng lượng sóng nhận từ gió:

Dựa vào hai cơ chế phát triển của sóng, sóng phát triển do gió thông thường được coi như tổng của các giá trị tăng trưởng tuyến tính và tăng trưởng theo hàm mũ:

(5) Trong đó A iểu thị phần tăng trưởng sóng tuyến tính và BE biểu thị phần tăng trưởng sóng theo hàm mũ C c đại lượng A và B phụ thuộc vào tần số và hướng của sóng và tốc độ và hướng gió Trong mô hình SWAN sử dụng tốc độ gió tại độ cao 10m

so với mực nước biển Các tốc độ gió tại độ cao khác có thể đưa về độ cao tại 10 m theo công thức:

Trong đó là hệ số kéo, theo Wu (1982) ta có:

{

⁄ } (7) Thành phần tăng trưởng sóng tuyến tính được Cavaleri và Malanotte-Rizzoli (1981) đưa ra với việc sử dụng hàm lọc các sóng phát triển ở các tần số th p hơn tần số Pierson-Moskowitz:

(8) ,

Trong đó là hướng gió, H là hàm lọc và tần số đ nh phổ trong trạng thái sóng trên mặt biển phát triển hoàn toàn

Thành phần sóng phát triển theo hàm mũ được hai nhà khoa học Komen (1984) và Janssen (1989,1991) đưa ra theo hai công thức như sau:

Theo Kommen (1984), ta có:

(

) (10) Trong đó là tốc độ pha, là mật độ không khí và nước

Theo Janssen (1989 1991a) đưa ra như sau:

(

) (11)

ở đây là hằng số Miles

Tiêu tán năng lượng do sóng bạc đầu:

Sóng bạc đầu là do sự thay đổi độ dốc của sóng vượt góc tới hạn Công thức tính

ti u t n năng lượng do sóng bạc đầu được Hasselmann 1974 đưa ra như sau:

̃̃ (12) Trong đó là hệ số phụ thuộc vào độ dốc sóng, k là số sóng và ̃ ̃ là tần số trung bình và số sóng trung bình

Tiêu tán năng lượng do ma sát đáy:

Trong vùng nước nông quỹ đạo chuyển động của hạt nước gây ra do các chuyển động của sóng trên bề mặt lan rộng tới tận đ y iển qu tr nh này gia tăng sự tương tác giữa sóng trên mặt và đ y dẫn tới một phần năng lượng của sóng bị tiêu tán Quá

tr nh ti u t n năng lượng do ma s t đ y được Bertotti và Cavaleri (1994) đưa ra như sau:

Trong đó:

h – độ sâu cột nước trong trạngth i tĩnh

η – độ cao của dao động mực nước,

t – thời gian,

qx – thông lượng trên một đơn vị bề rộng theo phương x

qy – thông lượng trên một đơn vị bề rộng theo phương y

τwx- ứng su t gió theo phương x

τwy- ứng su t gió theo phương y

Trong trạng th i có sóng t c động ứng su t đ y được tính theo sự phân bố tựa đồng nh t của dòng chảy (do thủy triều, gió và sóng trên mặt) và vận tốc quỹ đạo sóng tại đ y Ứng su t tại đ y được tính trung bình cho từng chu k của sóng tại từng nút lưới tại mỗi ước thời gian Công thức tính ứng su t đ y khi có mặt sóng và dòng chảy được Nishimura (1988) đưa ra như sau:

Với σ là tần số góc của sóng, H là chiều cao sóng và k là số sóng,

Uwc tốc độ quỹ đạo sóng và ωb tần số góc sóng khi có mặt dòng chảy

Ứng suất gió được tính theo công thức:

∬ * (

) + (34) ∬ * (

) + (35) ∬ * (

) + (36) Với σ=σ(ω α)

Ω – tần số góc quay của tr i đ t υ vĩ tuyến

Hệ số nhớt rối phụ thuộc vào độ dài xáo trộn của cột nước trong trường hợp không có t c động sóng có thể tính theo hàm của độ sâu nước, tốc độ dòng chảy và độ nhám của đ y iển (Fanconer, 1980) như sau:

Trong vùng sóng đổ dưới t c động của sóng, các xáo trộn theo phương ngang là

r t đ ng kể Công thức tính hệ số nhớt rối như sau:

Trong vùng chuyển đổi giữa vùng sóng đổ và vùng nước sâu, hệ số nhớt rối được tính theo công thức

Trong đó θm là hàm t trọng tính như sau:

(

Phân bố gió theo độ cao:

Phân bố tốc độ gió theo chiều cao được tính theo công thức của Charnock (1955)

và Hsu (1988)

Với:

Wz – tốc độ gió tại độ cao z so với mặt biển,

Z0 – độ cao của mặt biển,

Km – hệ số nhớt xoáy, Z là chiều cao

Giả thiết rằng lớp khí quyển sát mặt nước là ổn định khi đó ứng su t gió tại độ cao

10 m trên mặt biển có thể tính theo Hsu (1988) như sau:

(

W10 – tốc độ gió tại độ cao 10 m trên mặt biển

Theo thực nghiệm có thể áp dụng công thức tính tốc độ gió tại độ cao 10 m như sau:

Phương trình tính toán vận chuyển bùn cát và biến đổi đáy biển:

Trong CMS-flow các hệ phương tr nh tính toán vận chuyển bùn cát (VCBC) và biến đổi đ y iển được tính toán theo ba công thức:

- Công thức của Wantanabe (1987), tính toán VCBC tổng cộng bao gồm: tính toán VCBC lơ lửng và di đ y

- Công thức tính VCBC của Lund-CIRP (Camenen và Larson, 2006) Công thức tính lượng bùn cát tổng cộng kết hợp từ công thức tính VCBC lơ lửng và công thức tính VCBC di đ y

- Tính toán VCBC tổng cộng dựa theo công thức tính VCBC lơ lửng của VanRijn kết hợp công thức tính VCBC di đ y của Lund-CIRP

Trong luận văn này tôi sử dụng công thức tính toán VCBC của Lund-CIRP Công thức Lund – CIRP sử dụng trong CMS-flow theo hai phương thức:

Thứ nh t tính to n lượng vận chuyển tổng cộng dựa vào sự kết hợp của VCBC lơ lửng và di đ y C ch thức thứ hai sử dụng phương tr nh nh lưu khuyếch tán Trong phần tiếp theo nhân tố độ nh m và ma s t đ y p dụng trong CMS-flow sẽ được giới thiệu, tiếp đó là VCBC dạng lơ lửng và di đ y

Với sóng VanRijn (1993) đưa ra với tham số:

(54) Trong đó s là t số của mật độ bùn cát và nước:

Độ nhám liên quan tới kích thước hạt được Wilson (1966 1989) đưa ra như sau:

θi – tham số Shields ứng với sóng hoặc dòng chảy

Hệ số an được l y bằng 12 cho thành phần vận chuyển vuông góc với hướng sóng

Hệ số được xem như điều kiện an đầu của chuyển động được l y giá trị là 4,5 Các giá trị θnet và θcn được x c định theo công thức:

Công thức phân bố của CR đƣợc đƣa ra là:

Trong đó kc,kw,kb là các hệ số

Phương trình bình lưu khuyếch tán

VCBC tổng cộng gồm hai thành phần, VCBC lơ lửng và VCBC di đ y C c công thức tính VCBC lơ lửng và di đ y dựa trên ứng su t trượt tại từng vị trí Tuy nhiên trong một số trường hợp lượng VCBC lơ lửng biến đổi mạnh như tại các cửa sông, lạch triều, luồng tàu và tại c c chân công tr nh khi đó không thể tính VCBC dựa vào các lực t c động tại chỗ Trong trường hợp này phương tr nh nh lưu khuyếch tán được sử dụng Trong CMS-flow phương tr nh nh lưu khuyếch t n thu được từ tích phân liên tục trung nh theo độ sâu của thành phần VCBC lơ lửng:

) (

) (74) Trong đó:

C – nồng độ bùn cát trung nh theo độ sâu,

d – độ sâu nước tổng cộng d=h+η

h – độ sâu mực nước tĩnh

η – độ cao dao động mực nước,

t – thời gian,

qx – thông lượng trên một đơn vị bề rộng song song với trục x,

qy – thông lượng trên một đơn vị bề rộng song song với trục y,

u – tốc độ dòng chảy trung nh theo độ sâu theo hướng x,

v – tốc độ dòng chảy trung nh theo độ sâu theo hướng y,

Kx – hệ số khuyếch tán của bùn cát theo hướng x,

Ky – hệ số khuyếch tán của bùn cát theo hướng y,

P – lượng bùn cát đến,

D – lượng bùn cát bị m t đi

Phương tr nh thay đổi đ y được viết như sau:

(

z là phương thẳng đứng

Lưới tính:

Để tăng tối đa hiệu quả của bộ nhớ cho máy tính có thể áp dụng được trong các vùng bờ phức tạp lưới tính trong CMS- flow được lập dưới dạng các mảng một chiều.Trong CMS-flow lưới tính cho dưới dạng lưới thẳng c c ô lưới có thể đều hoặc

không đều Mỗi một ô lưới gồm có ch số i và j tương ứng với trục x và y của miền lưới tính Mực nước được tính tại trung tâm ô lưới, các thành phần tốc độ x và y được

tính tại trung tâm cạnh phía bên trái và cạnh dưới đ y c c gi trị thông lượng cũng được tính tại các vị trí giống như c c thành phần tốc độ

ξ  )<1 Thông thường ngoài thuỷ triều còn có nhiều t c động khác, các thành phần của dòng chảy có thể được tạo ra do gió,

c c sóng và lưu lượng của sông đổ ra Mỗi t c động sẽ sinh ra một tốc độ tương ứng

vì vậy số Courant được x c định chính x c hơn ằng:

Δs

Δt ) u u

u (u

với u tide là vận tốc dòng chảy do thủy triều, u wind là tốc độ dòng chảy do t c động

của gió u waves là vận tốc dòng chảy sinh ra do sóng, u tributary là tốc độ dòng chảy do sông

đổ ra Trong các vùng có dòng chảy mạnh như là tại vùng thuỷ triều dâng, rút mạnh (lạch triều) dòng triều chiếm ưu thế còn trong vùng sóng đổ, dòng chảy sinh ra do sóng

có thể mạnh hơn đ ng kể so với dòng triều Tại c c vùng này thông thường cần chia độ phân giải ước lưới theo không gian nhỏ hơn Sự kết hợp của các dòng chảy mạnh và

c c ô lưới nhỏ giới hạn kích thước ước thời gian cho phép

Điều kiện biên:

Mô hình CMS-flow sử dụng sáu loại điều kiện biên, và có thể ch ra cụ thể biên

t c động và không t c động Nguồn số liệu CMS-flow sử dụng làm điều kiện biên là các số liệu quan trắc đo đạc (do người sử dụng cung c p dạng các file), số liệu từ các

mô hình có miền tính lớn hơn như ADCIR (thông qua c c mô đun tự động) và các mô hình khác (dạng c c file đầu vào) C c điều kiện biên gồm có

+ Điều kiện biên mực nước cho dưới dạng các sóng triều: trong mô hình

CMS-flow có thể cho phép tính toán với tám hằng số điều hòa thủy triều khác nhau gồm có (M2, S2, N2, K2, K1, O1, M4, và M6)

+ Điều kiện biên mực nước cho dưới dạng chuỗi mực nước theo thời gian: loại

điều kiện này được cho bằng file các giá trị mực nước

+ Điều kiện biên mực nước và tốc độ dòng chảy theo thời gian: loại điều kiện biên

này p đặt các giá trị mực nước và tốc độ dòng chảy theo thời gian tại c c ô lưới trên biên

+ Điều kiện biên lưu lượng theo thời gian: theo cách này, tại các ô trên biên sẽ

được gán giá trị lưu lượng

+ Điều kiện biên phản xạ, không thấm: loại i n này thường gặp tại nơi giao nhau

giữa đ t và nước được coi như mặt tường Tại c c ô lưới biên kiểu này nước ch có thể chảy theo hướng song song với mặt tiếp gi p đ t và nước mà không th m qua nó

