NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trần Văn Mỹ

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ

TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG

Chuyên ngành: Hải dương học

i

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Error! Bookmark not defined DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Error! Bookmark not defined MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN 2

1.1 Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone) 2

1.1.1 Giới thiệu chung 2

1.1.2 Các khu vực gần bờ 4

1.1.3 Sóng và sóng gây ra sóng tràn 5

1.1.4 Chu kỳ sóng tràn 7

1.1.5 Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn 11

1.2 Tình hình nghiên cứu 12

1.3 Mục tiêu luận văn 14

Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN 15

2.1 Phương pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sát 15

2.1.1 Khảo sát thực địa 15

2.1.2 Phương pháp xử lý số liệu Vectrino 16

2.1.3 Phương pháp đồng bộ số liệu Vectrino và số liệu Video 20

2.2 Mô hình Dam-Break 24

2.2.1 Lý do chọn mô hình Dam-break 24

2.2.2 Giới thiệu mô hình Dam-break 24

2.2.3 Mô hình dòng chảy nước nông 26

2.3 Tổng quan khu vực vịnh Nha Trang 31

ii

2.3.1 Vị trí địa lí 31

2.3.2 Đặc điểm gió 31

2.3.3 Đặc điểm dòng chảy 32

2.3.4 Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước 33

2.3.5 Đặc điểm chế độ sóng 33

Chương 3 – KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG 36

3.1 Kết quả phân tích trường dòng chảy trong vùng sóng vỡ và sóng tràn 36

3.2 Phân bố năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn 41

3.3 Mối quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi và chiều cao bore sóng tràn 52

3.4 Mô phỏng vận tốc bore nước bằng mô hình số Dam-break 53

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

1

MỞ ĐẦU

Việt Nam có bờ biển dài khoảng 3260 km và nằm ở phía tây biển Đông nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của các điều kiện khí tượng thủy văn biển Đông Trường sóng trên biển Đông là một trong các yếu tố động lực biển quan trọng tác động lên tàu thuyền, các công trình và mọi hoạt động trên biển Khi sóng lan truyền vào vùng ven bờ thì trường sóng vùng ven bờ cũng là nguyên nhân chính gây xói lở bờ biển, biến đổi đáy biển vùng ven bờ tác động đến các công trình bảo vệ bờ, công trình cảng và luồng ra vào cảng

Sóng biển lan truyền về phía bờ sẽ biến dạng, đổ vỡ khi chiều cao sóng đạt tới một giá trị tới hạn so với chiều sâu nước Sau khi sóng đổ, chuyển động sóng thành chuyển động rối, đặc trưng bởi các xoáy cuộn có kích thước khác nhau Do chuyển động rối này, năng lượng sóng truyền từ khơi vào sẽ bị tiêu hao trong vùng sóng vỡ Dưới ảnh hưởng của chuyển động rối do sóng vỡ tạo nên, chuyển động của chất lỏng trong vùng sóng vỡ và sóng tràn vô cùng phức tạp Việc nghiên cứu và

mô phỏng sóng vỡ và sóng tràn trong vùng nước nông là vấn đề cần phải nghiên cứu hiện nay của lĩnh vực nghiên cứu biển nhưng do quy mô diễn ra nhỏ và bao gồm nhiều quá trình tương tác phức tạp nên vẫn chưa được tập trung nghiên cứu

Luận văn này trình bày những tổng quan cơ bản về các quá trình vật lý của hiện tượng sóng tràn sau quá trình tiêu tán năng lượng do sóng đổ Luận văn đã thu thập số liệu đo đạc trong vùng sóng tràn bằng thiết bị đo đạc quy mô nhỏ, tần số cao Vectrino ADV tại bãi biển Nha Trang và đưa ra các phân tích đặc trưng của quá trình lan truyền sóng trên bãi biển Các kỹ thuật xử lý số liệu, xử lý ảnh hiện đại đã được ứng dụng để phân tích số liệu Mô hình số cũng đã được ứng dụng để mô tả số quá trình lan truyền sóng sau khi sóng đổ Các kết quả mô phỏng của mô hình đã được so sánh với kết quả đo đạc tại bãi biển Nha Trang và đã chỉ ra khả năng ứng dụng của mô hình vỡ đập (dambreak model) cho nghiên cứu hiện tượng lan truyền sóng sau đới sóng đổ

2

Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN

1.1 Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone)

1.1.1 Giới thiệu chung

Vùng sóng tràn (swash zone) là một bộ phận của biển mà khoảng rộng từ giới hạn sóng bắt đầu vỡ cho đến giới hạn cao nhất mà nước biển có thể đi lên Đây

là một khu vực rất biến động và phức tạp, nơi xảy ra các quá trình thủy động lực học và hình thái học khác nhau

Hình 1 1 Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào bờ

Đới sóng tràn là nơi tiếp giáp trực tiếp giữa đất liền và biển Đây là dải hẹp

và nhiều biến động cũng như rất phức tạp của các quá trình thủy động lực học Tuy nhiên, sự thay đổi đường bờ, bãi biển chính là kết quả của các quá trình rối, quá trình vận chuyển trầm tích cũng như các tác động trực tiếp của sóng Chính sự thay đổi này định hình nên địa mạo của các bãi biển

Do gia tăng sự tương tác giữa chuyển động của các hạt nước và đáy đã tạo ra

sự thay đổi đặc điểm của sóng trong quá trình truyền sóng về phía bờ biển Vùng sóng vỡ và sóng tràn phụ thuộc vào điều kiện của thủy triều và sóng Khu vực nằm giữa vùng sóng vỡ cho đến giới hạn cao nhất mà nước biển có thể đi lên bao gồm hai vùng:

3

- Vùng sóng vỡ: Từ vị trí sóng bắt đầu đổ khi truyền vào bờ đến vùng được giới hạn bởi mép nước biển (thay đổi theo mực nước thủy triều), thông thường ở độ sâu từ 5 ÷ 10 m

- Vùng sóng tràn: Là vùng sóng tác động lên vùng bờ dưới dạng dao động mực nước, nó nằm giữa mép nước biển (thay đổi theo mực nước thủy triều) với vùng sóng tràn và sóng rút

Hình 1 2 Đặc điểm chính của một bãi biển (bên trái) và của phần đất bồi ở biển

(bên phải) (Masselink & Hughes 2003)

Vùng sóng tràn là một phần đặc biệt của bãi biển mà liên tục khô và ướt do hiện tượng dao động mực nước của biển Theo Short (1999) định nghĩa vùng sóng tràn là một phần của bãi biển nằm giữa giới hạn thấp của pha nước đi xuống và giới hạn trên của pha nước đi lên trên bãi biển

Short (1999) đã mô tả hai đặc điểm bổ sung làm cho hình thái động lực vùng sóng tràn độc đáo so với phần còn lại của bãi biển Đầu tiên có một thực tế là độ sâu nước trong sóng tràn có thể rất nhỏ, đặc biệt trong pha nước đi xuống, dẫn đến một tình huống dòng chảy phức tạp Thứ hai, một phần của đáy trong vùng sóng tràn là không bão hòa gây nên sự xâm nhập của nước ở phía dưới đáy, đây là một khía cạnh quan trọng liên quan đến vận chuyển bùn cát

4

Các nhà khoa học trên thế giới đã chứng minh rằng vùng sóng tràn là khu vực biến động nhất trong khu vực gần bờ, và nó được đặc trưng bởi dòng chảy mạnh và không ổn định, mức biến động cao, vận chuyển bùn cát diễn ra mạnh mẽ gây thay đổi hình thái bãi biển trong một khoảng thời gian nhỏ [Butt & Russell, 1999; Masselink & Puleo, 2006; Bakhtyar et al, 2009]

Trong vùng sóng vỡ và sóng tràn năng lượng sóng tiêu hao mạnh mẽ gây ra bởi hiện tượng phi tuyến (sóng vỡ, sự sụp đổ của bore nước, dòng chảy rối), vì vậy các quá trình vận chuyển trầm tích ven bờ hầu hết đều xảy ra trong hai vùng này và cuối cùng hình thành hình thái bãi biển

1.1.2 Các khu vực gần bờ

Khi sóng tiếp cận bờ biển, sẽ có một vị trí mà tại đó độ sâu của nước đã giảm đến một mức độ làm cho vận tốc truyền sóng (cg) giảm Trước khi sóng vỡ, thông lượng của năng lượng sóng được bảo toàn trong lan truyền sóng [ví dụ: Holthuijsen, 2007]:

P = Ec g = constant (1.1) Trong đó E là năng lượng sóng và c g là vận tốc (nhóm) sóng Theo định luật

bảo toàn năng lượng, năng lượng sóng tăng thì vận tốc lan truyền sẽ phải giảm Khi năng lượng sóng tăng thì làm cho chiều cao sóng tăng lên Hiện tượng này được gọi

là hiệu ứng nước nông Sau khi sóng vỡ thì một khối nước lan truyền như một bore nước qua vùng sóng vỡ Và một lớp nước mỏng sẽ đi lên (chạy lên) trên bãi biển và

đi xuống (chạy xuống) trong một khu vực được gọi là vùng sóng tràn Một chuỗi pha nước đi lên và pha nước đi xuống được gọi là chu kỳ sóng tràn Trong hình 1.3 một sự khái quát của khu vực gần bờ được đưa ra

Ba loại sóng đặc biệt quan trọng đối với vùng sóng tràn: sóng triều, sóng tần

số cao (sóng ngắn) và sóng tần số thấp (sóng dài) Quy mô thời gian và không gian của thủy triều là lớn hơn nhiều so với quy mô vùng sóng tràn, ảnh hưởng của thủy triều trong vùng sóng tràn có thể được biểu diễn như là một sự thay đổi mực nước, chứ không phải là một dao động của sóng

a, Sóng tần số cao

Sóng gió là sóng tạo ra bởi gió và quy mô của các sóng này phụ thuộc vào tốc độ gió, thời gian gió thổi, đà gió (chiều dài mà gió tương tác với mặt biển) và độ sâu của nước Chu kỳ của chúng thường lớn hơn 0.25 s và nhỏ hơn 30 s, và nó được gọi là sóng trọng lực bề mặt, sóng ngắn hoặc sóng tần số cao Sóng gió tương đối ngắn, và bao gồm các chuyển động khá ngẫu nhiên và không thường xuyên

Sóng có thể lan truyền với một quãng đường dài, nhưng do quá trình phân tán tần số (nơi mà những sóng được sắp xếp theo tần số sóng của chúng do sự khác

6

biệt trong dao động của sóng), chuỗi sóng sẽ trở nên đều đặn hơn (gọi là sóng lừng) Một tác dụng của tần số phân tán, đó là những sóng có xu hướng di chuyển trong nhóm sóng (hình 1 4) Trong vùng nước nông, nơi mà sóng biển đang hoàn toàn thay đổi bởi quá trình vỡ, sóng tách nhóm

Trong hình 1 4 các đường nét liền tượng trưng cho sự chuyển động sóng tần

số cao, các đường nét đứt đại diện cho nhóm sóng ngắn hình bao và đây là các hình dạng tổng thể của nhóm sóng lan truyền trong không gian

Hình 1 4 Đại diện của dao động sóng tần số cao

b, Sóng tần số thấp

Bên cạnh đó sóng cao tần chuyển động có thể đạt được một chu kỳ sóng đến năm phút (với tần số 0,003÷0,03 Hz) Những sóng có bước sóng dài hơn, nhưng biên độ thường nhỏ hơn nhiều so với sóng tần số cao, và được liên kết với các nhóm sóng ngắn Trong văn liệu chúng được gọi là sóng dài, sóng tần số thấp, sóng vỡ nhịp hay sóng trọng lực thấp Có hai loại sóng tần số thấp: sóng dài và sóng tự do

Trong hình 1 5 các đường nét liền đại diện cho sóng tần số cao, trong khi

các đường nét đứt đại diện cho sóng dài

1.1.4 Chu kỳ sóng tràn

Khi sóng lan truyền vào đến bờ tạo ra một chuyển động theo chu kỳ của pha nước đi lên và đi xuống Hiện tượng đi lên và đi xuống của pha nước do sóng được gọi là chu kỳ sóng tràn Một chu kỳ sóng tràn bao gồm hai giai đoạn riêng rẽ, mỗi một giai đoạn có đặc trưng riêng [Bakthtyar cùng cộng sự, 2009] Quá trình đi lên của nước trên bãi biển là quá trình nước chuyển đến dồn lên Trong khoảng dồn lên của nước trên bãi biển thì vận tốc dòng chảy sẽ giảm đi (vì do ma sát đáy và trọng lực) cho đến khi vận tốc bằng 0 Trong một thời gian ngắn nước di chuyển lên bãi biển đến vị trí cao nhất mà nước biển có thể đi lên và sau đó nước sẽ bắt đầu di chuyển xuống Sau khi nước di chuyển xuống thì vận tốc dòng chảy tăng thêm lần nữa, nhưng lúc này hướng dòng chảy ra ngoài khơi, cho đến khi gặp chu kỳ sóng

9

Hình 1 6 Sơ đồ mô phỏng chu kỳ sóng tràn trên bãi biển bằng mô hình Xbeach

Trên hình 1.6 biểu diễn sự lan truyền của sóng tràn trên bãi biển được trích xuất từ quá trình mô phỏng của mô hình Xbeach Trong hình (A) một bore sóng lan truyền về phía bãi biển Trong hình (B) chiều cao bore giảm (sụp đổ) và thay đổi thành một lớp nước mỏng vẫn đi lên bãi biển (dồn lên) Trong hình (C) vận tốc đang giảm do ma sát đáy và (chủ yếu) lực hấp dẫn Trong hình (D) và (E) các rửa

Hình 1 7 Đo đạc thực địa của vận tốc dòng chảy ngang bờ (đường nét liền) và độ

sâu của nước (đường nét đứt) cho một chu kỳ sóng tràn, đo ở vị trí nửa giữa giới

hạn đi lên và đi xuống của nước [Hughes cùng cộng sự, 1997]

Với trường hợp trên một bãi biển; sẽ có hai khía cạnh được xem xét Khía cạnh đầu tiên là sự khác biệt trong thời gian dồn lên và rửa ngược; trong hình 1 7 thời gian dồn lên là ngắn hơn so với thời gian rửa ngược Khía cạnh thứ hai là dòng chảy ngầm Nước xâm nhập bãi biển (khô) trong dồn lên và sẽ thoát ra trong rửa

1.1.5 Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn

a, Hình thái bãi biển

Theo Wrigh & Short [1984] bãi biển có thể được phân thành ba loại hình thái:

- Bãi biển phản xạ: Đó là những bãi biển khá dốc mà có vùng sóng vỡ và sóng tràn hẹp Chuyển động của sóng trên bãi biển phản xạ là hiện tượng lao lên đến sụp đổ của các sóng vỡ hoặc sóng không vỡ và sau đó được phản xạ Các loại trầm tích tại các bãi biển này là tương đối thô và không có bar chắn sóng vỡ [Short, 1999] Do

sự phân tán năng lượng sóng thấp, các bãi biển phản xạ thường được gọi là bãi biển

có năng lượng thấp

- Bãi biển khuếch tán: Đó là những bãi biển tương đối bằng phẳng với một vùng sóng vỡ và sóng tràn rộng và có nhiều bar chắn sóng vỡ hiện diện trong profile ngang bờ [Short, 1999] Chuyển động của sóng trên bãi biển khuếch tán là hiện tượng sóng vỡ sau đó tràn lên bãi biển và các trầm tích trên bãi biển là tương đối mịn [Short, 1999] Các chuyển động sóng tràn chính bao gồm bore nước sụp đổ đi lên và đi xuống bãi biển Do tiêu tán một phần lớn năng lượng sóng nên các bãi biển khuếch tán thường được gọi là bãi biển có năng lượng cao

- Bãi biển trung gian: Những bãi biển có sự kết hợp các đặc điểm của hai hình thái bãi biển phản xạ và khuếch tán, có thể được xem như là bãi biển bán khuếch tán (hoặc bán phản xạ)

số thấp được phản xạ, còn sóng tần số cao hơn bị vỡ khá đột ngột (lao dốc hoặc bị sụp đổ), làm cho các sóng tần số cao hơn chiếm ưu thế hơn trong vùng sóng tràn Trên bãi biển khuếch tán, do độ dốc bãi biển tương đối thoai thoải nên tăng cường phát triển sóng tần số thấp hơn Do hiện tượng tiêu tán của sóng tần số thấp và sóng tần số cao, nên bãi biển khuếch tán chi phối đến chuyển động của sóng tần số thấp [Wright & Short, 1984; Short, 1999]

1.2 Tình hình nghiên cứu

a, Trên thế giới

+ Sự hiểu biết về hoạt động sóng tràn

Cơ chế sóng tràn chịu ảnh hưởng bởi các đặc điểm của khu vực nghiên cứu (độ dốc bãi biển, phân bố kích thước hạt, chế độ sóng) (Masselink và Puleo, 2006)

+ Đo đạc trong vùng sóng tràn

13

Bởi vì vùng sóng tràn không ổn định, năng lượng rối lớn, thủy triều chi phối, dòng chảy hẹp, rất khó khăn để có được các dữ liệu chính xác trong vùng sóng tràn Các nghiên cứu trước đã tiến hành bằng cách sử dụng thiết bị đo dòng chảy tần số cao (ADV) và cảm biến quang tán xạ ngược (Hugues et al 1997; Hughes and Turner, 1999; Puleo et al 2000; Baldock, 2004; Masselink et al 2005) Gần đây, các kỹ thuật mới (ADV, Video) đã được thử nghiệm thành công (Vousdoukas et al, 2014; Lefebvre et al 2014)

+ Vận chuyển trầm tích

Nghiên cứu sự ảnh hưởng của dòng chảy trong vùng sóng tràn đến quá trình vận chuyển bùn cát ven bờ (Horn and Mason, 1994; Puleo et al 2000; Pritchard and Hogg, 2005; Barnes et al 2009); Steenhauer et al 2012; Shanehsazzedeh and Holmes, 2013; Liu 2013)

+ Mô phỏng tại các phòng thí nghiệm

Để tránh các khó khăn của điều kiện tự nhiên, quá trình sóng tràn đã được nghiên cứu trong điều kiện kiểm soát ở trong phòng thí nghiệm (Erikson et al 2005; Lobovsky et al 2013; Kikkert et al 2013)

+ Mô hình

Nghiên cứu mô phỏng quá trình lan truyền sóng trong đới sóng tràn bằng mô hình mô phỏng sự sụp đổ của một bore nước tương tự như một cơ chế vỡ đập (Holland and Puleo, 2001; Puleo et al 2002; Hugues and Baldock, 2004; Brocchini and Baldock, 2008) và đã khẳng định khả năng ứng dụng của dạng mô hình này khi

mô phỏng trường dòng chảy trên bãi biển

b, Trong nước:

Rất ít các điều tra đã thực hiện về chủ đề này ở Việt Nam Nguyễn Thế Duy cùng cộng sự (2002) đã mô hình hóa dòng chảy được tạo ra bởi một sóng vỡ và mở rộng cho dòng chảy cả vùng sóng vỡ và sóng tràn trong máng sóng

14

1.3 Mục tiêu luận văn

Từ việc xử lý và phân tích số liệu khảo sát trong hai đợt khảo sát tháng 5 và 12 năm 2013 tại bãi biển Nha Trang, tác giả sẽ đưa ra được bức tranh trường dòng chảy và phân bố năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trên bãi biển Nha Trang

Trong quá trình xử lý và phân tích số liệu sóng của máy AWAC tại vị trí có độ sâu 10 m và dữ liệu ảnh của camera để tìm ra mối liên hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi với chiều cao của bore nước trong vùng sóng tràn

Song song với quá trình xử lý và phân tích số liệu khảo sát còn kết hợp với phát triển, ứng dụng và kiểm chứng mô hình vỡ đập (dambreak model) cho mô phỏng hiện tượng lan truyền sóng sau đới sóng đổ

Vì vùng sóng tràn thay đổi theo dao động của mực nước thủy triều nên khi tác giả tiến hành đo dòng chảy trong vùng sóng tràn bằng máy Vectrino II cũng phải dịch chuyển vị trí đặt máy theo dao động của mực nước thủy triều Do đó phải chọn

vị trí đặt máy Vectrino II trong vùng sóng vỡ và sóng tràn sao cho đầu sensor ngập trong nước nhiều nhất Khoảng cách từ đầu sensor tới đáy phải lớn hơn 8 cm, khoảng đo cách đầu sensor 4 cm và đo trong khoảng 3,5 cm với 35 cell, khoảng cách mỗi cell là 1mm, tần số đo là 0,015 s (hình 2.1) Các số liệu đo đạc của máy Vectrino được hỗ trợ bởi một trạm đo sóng ngoài khơi bằng máy AWAC tại độ sâu

10 m

16

Hình 2 1 Triển khai đo Vectrino II (Nortek) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và sơ

đồ nguyên tắc đo

2.1.2 Phương pháp xử lý số liệu Vectrino

Từ chuỗi số liệu đo đạc tác giả đã tiến hành xử lý bằng một chương trình Matlab

Để một chương trình đọc dữ liệu một cách tốt thì tác giả đã xây dựng sơ đồ dữ liệu:

a, Chuyển đổi dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab

Dữ liệu thô là các số, ký tự được mã hóa bởi chương trình của máy Vectrino

Để chuyển đổi dạng dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab đọc được thì trong phần mềm Nortek Vectrino II, có tool Export Matlab để xuất số liệu sang dạng *.mat Nhưng để số liệu xuất ra đúng theo thời gian thực đo thì cần kết hợp giữa file configuration tương ứng với dữ liệu cần xuất

b, Đọc thời gian trong file *.mat

Trong file số liệu có chứa thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc đo Để thuận tiện cho việc xử lý và phân tích số liệu sau này, thì tác giả đã thay đổi tên file thành: Vectrino dd-mm-yyyy start time_end time.mat

c, Trích xuất một đoạn số liệu từ một chuỗi số liệu đo đạc

Trong quá trình đo máy Vectrino thì tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam là một điều kiện tiên quyết cho bất kỳ phép đo và chúng ta cần SNR Beam tốt để đảm bảo

có đủ tán xạ trong nước và công suất phát là đủ cao để tạo ra một phản xạ mạnh

Nha Trang

Vectrino Processed

Vectrino Raw nts day 1 day 2

17

Trong điều kiện đo đạc phức tạp tại bãi biển vì vậy dữ liệu đo về cần phải có quá trình xử lý loại bỏ các đoạn số liệu bị nhiễu, số liệu chất lượng kém do SNR Beam thấp hơn 20db

Tiến hành xử lý và phân tích số liệu bằng việc phân tích các chuỗi số liệu SNR Beam Tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam) (hình 2 2) biểu diễn cho các cực đoan cục bộ Các chấm đen trong hình thể hiện đầu sensor của máy Vectrino nổi lên khỏi mặt nước

Hình 2 2 Biểu đồ tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam cao và thấp trong quá trình đo

Để có số liệu dòng chảy tốt thì tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam phải tốt Để loại bỏ các đoạn số liệu bị nhiễu và chọn ra các đoạn số liệu tốt thì ta click vào hai điểm để chọn một chuỗi Việc lựa chọn xuất hiện trong đoạn màu đỏ trên biểu đồ

18

Hình 2 3 Lựa chọn một đoạn dữ liệu (đoạn màu đỏ) trong chuỗi dữ liệu

Khi đã chọn được đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam thì chúng ta tiến hành phân tích số liệu dòng chảy tương ứng với đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam mà

ta đã chọn và được thể hiện trên hai hình dưới đây:

19

Hình 2 4 Độ lớn vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) trung

bình trên 1 micro-profile (đồ thị trên cùng), biểu diễn dao động của vận tốc

(đồ thị giữa), khoảng cách sensor – đáy (đồ thị phía dưới)

Năng lượng rối theo từng cell và theo thời gian được ước tính:

20

Hình 2 5 Năng lượng rối TKE ước tính trong micro-profile

Dựa vào đồ thị khoảng cách sensor – đáy cho ta thấy tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam tốt thì chưa chắc số liệu dòng chảy đã tốt Vì theo nguyên tắc đo của máy Vectrino (hình 2 1), để có số liệu dòng chảy tốt thì đầu sensor phải ngập trong nước và khoảng cách từ sensor – đáy phải lớn hơn hoặc bằng 7,5 cm

Từ đó, cần phải kết hợp với số liệu của máy quay để loại bỏ các đoạn số liệu khi đầu đo nổi trên không khí

2.1.3 Phương pháp đồng bộ số liệu Vectrino và số liệu Video

Do sự thay đổi của độ cao mực nước thủy triều, nên khi tiến hành đo máy Vectrino trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và do đó số liệu ghi lại sẽ bị sai khi đầu

đo đã nổi lên khỏi mặt nước Các dữ liệu có được khi đầu đo Vectrino đã nằm trong vùng sóng tràn sẽ được lựa chọn từ sự đồng bộ hóa giữa các đoạn video và số liệu Vectrino theo thời gian thực

21

Hình 2 6 Đo đồng bộ máy Vectrino và máy quay Video

Dữ liệu tương ứng để mức nước cao hơn đầu sensor (tức là độ sâu lớn hơn 7,5 cm dưới các cảm biến) được phát hiện bằng cách xử lý các tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam)

Bộ dữ liệu có tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam) cao nhất và đầu sensor nằm trong nước

được vẽ bằng màu xanh lá cây (hình 2 7)

Hình 2 7 SNR (màu đen), dữ liệu được lựa chọn trước (màu xanh) và cực tiểu của

SNR (màu đỏ)

22

Từ đó chúng ta chọn những đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR màu xanh đã loại

bỏ số liệu bị nhiễu do đầu sensor nằm trên không khí hoặc khoảng cách giữa đầu sensor tới đáy nhỏ hơn 7,5 cm Tiến hành chọn đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR màu xanh tốt (đoạn dữ liệu màu đỏ trong hình 2 8)

Hình 2 8 Lựa chọn một đoạn dữ liệu tốt (màu đỏ) trong một chuỗi dữ liệu

Khi đã chọn được đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR tốt thì chúng ta tiến hành phân tích số liệu dòng chảy, năng lượng rối tke tương ứng với đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR mà ta đã chọn và được thể hiện trên hai hình 2.9 và 2.10

Điều kiện dòng chảy tương ứng với đoạn dữ liệu được lựa chọn (màu đỏ) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn được trình bày trên hình 2.9

23

Hình 2 9 Đồ thị 1: Vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) của

dòng chảy; đồ thị 2: Thành phần ngang của dòng chảy (hướng lên trên bờ); đồ thị 3:

độ sâu đo được từ các cảm biến (đường màu đỏ tương ứng với vị trí của các cell đo

được); đồ thị 4: Năng lượng rối trung bình các cell đo được

Năng lượng rối (TKE) bên trong các cell đo được hiển thị trên hình 2.10 dưới đây

- Kiểm chứng mô hình xem mô hình có thực sự mô phỏng được quá trình lan

truyền sóng trong vùng sóng tràn không

2.2.2 Giới thiệu mô hình Dam-break

Mô hình thủy lực tính toán bằng việc sử dụng các mô hình toán học để hiểu khái niệm cơ chế chuyển động của nước trong không gian và thời gian

Phương trình sai phân hữu hạn (PDE - Partial Differential Equation) sử dụng cho các mô hình mô phỏng dòng chảy bề mặt tự do dựa trên quy luật bảo tồn khối lượng và động lượng

25

3- Phương pháp thể tích hữu hạn

Phương pháp sai phân hữu hạn là một phương pháp đại số dựa trên các khai triển của Taylor, đó là một phương pháp xấp xỉ các nghiệm bằng cách giải phương trình sai phân hữu hạn

Để giải quyết vấn đề này, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể tích hữu hạn có thể là giải pháp

Phương pháp phần tử hữu hạn có nguồn gốc từ lĩnh vực phân tích kết cấu, nó sau đó đã được áp dụng cho cơ chất lỏng, phương pháp phần tử hữu hạn là phức tạp hơn so với phương pháp sai phân hữu hạn tuy nhiên nó cung cấp kỹ thuật đa năng cho các vấn đề phức tạp với hình học

Phương pháp phần tử hữu hạn xem xét các nghiệm có phù hợp với liên kết các số hữu hạn của các yếu tố phân tử và các phương trình sai phân hữu hạn được biến đổi đến phương trình đồng thời tuyến tính hoặc không tuyến tính

Các vấn đề liên tục được đơn giản hóa bằng cách làm giảm đi miền tính thành các phần tử nhỏ như vậy đại lượng vô hạn không biết sẽ bị biến thành đại lượng hữu hạn không biết tại một nút nào đó

Phương pháp thể tích hữu hạn là một phiên bản tinh tế của phương pháp sai phân hưu hạn vì nó cung cấp một tính chất bảo tồn tuyệt vời và giải thích vật lý rõ ràng Các miền tính được chia ra thành một tập hợp các thể tích kiểm soát

Phương pháp thể tích hữu hạn là phương pháp xác định nghiệm trong một cell do sự trao đổi (thông qua các luồng) tại bề mặt với tất cả các cell lân cận

b, Phương pháp thể tích hữu hạn Godunov:

Chương trình Godunov là một phương pháp phân tích thể tích hữu hạn giải bài toán Riemann

Bài toán Riemann sử dụng các giá trị mặt của các biến dòng chảy ở hai bên

của bề mặt (trạng thái Riemann)

26

Chương trình Godunov có thể tính toán sự trao đổi giữa các dòng chảy ngay

cả khi các nghiệm là không liên tục

Chương trình này cũng có thể mô phỏng các hiện tượng phức tạp của nước nông với các loại khác nhau của các tình huống (siêu tới hạn, dưới tới hạn, bề mặt

khô ướt)

2.2.3 Mô hình dòng chảy nước nông

a, Phương trình nước nông 1D

Các phương trình nước nông hay còn gọi là phương trình Saint Venant là một loại của phương trình phi tuyến hyperbolic Nó có nguồn gốc từ tích hợp phương trình Navier - Stokes trong đó quy mô chiều dài ngang lớn hơn chiều sâu chất lỏng Đối với điều này, nó được giả định rằng vận tốc thẳng đứng của nước là cực kỳ nhỏ Dạng ma trận của phương trình nước nông 1-D là:

b

z g

0

(2.1)

Trong đó:

t: thời gian, U: vector chứa các dòng chảy được bảo toàn;

x: tọa độ Decartes; F: vector thông lượng trong x-hướng;

S: vector nguồn; η và zb là độ cao bề mặt nước, độ cao đáy so với mốc;

h = η - zb; q = uh: lưu lượng đơn vị chiều rộng;

g: gia tốc do trọng lực; u: vận tốc trung bình theo độ sâu;

𝜕𝑧𝑏 / 𝜕𝑥: độ dốc đáy

b, Phương pháp thể tích hữu hạn

Sự tích hợp của phương trình nước nông 1-D theo thời gian và thể tích kiểm soát là:

t CV

t t

t CV i i

i

dVdt S dVdt

x

F dVdt

t

t t

t CV i S

i i

dVdt S dSdt

F dVdt

t

t t

t CV i iw

ie i

dVdt S dt

AF AF dVdt

t

U

)(

(2.2)

trong đó: Δx và Δt là độ dài của các cell và bước thời gian, n là mức thời gian,

Fiw và Fie là vectơ thông lượng qua các bề mặt trái và phải như thể hiện trong hình 2

i iw

ie n

i n

i n

)(

i n

ie n

1

28

𝑼* là biến lưu lượng trung gian

d, Giải pháp Harten-Lax-Van Leer Riemann

Chương trình Godunov mô tả các vấn đề Riemann, giải pháp Van Leer Riemann sau đó được sử dụng để giải quyết cho các thông lượng bề mặt Xấp xỉ cho các cell thông lượng đạt được trực tiếp vì nó chỉ gồm ba trạng thái liên tục cách nhau bằng hai sóng (Toro, 2009) Các thông lượng Harten-Lax-Van Leer tương ứng cho phương pháp Godunov được cho bởi:

Harten-Lax-R

R L

L

R

L R

L R R L R L L R

L

i

S if

S ifS

S if

F

F F

U U S S F S F

S

F F

0)(

1 2 2

bf L L L

1 2 2

bf R R R

R

R

h q

,min(

gh u

gh u

S

gh u

gh u

S

R R

R

L L

bL L L

z h

z h

L L L

h qx u

h qx u

4

1)(

2

1

1

)(

L

R L

R L

u u gh

gh

g

h

gh gh

u

u

u

e, Điều kiện độ dốc đáy

Bên cạnh những tính toán thông lượng, các điều kiện nguồn gốc khác không

sử dụng cho các phương trình động lực cũng cần được xác định đúng Cách đơn giản nhất để đánh giá chúng, là sử dụng sai số trung tâm:

𝑧𝑏 𝑖𝑒 = (𝑧𝑏 𝑖+1 + 𝑧𝑏 𝑖) /2; 𝑧𝑏 𝑖𝑤 = (𝑧𝑏 𝑖−1 + 𝑧𝑏 𝑖)/ 2 (2.8)

i i

Hình 2 12 Ngoại suy tuyến tính bên trái và bên phải

Các giới hạn độ dốc đƣợc sử dụng để ngăn chặn sự dao động số gần gradients dốc và chảy không liên tục Nó cũng đảm bảo, tổng số biến thể giảm bớt

"(TVD) tính chất (Toro, 2009) Độ dốc giới hạn minmod đƣợc sử dụng và đƣợc cho bởi:

i

0