Tính toán trường sóng trong bão bằng mô hình số trị

Tính toán trường sóng trong bão bằng mô hình Mike 21 SW. Khu vực tính toán là Vịnh Bắc Bộ. Đặc trưng sóng được tính toán bao gồm: độ cao, chu kỳ và hướng sóng. Kết quả tính toán cho thấy sự phù hợp về độ cao, chu kỳ va hướng sóng tịa các vùng ven bờ và ngoài khơi

Mở đầu

Sóng biển là một trong các yếu tố hết sức quan trọng đối với các hoạt động trên

đại dơng, sóng tác động lên tầu thuyền, công trình và các phơng tiện trên biển Đối với vùng ven bờ, sóng lại càng trở nên quan trọng Sóng là yếu tố cơ bản quyết định đến địa hình đờng bờ, đến việc thiết kế các công trình cảng, luồng ra vào cảng và các công trình bảo vệ bờ biển Sóng tạo ra các dòng vận chuyển trầm tích dọc bờ và ngang bờ làm thay

đổi địa hình đáy Do nhu cầu phát triển kinh tế biển và ven bờ trong thời kỳ đổi mới ở nớc ta, vấn đề tính toán trờng sóng ven bờ để phục vụ cho việc thiết kế các công trình ven bờ, các công trình bảo vệ bờ cũng nh công tác nghiên cứu và quản lý ven bờ là rất quan trọng Một mô hình số trị tính toán trờng sóng ven bờ phải thoả mãn đợc các yêu cầu là có thể tính toán đợc trờng sóng cho vùng ven bờ với địa hình đáy rất phức tạp có

sự hiện diện của các công trình biển với độ chính xác cho phép nhng đòi hỏi một thời gian tính toán đủ ngắn và một dung lợng bộ nhớ đủ nhỏđể có thể áp dụng đợc cho điều kiện nớc ta Mặc dù có những đòi hỏi thực tế, nhng ở ta vẫn còn thiếu một mô hình đáp ứng đợc các yêu cầu trên Các mô hình số trị tính toán trờng sóng ven bờ hiện đang đợc

sử dụng ở nớc ta có thể phân chia thành hai loại: loại thứ nhất là các mô hình sóng tuyến tính cho phép tính đợc trờng sóng ven bờ có tính đến các hiệu ứng khúc xạ, nớc nông, sóng vỡ và nhiễu xạ yếu (nh mô hình RCPWAVE, Ebersole, 1985), hoặc là không tính đến nhiễu xạ nhng lại tính đến sự phát sinh năng lợng sóng do gió (nh mô hình phổ năng lợng sóng) Vì không tính đợc sự nhiễu xạ và phản xạ sóng một cách đầy

đủ, loại mô hình này chỉ có thể đợc áp dụng cho những vùng nớc ven bờ với những ờng đẳng sâu rất đơn giản và không có sự hiện diện của các công trình biển Vì vậy không thể áp dụng những mô hình loại này để tính toán sóng phục vụ cho việc tính toán

đ-dự báo sự thay đổi của địa hình đáy biển và đờng bờ hay thiết kế các công trình biển và ven bờ Loại mô hình thứ hai là các mô hình sóng phi tuyến giải các phơng trình truyền sóng phi tuyến cho vùng nớc nông (nh loại mô hình truyền sóng dài) hay nớc tơng đối nông (nh mô hình xấp xỉ Boussinesq) Một thí dụ điển hình của mô hình loại này là mô hình MIKE21 Loại mô hình này có thể tính đầy đủ sóng nhiễu xạ, khúc xạ, phản xạ, n-

ớc nông sóng vỡ, thậm chí sóng leo nhng đòi hỏi thời gian tính toán dài và bộ nhớ máy tính lớn Bởi thế rất khó áp dụng mô hình loại này trong điều kiện nớc ta Hơn nữa các mô hình loại này chỉ có thể đợc áp dụng cho một vùng nớc nông hay rất nông ở ven bờ

(có độ sâu nhỏ hơn 0.15 bớc sóng với mô hình nớc nông hay nhỏ hơn 0.35 bớc sóng đối với mô hình xấp xỉ Boussinesq do Madsen và Sorensen đề xuất) Nh vậy, giới hạn áp dụng của loại mô hình này rất hẹp và rất khó đợc áp dụng để tính toán sự lan truyền sóng cho những vùng bờ sâu.Xuất phát từ những lý do trên xây dựng một mô hình số trị cho phép tính toán tất cả các hiện tợng sóng ven bờ nh nhiễu xạ, khúc xạ, phản xạ, nớc nông, sóng vỡ với độ chính xác cao trong mọi điều kiện địa hình đáy biển và có sự hiện diện rất phức tạp của các công trình biển nhng lại đòi hỏi thời gian tính toán đủ ngắn và

bộ nhớ máy tính đủ nhỏ để có thể áp dụng tiện lợi cho công tác t vấn là rất khó Trong khóa luận này tác giả trình bày phơng pháp mô hình số trị để tính sóng mà cụ thể đó là phơng pháp mô hình phổ năng lợng sóng

Nội dung chính của khóa luận đợc trình bày theo bố cục gồm 3 chơng và phần kết luận:

Chơng 1: Cơ sở lý thuyết cơ bản của sóng

Chơng 2: Giới thiệu về mô hình phổ năng lợng sóng

Chơng 3: áp dụng mô hình phổ năng lợng tính sóng cho Vịnh Bắc Bộ

Phần kết luận

Chơng 1 Lý thuyết cơ bản về sóng trên vùng

biển sâu và ven bờ

Việc nắm vững các lý thuyết cơ bản của chuyển động sóng là thực sự cần thiết cho nghiên cứu các mô hình sóng vùng ven bờ, phục vụ cho các công tác lập kế hoạch,thiết kế xây dựng và quản lý vùng ven bờ nói riêng và vùng biển nói chung (tham khảo chơng 1 trong giáo trình sóng của hai tác giả Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo- 2005)

đứng Nếu trong chuyển động sóng mặt nớc đợc mô phỏng bằng quỹ đạo khép kín hoặc gần khép kín đối với mỗi chu kỳ sóng gọi là dao động hoặc tựa dao động Định nghĩa các yếu tố sóng đợc nêu tại bảng 1.1

Bảng 1.1 Các yếu tố sóng

Các yếu tố sóng Ký hiệu Định nghĩa

Chu kỳ sóng T Thời gian để một đỉnh và một bụng sóng đi qua một

điểm cố địnhTần số sóng f =1/T: Số dao động trong một giây

Tốc độ pha C =L/T: Tốc độ chuyển động của mặt sóng

Độ dài

(bớc) sóng L Chiều dài của hai đỉnh hoặc hai bụng sóng kế tiếp

Độ cao sóng H Khoảng cách thẳng đứng giữa đỉnh và bụng sóng kế tiếp

Độ sâu d Khoảng cách từ đáy biển đến mặt nớc trung bình

Liên hệ giữa tốc độ truyền sóng, chiều dài sóng và chu kỳ sóng:

T

L

C=

2tanh

π

2tanh2

π

2tanh2

π

2tanh

(kx t)

H T

t L

x H

T

t L

22cos

(1.5)các yếu tố sóng đối với dạng sóng tiến hình sin

Hình 1.1. Các yếu tố sóng đối với dạng sóng tiến hình sin1.3 Phân loại sóng biển

Sóng trên biển có thể phân loại theo nguồn gốc, bản chất hiện tợng, độ cao, độ sâu, tỷ số giữa bớc sóng và độ sâu vv

1.3.1 Phân loại sóng theo nguồn gốc, hiện tợng

Sóng gió là sóng chịu ảnh hởng của gió sinh ra nó, sóng lừng là sóng vợt ra ngoài vùng tác động của gió, cũng tơng tự nh vậy có thể xác định các loại sóng theo nguồn gốc sinh ra nó Bảng 1.2 trình bày phân loại sóng theo nguồn gốc, hiện tợng

Bảng 1.2 Phân loại sóng theo nguồn gốc, hiện tợng

Sóng lừng Sóng gió truyền đi Đến 30s

Sóng cộng hởng trong cảng Tsunami, Surf beat 2-40 phút

Thuỷ triều Lực hút của mặt trăng, mặt trời 12-24 giờ

Nớc dâng Lực kéo của gió, độ giảm áp 1-30 ngày

1.3.2 Phân loại sóng theo độ cao

Theo độ cao sóng, có thể phân loại sóng theo tỷ số giữa độ cao và độ dài sóng (độ dốc) và độ cao sóng với độ sâu biển Sóng đợc gọi là có độ cao vô cùng nhỏ khi độ dốc nhỏ H/L→0 và tỷ số giữa độ cao sóng với độ sâu biển nhỏ H/d→0 Sóng có độ cao hữu hạn khi không thoả mãn một trong hai điều kiện trên

1.3.3 Phân loại sóng theo vùng sóng truyền, phát sinh

Theo tỷ số giữa độ sâu với độ dài của sóng có thể phân ra 3 vùng sóng lan truyền hoặc phát sinh

Bảng 1.3 Phân loại sóng theo vùng sóng truyền, phát sinh

đứng; sóng hai chiều, sóng ba chiều;sóng đều hoặc sóng không đều

1.4 Các lý thuyết mô phỏng trờng sóng, phạm vi

áp dụng đối với các vùng nuớc sâu và ven bờ

Trong thực tế, trờng sóng thờng rất phức tạp và rất khó mô phỏng bằng các biểu thức toán học do đặc tính phi tuyến và ngẫu nhiên cùng với phân bố ba chiều của nó Tuy nhiên lịch sử nghiên cứu sóng có thể đợc đánh dấu bằng hai lý thuyết cơ bản: Lý thuyết Airy (1845) và lý thuyết Stokes (1880) Hai lý thuyết này mô phỏng đợc trờng sóng khá tốt tại vùng biển mà độ sâu khá lớn so với độ dài sóng Đối với các vùng ngợc

lại, lý thuyết cnoidal cho kết quả tốt hơn và tại vùng sóng đổ khi độ sâu rất nhỏ thì lý thuyết solitary cho kết quả tốt hơn cả.

1.4.1 Lý thuyết sóng tuyến tính

Lý thuyết sóng tuyến tính gọi là lý thuyết sóng Stokes bậc 1, các lý thuyết sóng Stokes bậc cao đợc áp dụng cho vùng ven bờ khi biên độ sóng trở nên đáng kể so với độ dài sóng và độ sâu Trong lý thuyết sóng tuyến tính đã áp dụng các giả định sau:

- Chất lỏng đồng nhất và không nén, do vậy mật độ nớc không đổi,

- Bỏ qua sức căng mặt ngoài,

- Bỏ qua tác động của lực Coriolis đối với trờng sóng,

- áp suất trên mặt nớc đợc coi là đồng nhất và không đổi,

- Chất lỏng đợc coi là lý tởng - không nhớt,

- Sóng không tơng tác với các chuyển động khác trong chất lỏng Dòng chảy trong sóng không xoáy, do vậy quỹ đạo hạt nớc trong chuyển động sóng sẽ không xoáy (chỉ tính đến các thành phần lực vuông góc bỏ qua các thành phần tiếp tuyến)

- Đáy biển bằng phẳng theo phơng ngang và cố định, không thấm Điều này có nghĩa là tốc độ thẳng đứng tại đáy bị triệt tiêu

- Biên độ sóng nhỏ và dạng sóng bất biến theo thời gian và không gian

- Trờng sóng hai chiều - sóng có đỉnh dài vô tận

Phơng trình mô phỏng mặt sóng tuyến tính - sóng hình sin, là một hàm của thời gian t và khoảng cách truyền sóng x có dạng :

ππ

2

cos2

22cos2

H t kx

H T

t L

1.4.2 Lý thuyết sóng có biên độ hữu hạn

Nếu biên độ sóng đạt một giá trị hữu hạn so với độ dài sóng (H/L >0.01) hay tỷ

số giữa độ cao sóng và độ sâu đáng kể (H/d>0.1) thì lý thuyết sóng tuyến tính biên độ

Trong trờng hợp này phải áp dụng lý thuyết sóng Stokes bậc cao đối với sóng ngắn - khi độ dài sóng nhỏ hơn độ sâu, hay phải áp dụng lý thuyết sóng solitary hoặc sóng cnoidal khi độ dài sóng lớn hơn độ sâu.

16

cos2

3

2 2

1

(1.7)Hình 1.2 đa ra hai dạng sóng tuyến tính (Stokes bậc 1) và sóng ngắn (Stokes bậc 2) Trên hình này chúng ta thấy bụng sóng ngắn trở nên bằng hơn so với sóng tuyến tính, trong khi đó sờn sóng lại trở nên dốc hơn và đỉnh sóng vơn cao hơn

Hình 1.2 So sánh sóng Stokes bậc một (tuyến tính) và sóng ngắn (Stokes bậc 2)

Trong trờng hợp đặc biệt, sóng dài truyền theo một hớng x cho trớc đã nhận đợc phơng trình Korteweg De Vries:

06

12

31

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

x

d x d x t gd

ηη

ηη

H h

H

s

4

3sec 2η

Trong đó mặt sóng ηs là toạ độ thẳng đứng của mặt biển khi có sóng so với mực nớc trung bình khi lặng sóng, cách toạ độ tại đỉnh sóng (x=0; ηs =H) một khoảng cách x

Khi sóng solitary truyền vào vùng ven bờ có độ sâu giảm, độ cao sóng sẽ tăng và

đến một độ sâu nhất định mặt sóng sẽ trở nên không ổn định và sóng sẽ đổ Sự không

ổn định của mặt sóng cũng sẽ đạt đợc khi tốc độ hạt nớc trong chuyển động sóng tơng

đơng với tốc độ pha Đồng thời góc của mặt nớc tại đỉnh sóng cũng bị giới hạn bởi chỉ tiêu 1200

Sóng solitary là sóng chuyển tải, có nghĩa là các hạt nớc trong chuyển động sóng loại này chỉ chuyển động duy nhất về phía trớc, không tồn tại các pha chuyển động về phía sau (nh đối với sóng tuyến tính) Vận tốc của hạt nớc đạt giá trị cực đại tại vị trí quan trắc khi đỉnh sóng đi qua Sau khi đỉnh sóng đi qua, hạt nớc sẽ chuyển động tiến

đi xuống và đạt tới ví trí ban đầu Nh vậy sóng solitary sẽ gây chuyển động tịnh của khối nớc theo hớng truyền sóng

1.4.4 Lý thuyết sóng cnoidal

Sóng cnoidal là loại sóng tuần hoàn có đỉnh nhọn và bụng rất bằng, phù hợp với trờng sóng phía ngoài vùng sóng đổ Điểm yếu của lý thuyết sóng này là ứng dụng các hàm toán học phức tạp, rất khó áp dụng trong thực tế Sóng cnoidal áp dụng khi H/L<1/8 và Ur=L2H/d>26 Hình vẽ dạng các sóng Airy, Stokes, cnoidal và solitary

Chơng 2 Giới thiệu chung về mô hình phổ

năng lợng sóng

Mô hình phổ năng lợng sóng là mô hình tính toán các đặc trng của trờngsóng trong vùng ven bờ, trong các hồ và cửa sông từ các điều kiện gió, địa hình đáy và dòng chảy Mô hình dựa trên phơng trình cân bằng tác động sóng (hoặc phơng trình cân bằng năng lợng trong trờng hợp không có dòng chảy) với các nguồn cung cấp và tiêu tán năng lợng Phổ năng lợng sóng là mô hình tính sóng thế hệ ba với các lựa chọn kiểu tính sóng thế hệ một, hai và ba

2.1 Tính năng

- Theo quá trình truyền sóng:

- truyền sóng trong không gian địa lý,

- khúc xạ sóng do thay đổi đáy và dòng chảy,

- biến dạng do thay đổi đáy và dòng chảy,

- bị chặn và phản xạ bởi dòng chảy ngợc hớng,

- truyền qua, bị chặn hoặc phản xạ do các vật cản có kích thớc dới lới

- Theo quá trình phát sinh và tiêu tán sóng:

và trong các cảng Mô hình phổ năng lợng sóng cũng không tínhdòng chảy gây ra do

sóng Mô hình có thể tính nớc dâng do sóng Trong các trờng hợp một chiều tính toán dựa trên các công thức chính xác Trong các trờng hợp hai chiều, các tính toán dựa trên phơng trình xấp xỉ (các hiệu ứng của dòng chảy bị loại bỏ).

Xấp xỉ LTA đối với tơng tác sóng bậc ba dựa vào độ rộng phân bố hớng của phổ sóng Nó đợc điều chỉnh trong mô hình phổ năng lợng sóng cho một số trờng hợp nhng ngời ta đã thu đợc từ quan trắc trong luống sóng hẹp (sóng đỉnh dài)

Xấp xỉ DIA đối với tơng tác sóng bậc bốn dựa vào độ rộng phân bố hớng của phổ sóng Nó đợc đa vào trong một số trờng hợp nhng đã có sự xấp xỉ đơn giản cho sóng đỉnh dài (phân bố hớng hẹp) Nó cũng phụ thuộc vào tần số sóng tính toán Mô hình phổ năng lợng sóng có thể sử dụng rất nhiều quy mô vùng tính sóng khác nhau

Lý do mô hình này sử dụng linh hoạt các quy mô là:

Cho phép áp dụng mô hình phổ năng lợng sóng trong điều kiện phòng thí nghiệm tới các bãi biển

Lồng ghép mô hình phổ năng lợng sóng trong mô hình WAM hoặc WAVEWATCH III

Tuy nhiên, áp dụng mô hình phổ năng lợng sóng cho quy mô vùng tính là đại

d-ơng sẽ không có hiệu quả nh các mô hình tính sóng vùng nớc sâu WAM hoặc WAVEWATCH III

2.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình phổ năng lợng sóng

* Phơng trình cơ bản

Sự phát triển của phổ đợc mô tả bằng phơng trình cân bằng tác động phổ Trong

hệ toạ độ Đề Các ta có:

σθ

S N c N

c N

c y N c x

N

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

(2.1)Thành phần đầu tiên trong vế trái biểu thị lợng thay đổi địa phơng của mật độ tác

động theo thời gian, thành phân thứ hai và ba biểu thị sự truyền tác động trong không gian địa lý (với tốc độ truyền cx và cy trong hớng x và y) Thành phần thứ t biểu thị thay đổi của tần số tơng đối do thay đổi độ sâu và dòng chảy Thành phần thứ năm đa

ra từ lý thuyết sóng tuyến tính Giá trị S trong vế phải của phơng trình là giá trị hàm nguồn mật độ năng lợng đa ra từ các hiệu ứng tạo sóng, tiêu tán sóng và tơng tác giữa các sóng Khi sử dụng trong quy mô thềm lục địa hoặc đại dơng ngời sử dụng có thể chọn cách viết trong hệ toạ độ cầu:

σθ

σ

ϕϕ

ϕ

S N c N

c N

c N

c N

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

cos)

(cos 1

(2.2) với λ là kinh tuyến, ϕ là vĩ tuyến

* Các công thức chi tiết

- Năng lợng cung cấp bởi gió (Sin)

Sự tăng trởng của sóng do gió đợc mô tả bởi:

),()

,(σ θ A BE σ θ

<

−

s m U

U m s

s m U

U

C D

/5.7

10

*)

*/065.08.0(

/5.7

10

3 10

10 3

),()

ở đây là tần số và số sóng trung bình và Γ là hệ số phụ thuộc vào độ dốc sóng tổng hợp

- Ma sát đáy

Mô hình ma sát đáy trong mô hình phổ năng lợng sóng là mô hình thực nghiệm của JONSWAP, mô hình sức kéo của Collin và mô hình nhớt xoáy của Madsen(1988) Công thức của các mô hình trên nh sau:

),()(sinh)

2

24

1

m b

(2.9)

ở đây αBJ=1 và Qb là phân số sóng vỡ đợc xác định bằng phơng trình:

2

8ln

1

m

tot b

b

H

E Q

Tơng tác sóng bậc bốn đợc tính với xấp xỉ bớc lặp riêng rẽ (DIA) của Hasselmann (1985) Trong xấp xỉ lặp riêng rẽ hai cung phần t của số sóng đợc xem sét, mô hình thực hiện các bớc lặp riêng rẽ trên hai cung phần t đối với số sóng, cùng với các tần số.

đối xứng của σ3 =11.50 và σ4 =-33.60 )

- Tơng tác phi tuyến giữa các sóng (Snl)- Tơng tác sóng bậc ba

Xấp xỉ tổng cộng bậc ba (LTA) của Eldeberky (1996) là phiên bản đợc hiệu chỉnh của xấp xỉ riêng rễ bậc ba của Eldeberky và Battjes (1995) đợc sử dụng trong mô hình phổ năng lợng sóng với từng hớng của phổ

),2(2),

−

=

Ur

2.0tanh22

ππβ

(2.15)với số Ursell Ur:

2 2

T H r

- Nớc dâng do sóng

Trong mô hình một chiều (1D) nớc dâng do sóng đợc tính dựa trên các

ph-ơng trình cân bằng mô men thẳng đứng ở đó có sự cân bằng giữa lực sóng (gradient ứng suất bức xạ vuông góc với bờ) và gradient áp suất thuỷ tĩnh (thành phần song song với

bờ gây ra dòng chảy sóng nhng không gây nớc dâng)

0

=

∂

∂+

x gd

ta có:

0)(

∂

∂

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

y

gd y x

gd x y

F x

Trong mô hình phổ năng lợng sóng sử dụng sơ đồ ẩn theo hớng gió trong cả hai không gian địa lý và phổ, trong không gian phổ đợc bổ sung hàm xấp xỉ trung tâm Thực tế trong không gian địa lý, trạng thái trong các điểm lới đợc xác định bằng trạng thái trong các điểm lới đầu sóng (xác định bằng hớng truyền), cho phép phân tích không gian phổ vào bốn cung phần t Trong mỗi cung phần t việc tính toán có thể tiến hành độc lập với các cung phần t khác loại trừ với các tơng tác giữa chúng do khúc xạ

và tơng tác phi tuyến giữa các sóng Mô hình phổ năng lợng sóng chứa ba sơ đồ là:

Sơ đồ bớc lùi không gian, bớc lùi thời gian bậc một (BSBT) Trong thực tế đây là sơ đồ hớng gió điển hình Có thể áp dụng đợc cho cả sóng ổn định và sóng không ổn

Sơ đồ BSBT đợc thực hiện trên bốn đoạn cong liên tiếp Để tính toán năng ợng chuyển đổi giữa bốn cung phần t, việc tính toán đợc tiến hành lặp trong mỗi bớc thời gian

l-2.5 Điều kiện biên

Trong mô hình phổ năng lợng sóng, điều kiện biên trong không gian địa lý và không gian phổ là biên hấp thụ đầy đủ với năng lợng sóng đi ra khỏi miền tính hoặc vào

bờ Trên các biên hở, năng lợng của sóng tới đợc cho bởi ngời sử dụng Đối với vùng ven bờ điều kiện biên đợc cho dọc biên nớc sâu và không cho dọc theo biên bên Điều này có nghĩa là có những lỗi tại biên trong khi truyền vào vùng tính Vùng ảnh hởng là vùng tam giác với đỉnh tại góc giữa biên nớc sâu và biên bên, phân tán tới bờ trong góc

từ 300 tới 450 trên hớng truyền của sóng nớc sâu Để khắc phục vấn đề này thì biên bên lên lấy ở xa vùng cần tính để tránh những lỗi trong vùng tính

2.6 Các tham số tính toán

Trong mô hình phổ năng lợng sóng các tham số tính toán liên quan tới sóng đợc

sử dụng trong đầu vào và đầu ra của mô hình (sử dụng các ký hiệu trong chơng trình tính) gồm có:

Hsign - độ cao sóng hữu hiệu, Hswell - độ cao hữu hiệu sóng lừng, TM01 - chu kỳ sóng trung bình tuyệt đối, TM02 - chu kỳ sóng trung bình,Dir - hớng sóng trung bình, Pdir - hớng đỉnh phổ, TDIR - hớng truyền năng lợng, RTM01 - chu kỳ sóng trung bình tơng đối, RTP - chu kỳ sóng đỉnh phổ tơng đối, PER - chu kỳ sóng trung bình tuyệt đối, RPER - chu kỳ sóng trung bình tơng đối, FSPR - độ rộng tần số của phổ sóng, DSPR - độ rộng trong một hớng của phổ sóng, DISSIP -tiêu tán năng lợng trên một đơn vị thời gian WLEN - bớc sóng trung bình, STEEPNESS - độ dốc sóng, VEL - vận tốc dòng chảy với các thành phần theo hớng x và y của hệ toạ độ đang xét, WIND - vận tốc gió với các thành phần theo hớng x và y của hệ toạ độ đang xét, FORCE - lực sóng trên một đơn vị bề mặt (gradient của ứng suất bức xạ) với hai thành phần x và y trong hệ toạ độ đang xét, và một số các tham số khác

2.7 Các điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Trong mô hình phổ năng lợng sóng các biên của lới tính là biên cứng (đất) hoặc biên lỏng (nớc) Trong trờng hợp biên cứng đợc cho là: không tạo sóng và hấp thụ toàn

bộ năng lợng của sóng truyền tới Trong trờng hợp biên lỏng các điều kiện sóng đợc cho trên biên Trong trờng hợp không có các số liệu trên biên lỏng có thể chọn giả thuyết không có sóng đi vào vùng tính qua biên đó và sóng có thể đi ra phía ngoài một cách tự do

Các điều kiện ban đầu đợc cho nh sau:

- Tính toán với trạng thái ban đầu lặng sóng (trên toàn miền coi nh không có sóng)

- Cho dạng mặc định (điều kiện sóng tại các vị trí đợc tính từ tốc độ gió địa

ph-ơng)

- Có thể đa ra một giá trị sóng ban đầu (giá trị này đợc lấy cho tất cả các điểm)

- Trờng sóng ban đầu đợc lấy từ lần chạy mô hình phổ năng lợng sóng trớc đó (sử dụng HOTFILE)

Mô hình phổ năng lợng sóng là một mô hình tính sóng ven bờ sử dụng đợc tất cả các thành tựu nghiên cứu sóng mới nhất trên thế giới về trờng sóng tuyến tính vùng nớc sâu và ven bờ Các phiên bản mới nhất của mô hình cho phép tính toán với tất cả các vùng lan truyền sóng từ vùng nớc sâu và vùng ven bờ Khác với mô hình STWAVE trình bày ở phần trên, phổ sóng trong SWAN là phổ sóng cho tất cả các hớng và dạng phổ tự do (không phải dạng phổ tham số nh phổ TMA) Hiện nay mô hình này đang đ-

ợc ứng dụng rộng rãi trong dự báo sóng tại các vùng biển ven bờ, tính toán trờng sóng phục vụ xây dựng công trình biển và bảo vệ bờ biển

Chơng 3 áp dụng mô hình phổ năng lợng sóng tính sóng cho Vịnh Bắc Bộ trong điều kiện có bão 3.1 Đặc điểm tự nhiên khu vực Vịnh Bắc Bộ

3.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên

Vịnh Bắc Bộ là một trong các vịnh lớn ở Đông Nam á, là một vịnh nửa kín, nớc nông Vịnh đợc bao bọc bởi lục địa Việt Nam và Trung Quốc ở phía tây, phía bắc và

đảo Hải Nam ở phía đông.Vịnh nằm trong khoảng kinh độ từ 105040' −1100Đông, vĩ độ

từ 170 −21030' Bắc Diện tích vịnh Bắc Bộ khoảng 126.250 km, chiều ngang của vịnh

nơi rộng nhất khoảng 310 km , nơi hẹp nhất ở cửa vịnh rộng khoảng 220 km Chiều dài

bờ biển phiá Việt Nam khoảng 763 km,phía Trung Quốc khoảng 695 km Hình vẽ dới

đây thể hiện khu vực Vịnh BắcBộ

Hình 3.1 Hải đồ khu vực Vịnh Bắc Bộ

Vịnh Bắc Bộ có vị trí chiến lợc quan trọng đối với Việt Nam và Trung Quốc cả

về kinh tế lẫn quốc phòng Vịnh là nơi có nhiều tiềm năng về hải sản và dầu khí.Tuy nhiên khu vực này cũng đang đối mặt với những thách thức không nhỏ về phát triển kinh tế, quản lý bền vững tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trờng

3.1.2 Đặc trng địa hình

Độ sâu trung bình của vịnh Bắc Bộ khoảng 40m Đáy vịnh tơng đối bằng phẳng

và thoải dần theo hớng đông nam Phần đáy vịnh phía bắc và tây bắc có độ dốc nhỏ, còn phía đông và đông nam vịnh độ dốc lớn Phần lớn có độ dốc trung bình khoảng 2-5 phút, độ chia cắt sâu nhỏ Các dạng địa hình âm chiếm u thế, hầu hết là các máng trũng

đan xen nhau, có chiều hớng dốc về phía trục máng và về phía cửa vịnh Giữa vịnh lệch

về phía đông có một rãnh sâu khoảng 70-80 m chạy theo hớng đông nam - tây bắc kéo lên phía bắc vịnh Nhờ rãnh sâu này, nớc biển xâm nhập sâu vào vịnh làm cho nớc trong vịnh ấm hơn vào mùa đông, nhiệt độ nớc tầng đáy không hạ thấp dới 170C ở phía bắc và phía nam không dới 230 −240.Bờ vịnh dài khúc khuỷu tạo ra nhiều vũng, vịnh

ven bờ có tiềm năng phát triển cơ sở hạ tầng cảng và hàng hải Vùng nớc ven bờ có nhiều đảo và quần đảo tập trung ở khu vực phía bắc và phía tây vịnh Hệ thống đảo tập trung ở phía tây bắc vịnh, thuộc hai tỉnh Hải Phòng và Quảng Ninh.Ta có thể kết luận

đặc trng địa hình vịnh Bắc Bộ là địa hình nông, bờ biển khúc khuỷu và bị chia cắt bởi nhiều cửa sông ven bờ phía tây vịnh, phía tây bắc có nhiều đảo và quần đảo Những đặc trng trên đã làm cho chế độ thủy động lực trong vịnh trở nên cực kỳ phức tạp

3.1.3 Đặc điểm khí tợng- thủy văn

Vịnh Bắc Bộ nằm trong vùng có mùa đông lạnh trên nền trung của khí hậu nhiệt

đới gió mùa ẩm: gió mùa Đông Bắc hoạt động từ tháng 10-11 đến tháng 3-4 năm sau; gió mùa Tây Nam hoạt động từ tháng 4-5 đến tháng 9-10 Vào mùa hè vịnh cũng nằm trong vùng hoạt động của dải hội tụ nhiệt đới, áp thấp nhiệt đới và bão

- Nhiệt độ không khí

Tháng 1-2 là các tháng lạnh nhất, thời kỳ chuyển tiếp là tháng 3-4 và

tháng10-11, trừ những năm bất thờng thời tiết và tháng 7-8 là các tháng nóng nhất trong năm

Vịnh chia làm hai mùa rõ rệt: mùa nóng và mùa lạnh, nhiệt độ không khí trung bình thấp nhất khoảng 170 vào tháng 2 và cao nhất khoảng 300 vào tháng 8.

- Gió

Hớng gió thay đổi theo mùa, đặc trng cho hai mùa tơng ứng là mùa đông và mùa

hè Tháng 1 gió đông bắc chiếm u thế với tần suất 70% Tháng 7 gió nam chiếm u thế với tần suất khoảng 60%

- Ma và bão

Ma ở vịnh có quan hệ mật thiết với khối không khí lạnh, bão và gió mùa Trong

ba yếu tố trên thì: không khí lạnh gây ra ma nhiều, bão gây ra ma to về mùa hè và gió mùa gây ra ma dầm Lợng ma phía bắc và phía nam chênh lệch khá lớn Phía bắc ma nhiều còn phía nam thì ma ít hơn Lợng ma chênh lệch ít hơn giữa phía đông và phía tây vịnh Lợng ma trung bình năm khoảng 1077 mm, vùng ven bờ lợng ma trung bình năm lớn hơn vùng ngoài khơi Ma lớn vào tháng 3 và ít ma vào tháng 8 Tổng lợng bốc hơi cân bằng 50-70% lợng ma Mùa hè thờng xuất hiện bão và áp thấp nhiệt đới (tháng 7,8,9) Có khoảng 4-5 cơn bão và áp thấp nhiệt đới trong một năm trên khu vực vịnh Tốc độ gió bão trung bình khoảng 25-30 m/s, có khi tới 50 m/s Ma trong thời gian bão

có thể đạt tới 443 mm/24h

Qua quá trình tìm hiểu một số tài liệu gần đây, theo các kết quả tính tóan theo tần suất thiết kế, chúng ta có thể thấy rằng tại khu vực nghiên cứu trong cả hai thời kỳ gió mùa ảnh hởng của sóng gió lên công trình đê biển tại khu vực là khá lớn

Để tiến hành phân tích đầy đủ, có hệ thống phục vụ việc xây dựng các kịch bản tính tóan cho các trờng hợp bão đổ bộ vào khu vực nghiên cứu, chúng tôi đã tiến hành thu thập số liệu đặc trng của tất cả các cơn bão và áp thấp nhiệt đới có điểm đổ bộ vào vùng bờ từ vĩ tuyến 19oN đến 22oN có khả năng ảnh hởng đến khu vực ven bờ Bắc Bộ

từ năm 1955 đến năm 2005, các số liệu chi tiết đợc thể hiện trong bảng 1

Qua số liệu thống kê và hình ảnh quỹ đạo bão đổ bộ đã thu thập đợc kết hợp với

đặc điểm địa hình của khu vực nghiên cứu, chúng ta thấy rằng khu vực nghiên cứu chỉ chịu ảnh hởng của các cơn bão có các hớng đổ bộ là Bắc (B), Bắc Đông Bắc (BĐB),

Đông bắc (ĐB), Đông đông bắc (ĐĐB) và Đông (Đ)

Bảng 3.1 Các cơn bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hởng đến ven bờ Bắc Bộ trong giai

đoạn từ năm 2000 đến 2005.

TT Năm Tên bão Pmin Ngày đầu Ngày cuối

1 2000 Tropical Depression O4W 1013 5/31/2000 1:00 6/2/2000 1:00

2 2000 Tropical Storm KAEMI 1013 8/20/2000 13:00 8/22/2000 19:00

3 2000 Typhoon WUKONG 972.5 9/5/2000 13:00 9/10/2000 13:00

4 2001 Typhoon DURIAN 980 6/30/2001 1:00 7/3/2001 1:00

5 2001 Typhoon YUTU 972.5 7/23/2001 1:00 7/26/2001 19:00

6 2001 Tropical Storm USAGI 1013 8/9/2001 7:00 8/10/2001 19:00

7 2001 Tropical Storm FITOW 1013 8/29/2001 7:00 8/31/2001 19:00

8 2002 Tropical Storm VONGFONG 1013 8/15/2002 19:00 8/20/2002 7:00

9 2002 Tropical Storm HAGUPIT 1013 9/11/2002 13:00 9/12/2002 13:00

10 2002 Tropical Storm MEKKHALA 1013 9/23/2002 19:00 9/27/2002 13:00

11 2003 Super Typhoon IMBUDO 932.5 7/17/2003 4:00 7/24/2003 13:00

18 2005 Tropical Storm WASHI 1013 7/29/2005 1:00 7/31/2005 13:00

19 2005 Tropical Storm VICENTE 1013 9/16/2005 7:00 9/18/2005 19:00

- Thủy triều

Đối với dải ven vờ: phía bắc vịnh thủy triều thuộc chế độ nhật triều đều, hầu hết

số ngày trong tháng( khoảng 25 ngày), xuất hiện một lần nớc lớn và một lần nớc ròng trong ngày Khu vực Thanh Hóa – Hà Tĩnh thuộc chế độ nhật triều không đều, mỗi tháng có gần nửa số ngày xuất hiện hai lần nớc lớn và hai lần nớc ròng Phía nam vịnh

thuộc chế độ bán nhật triều đều, hầu hết các ngày trong tháng có hai lần nớc lớn và hai lần nớc ròng Độ lớn thủy triều giảm dần từ bắc xuống nam, trung bình ở phía bắc khoảng 3-4 m, ở các khu vực phía nam chỉ khoảng dới 1m Đặc điểm thủy triều phân

bố theo mặt rộng: nhật triều đều chiếm phần lớn diện tích vịnh Khu vực ven bờ phía tây từ Thanh Hóa - Hà Tĩnh thuộc chế độ nhật triều không đều Khu vực ven bờ phía nam vịnh có chế độ bán nhật triều đều và không đều

Nguyên nhân gây ra sự đa dạng về đặc điểm thủy triều ở vịnh đến nay cha đợc làm rõ, nhng theo một số tác giả thì đây có thể do đặc điểm hình dạng kích thớc hoặc

đặc trng địa hình đáy của vịnh gây nên hiện tợng cộng hởng đối với các sóng nhật triều

3.2 Tính sóng cho Vịnh Bắc Bộ trong trờng hợp có b o đổã

bộ bằng mô hình phổ năng lợng sóng

3.2.1 Lựa chọn một số cơn bão điển hình để tính toán.

Nh phần trên đã thống kê tính từ năm 2000 đến năm 2005 đã có khoảng 21 cơn bão và áp thấp nhiệt đới đi vào và làm ảnh hởng tới Vịnh Bắc Bộ Tác giả khóa luận chọn ra bốn cơn bão điển hình có quỹ đạo, cờng độ khác nhau đi vào vịnh đó là: bão DAMREY; bão KAITAK; bão NEPARTAK; bão KROVANH

Sau đây là một số thông tin về bốn cơn bão trên và quỹ đạo của chúng khi đi vào Vịnh Bắc Bộ:

Bão DAMREY: Bắt đầu từ ngày 21 đến ngày 27/9/2005

Hình 3.2 Quỹ đạo của bão DAMREY

*Bão KAITAK: Bắt đầu từ ngày 28/10 đến ngày 2/11/2005

ADV LAT LON TIME WIND PR STAT

Hình 3.3 Quỹ đạo của bão KAITAK

Bảng số liệu về cơn bão KAITAK

* Bão NEPARTAK: Bắt đầu từ ngày 13 đến ngày 19/11/2003

Hình 3.4. Quỹ đạo của bão NEPARTAK

Bảng số liệu của bão NEPARTAK

ADV LAT LON TIME WIND PR STAT

ADV LAT LON TIME WIND PR STAT

Bão KROVANH: Bắt đầu từ ngày 15 đến 25/8/2003

Hình 3.5 Quỹ đạo của bão KROVANH

Bảng số liệu về cơn bão KROVANH

ADV LAT LON TIME WIND PR STAT

1 9.90 149.60 08/15/09Z 25 - TROPICAL DEPRESSION 1A 9.90 149.70 08/15/12Z 25 - TROPICAL DEPRESSION

2 10.10 149.30 08/15/15Z 25 - TROPICAL DEPRESSION 2A 10.20 149.30 08/15/18Z 25 - TROPICAL DEPRESSION

3 10.70 149.10 08/15/21Z 25 - TROPICAL DEPRESSION

4 10.70 149.10 08/16/00Z 25 - TROPICAL DEPRESSION

5 11.90 147.60 08/16/09Z 25 - TROPICAL DEPRESSION 5A 12.40 147.40 08/16/12Z 25 - TROPICAL DEPRESSION 4A 11.60 148.00 08/16/06Z 25 - TROPICAL DEPRESSION

6 12.70 147.00 08/16/15Z 25 - TROPICAL DEPRESSION 6A 13.00 146.40 08/16/18Z 25 - TROPICAL DEPRESSION