+ Điều kiện biên thích ứng theo trường sóng và trường tốc độ: điều kiện bên này

cho ph p tính đến các hiệu ứng của trường sóng đến mực nước ở vùng sát bờ (các hiệu ứng nước dâng nước rút do sự biến đổi của thành phần ứng su t bức xạ sóng vuông góc với bờ) Đây được coi là một điểm mới đối với các mô hình tính toán dòng chảy khu vực sát bờ

+Tính toán khô ướt: Trong CMS-flow đã sử dụng các kỹ thuật kh c nhau để mô

phỏng hiện tượng khô ướt như phương tr nh ar c t đập nước (Reid và Bodine, 1968)

và c c ài to n i n di động (Yeh và Chou, 1978)

Mỗi ô ướt sẽ được kiểm tra sau mỗi ước tính xem nó có trở thành khô không sau khi tính được các giá trị mực nước và tốc độ của ước tính đó cho toàn ộ lưới tính

Ch ti u để ô tính này trở thành khô là:

cr j i, j i, j

Với D,j là độ sâu nước tổng cộng, D cr là độ sâu nước mà dưới đó c c ô được coi

là khô và ngược lại mỗi ô khô sẽ được kiểm tra sau mỗi ước tính xem nó có trở thành ướt không khi độ sâu nước tổng cộng vượt quá D cr và nước chuyển động về phía ô khô

2.2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình CMS-wave

Công thức sử dụng theo Mase (2001) như sau [9], [10]:

sóng hệ số κ được l y >0 và không tính đến nhiễu xạ sóng κ = 0 Trong CMS-wave hệ

ở đây U và V là thành phần vận tốc dòng chảy theo hướng x và y k là số sóng và h

là độ sâu nước Mối liên hệ giữa tần số góc tương đối σ tần số góc tuyệt đốiv ω số sóng k và vận tốc dòng chảy | | √ theo Jonsson (1990) là được mô tả theo công thức:

Và:

σ2

= gktanh(kh)

Trong đó ⃗⃗ ⃗⃗⃗ được gọi là thành phần Doppler-shifting

Sự khác biệt chính khi tính toán sự truyền sóng khi có và không có mặt dòng chảy chính là tìm ra tần số thực sự của sóng Xem xét sự phân tán của thành phần Doppler-shifting cho th y rằng sẽ không giải được khi các sóng bị chặn hoàn toàn bởi dòng chảy, theo Smith (1998), Larson và Kraus (2002), nếu tốc độ nhóm sóng Cg nhỏ hơn dòng chảy ngược hướng sẽ là:

Như vậy sóng không thể tiếp tục truyền khi bị dòng chảy đủ mạnh ngược hướng chặn lại Khi đó hầu hết năng lượng sẽ bị m t đi do sóng đổ, một phần nhỏ bị phản xạ hoặc chuyển xuống các sóng có tần số nhỏ hơn Trong CMS-wave khi sóng bị chặn, khi đó mật độ t c động sóng được coi bằng 0

Sóng phản xạ:

Năng lượng của sóng bị phản xạ khi truyền vào bờ biển hoặc công tr nh Năng lượng này được tính toán dựa trên góc của sóng đến và sóng phản xạ Mật độ năng lượng t c động của sóng phản xạ biểu thị bằng một hàm tuyến tính của mật độ tác động của sóng đến:

Trong đó K là hệ số phản xạ của sóng K=0 – không tính đến sóng phản xạ K=1 – tính đến sóng phản xạ

Sóng đổ do địa hình đáy:

Khi sóng truyền vào vùng nước nông độ cao của sóng bị giới hạn bởi độ sâu của cột nước Với mỗi chiều cao của sóng tới độ sâu nước giới hạn sẽ là (theo Smith, 1999)

Năng lượng sóng m t mát do sóng vỡ trong đó bao gồm cả sóng vỡ do dòng chảy

và nhớt rối được Lin và Lin (2006) đưa ra như sau:

( ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗ ) (90) Với:

( ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗ )

| ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗ | (91) Và: