Mực nước và dòng chảy bài giảng nguyễn văn lai, nguyễn thị phương thảo biên soạn

Phân tích đi u hoà thu tri u Harmonic analysis of the tide ..... Mô hình toán Mathematical Model... Kho ng th i gian đó.

TR NG I H C TH Y L I

D án nâng cao n ng l c đào t o

Ngành K thu t b bi n

Biên so n: PGS TS Nguy n V n Lai

Hà N i, 2006

M C L C

Ch ng 1 M đ u 4

Gi i thi u chung 4

Các đ nh ngh a và khái ni m 6

Ph m vi c a Môn h c: 9

Ch ng 2 Sóng dài – Các ph ng trình c b n 11

2.1 nh ngh a sóng dài 11

2.2 Phân lo i sóng dài 11

2.3 Ph ng trình c b n c a sóng dài 13

2.3.1 Ph ng trình c b n c a sóng dài m t chi u 13

2.3.2 H ph ng trình c b n c a sóng dài hai chi u: 22

2.4 Sóng đi u hoà (Harmonic waves) 27

2.4.1 Sóng đ n đi u hoà t nh ti n 30

2.4.2 Sóng đ ng 32

Câu h i ôn t p 38

Ch ng 3 Thu tri u và dòng tri u 39

3.1 Ngu n g c và s phát sinh thu tri u 39

3.1.1 L c h p d n 39

3.1.2 L c t o tri u 41

3.1.3 Thuy t t nh h c (The equilibrium theory) 45

3.1.4 Phân tích thiên v n v l c t o tri u 49

3.1.5 Thành ph n c b n c a sóng tri u 55

3.2 Phân tích và d tính thu tri u 59

3.2.1 Gi i thi u 59

3.2.2 Phân tích đi u hoà thu tri u (Harmonic analysis of the tide) 59

3.2.3 D tính thu tri u (Tidal prediction) 65

3.2.4 Phân lo i thu tri u 66

3.3 Ch đ thu tri u Bi n ông và ven bi n Vi t Nam 67

3.3.1 Ch đ th y tri u Bi n ông 67

3.3.2 Ch đ thu tri u d c ven b bi n Vi t Nam bi n đ ng r t ph c t p v tính ch t và đ l n 71

3.3.3 Dòng tri u d c ven bi n Vi t Nam 77

Câu h i ôn t p: 77

Ch ng 4 Sóng dài – các tr ng h p c c tr 78

4.1 Sóng th n - Tsunami 78

4.1.1 nh ngh a và khái ni m v sóng th n 78

4.1.2 Phân lo i Tsunamis 79

4.1.3 c tr ng c a sóng th n 80

4.1.4 Các quy t c an toàn v i sóng th n 81

4.2 N c dâng do bão (Storm Surge) 83

4.2.1 Gi i thi u chung v n c dâng do bão 83

4.2.2 Phân lo i n c dâng do bão 85

4.2.3 nh h ng c a n c dâng do bão t i vùng ven b 86

4.2.4 Tính toán d báo n c dâng do bão 87

4.2.5 S phân b c a n c dâng do bão d c b bi n Vi t Nam 91

Ch ng 5 ng l c h c c a sông 98

5.1 Gi i thi u chung 98

5.2 nh ngh a v c a sông 99

5.3 Phân lo i c a sông 100

a Phân lo i c a sông theo thu tri u 100

b Phân lo i theo hình thái h c 101

c Phân lo i c a sông theo quan h gi a các y u t dòng ch y sông, sóng và tri u: 101

d Phân lo i theo hình d ng lòng sông (trên m t chi u b ng): 101

e Phân lo i theo c u trúc đ m n 102

5.4 Các c a sông Vi t Nam 103

Các c a sông estuary 103

Các c a sông vùng châu th (delta) 105

Các c a sông ph ng mi n Trung 108

5.5 Dòng ch y c a sông nh h ng thu tri u 109

5.5.1 Sóng tri u trong sông 109

5.5.2 Th y tri u bore (M t sóng gián đo n - tidal bores) 116

5.6 Dòng m t đ và xâm nh p m n 118

5.6.1 Gi i thi u chung 118

5.6.2 M t đ t o ra dòng trao đ i trong vùng c a sông (Density induced exchange flow) 119

5.6.3 Phân lo i dòng m t đ 121

5.6.4 Xâm nh p m n và s xáo tr n n c c a sông 121

Ch ng 6 Dòng ch y bi n 136

6.1 Khái ni m c b n v dòng ch y bi n 136

6.2 Các l c sinh ra dòng ch y bi n 136

6.3 Phân lo i dòng ch y 137

6.4 Dòng ch y trên đ i d ng 139

6.4.1 Lý thuy t Ekman 139

6.4.2 C ch hình thành dòng ch y do gió 145

6.4.3 H th ng các dòng ch y bi n trên đ i d ng 147

6.4.4 Chuy n đ ng th ng đ ng trong bi n - Hi n t ng n c tr i (Upwelling) 152

6.4.5 Dòng m t đ 153

6.5 Dòng ch y vùng ven b 154

6.5.1 Dòng d c b 157

6.5.2 Dòng ngang b (dòng tiêu hay dòng tách b ) 159

6.6 Hoàn l u bi n ông 162

Tài li u tham kh o 166

PH L C 167

n ng gió và tài nguyên phía

ông có hai dòng ch y chính d c ven bi n Vi t Nam: m t v nh B c B và m t

D c b bi n Vi t Nam, trung bình c kho ng 20km l i có m t c a sông H u h t các sông này b t ngu n t vùng núi cao phía tây và tây b c Các c a sông này có s

Hình 1.1 B n đ Bi n ông

li n Các c a sông phân b d ng nh có s đ i x ng t nhiên gi a B c và Nam

Trà Lý c a sông H ng phía B c và sông Ti n, sông H u thu c sông Mêkông phía

Amsterdam (Hà Lan), Singapore…V i chính sách m c a c a Chính ph Vi t nam,

Vi n UNESCO IHE – Hà Lan

Hình 1.2 Ch đ thu tri u Bi n ông

tác đ ng c a bi n không v t qua n i mà dao đ ng c a thu tri u tri t tiêu trong mùa

c n

h p v i lâm nghi p và c h i canh tác nông nghi p trên vùng đ t ven b màu m , v i

đ lo i đánh b t và nuôi tr ng th y s n vùng n c ven b giàu có H n n a, đây

c ng là vùng có nhi u yêu c u cho phát tri n kinh t và công nghi p nh t Vùng b luôn là trung tâm c a các ho t đ ng th ng m i, vùng du l ch h p d n

C a sông – (Estuary)

nh ng đ c tính c a l u v c sông, th ng có h ng u n khúc và có nhi u nhánh Gi i

(ph n bi n) c a c a sông, n i bi n ti p giáp v i sông; ph n gi a, đây h u h t các quá

Thu tri u – (Tide)

Thu tri u là s lên xu ng c a

v tr c a M t Tr ng, M t Tr i v i

nh t đ c g i là chân tri u/n c ròng (LW) Chênh l ch gi a đ nh tri u và chân tri u

đ c g i là đ l n thu tri u Kho ng th i gian gi a hai l n n c l n ho c hai l n

Khi quan tr c thu tri u vùng

bán nh t tri u trong vòng m t ngày

(kho ng 24 gi 50 phút) thì có th

tri u th hai S khác nhau này g i

là chênh l ch tri u ngày Khi quan

tr c thu tri u trong th i gian dài

h n thì có th th y có nh ng th i

1.5)

N c dâng do bão – (Storm surge)

Dòng ch y bi n - h i l u (Currents)

Dòng trôi do gió – (Wind currents)

Dòng ch y do sóng – (Wave currents)

tháng

Khi sóng ti n vào b s t o ra dòng ch y vùng n c nông song song v i đ ng

tr l i bi n g i là dòng tiêu (hay dòng ch y ngang b ) (rip current)

Các lo i dòng ch y khác – (Exceptional currents)

tri u dâng cao (tri u lên hay tri u dâng) và ch y ra khi thu tri u h th p (tri u xu ng

Dòng m t đ - (Density currents): Ch t l ng chuy n đ ng trong tr ng h p d n t o

Dòng ch y trao đ i – (Exchange flows)

Hình 1.6 Sóng th n 26/12/2004 Inđônêxia

Seiches: Nh ng dao đ ng m c n c trong h đ c nghiên c u đ u tiên H

v c và kho ng cách gi a các b Ngoài ra sóng seiches có th x y ra trong v nh, c a sông hay các c ng mà có thông ra bi n

mu i/ m n (Salinity)

đo đ c đ c Tuy nhiên, vì đ i d ng các ch t xáo tr n hoàn toàn và có khá nhi u

đ nh đ m n trong m t m u n c đã cho Thành ph n đó xu t hi n nhi u nh t và d đo

đ c chính xác nh t là ion clo, Cl

đ nh đ c t ng đ m n theo ph n nghìn b ng quan h sau: S(‰) = 1,80655 x Cl (‰)

Mô hình toán (Mathematical Model)

đó nhanh h n r t nhi u

Ph m vi c a Môn h c:

h c c ng nh là m i liên h c a nó v i các môn h c khác

- Ch ng 3: Thu tri u - ngu n g c và lý thuy t thu tri u, d tính tri u

đ ng th i tính toán đ c nh ng đ c tr ng c b n ph c v cho công tác quy ho ch,

ven bi n

Bài gi ng này c ng có th làm tài li u tham kh o cho nghiên c u sinh và nh ng k

s làm công tác thu l i qu n lý và khai thác tài nguyên vùng c a sông ven bi n

Bài gi ng này là xu t b n l n đ u, các tác gi r t trân tr ng nh ng góp ý c n i dung

Ch ng 2 Sóng dài – Các ph ng trình c b n 2.1 nh ngh a sóng dài

nhau theo công th c k=2π/L

2.2 Phân lo i sóng dài

đ c coi là sóng dài Thông th ng có ba thành ph n chính góp ph n t o nên dòng

ba lo i sóng dài là sóng t nh ti n (l c quán tính là ch y u, b qua thành ph n ma sát);

chi u r ng t ng lên đáng k (hình 2.4)

đ t ng t chi u r ng và chi u sâu (xem hình 2.5)

Sóng l

thành

Sóng tri u

Sóng tri u là lo i sóng dài v i chu k kho ng 12 gi 25 phút có h u h t các n i

đ a hình, s t t d n do nh h ng c a l c ma sát đáy, s ph n x l i do g p các biên,

Hình 2.6 Sóng l trong sông Hình 2.3 S ph n x l i c a sóng khi g p t ng Hình 2.4 Sóng t nh ti n khi tháo n c

Hình 2.5 Thay đ i đ t ng t c a chi u sâu và chi u

r ng trong kênh

cao sóng đáng k trên các d i núi ng m Tác đ ng quan tr ng nh t lên vùng th m l c

đ a là s ph n x c a sóng tri u do g p các biên đ t li n S ph n x và nh h ng c a

Các ký hi u trong hình 2.7 có ngh a nh sau:

dx Chi u dài (m)

Q L u l ng trong kênh (m3/s)

Dòng ch y vào phía bên trái trong kho ng th i gian dt là Qdt

QQQdt

u

= du

u + t

u

= dt

M t khác, v n t c ph n t n c (s thay đ i theo chi u dài trên m t đ n v th i gian) là:

M c n c bên trái là h, áp l c t l v i đ sâu T i đáy thì áp l c là ρgh T ng áp

x

h h dx x

h h

= hdx

dx x

h gh

d ng lên kh i ch t l ng là F = -τdx:

Bây gi c n ph i tìm bi u th c cho

d c theo sông là τdxO

dxO

=ρτ

Trong bi u th c này thì t s A/O là

h w

đ sâu), thì bán kính thu l c có th đ c tính theo

C

=

u

V n t c t l v i c n b c hai c a đ d c và bán kính thu l c C là h ng s Chézy

RI

u

= C

Vi t l i đ nh lu t Chézy u = C RI thành:

R C

u

=

I

2 2

C

u g

= R R C

u g

=

2 2 2

2

ρρ

u g -

= dxh

dx C

u g -

L c ma sát dùng cho dòng ch y đ u và có th ng d ng cho dòng tri u H ng c a

| u

| u

| u

| u g - x

h g - gI

| u

| u g + x

h g + gI -

| u

| u g + x

h g + x

u u + t

Q - t

Q A

1

= A

Q t

A - A

Q - x

Q A

1

= A

Q x

A - A

Do đó:

x b

= x

= t

Qb - t

Q A

1

= t

Qb - x

Q A

1

= x

| Q

| Q g + x g + x A

Qb - x

Q A

1 A

Q + t A

Qb - t

Q A

1

2 2 2

= x

| Q

| Q g + x gA

b Q - 1 g + t A

2Qb - t

Q A

1

2 2 3

Q 2 - x

Q A

Q 2

= A

Q x

A - A x Q A

Q 2

= A

Q

2 2

Thay

x b

b Q 2 - x

Q A

2Q

= A

Q

2 2

b Q 2 + A

Q x

= x

Q A

2Q

3

2 2

b Q - 1 g + x A

b Q 2 + A

Q

2 3

2 2

1 u

= gA

b A

Q

= gA

b

2 2

2 3

2

Q x

= gh + u x

= A

Q x

2 2

= x

h g

= gh

| Q

| Q g + x g + t

Q A

1

2 2

(vh) + vh + dydt dx x

Nh v y:

dtdxdy t

= dydxdt) y

(vh) + dxdt vh + dxdydt x

(uh) + dydt uh - dxdt) vh

(vh) + x

u +

dy y

u + dx

dx

, nên

y

u v + x

u u +

u u +

h +

= hdxdy

dxdy x

h gh

= C

V V

g

= C

V g

=

2 2 2

=

2 2

τ

h C

v + u u g -

= hdxdy

dxdy C

v + u

2 2

1 ( t = v ( t ) ) = 2v

Cor = m a Cor = 2mv

tuy n:ω sinϕ

i u này có ngh a là l c tác đ ng lên đi m P là:

F cor = 2mvω sinϕ

Có th rút ra k t lu n t quan h này nh sau:

v + u u g - x g -

= y

u v +

v + u u g + x g + y

u v + x

u u + t

u

2

2 2

v + u v g + y g + y

v v + x

v u + t

v

2

2 2

đ ng c a n c theo hai chi u H ph ng trình này dùng đ mô ph ng sóng tri u các

2.4 Sóng đi u hoà (Harmonic waves)

tiên theo th i gian:

0

= t b

= kx) - (

) - t (

ˆ sinˆ = -k cos( t - kx)x

= k ( t - kx) x

gA -

2 2

b

A g

Nghi m t ng quát này t ng ng v i hai sóng đi u hoà, m t sóng truy n theo

k

=ccos

ωω

; cos

c

x - (t

=

) c

x + (t +

) c

x - (t

) + kx - (

= x

∂

∂

và = ( t ˆ sin - kx) t

) + kx -

b - c

x - c

b

=

Q ηˆ cosω ηˆ cosω v i c = gA

b

c

-x - Q

V i x = 0:

t

+ t

V i đi m xu t phát là t i x= x o Xa h n chút v phía bên ph i t i x o + Δx thì pha

Chi u dài c a sóng tri u

m t sóng truy n đi theo h ng x d ng (hình 2.23) Sóng t i th i đi m t o và t i th i

đi m t o + Δt Trong kho ng th i gian Δt này thì hình d ng sóng truy n đi còn các ph n

uˆ ηˆ

trình chuy n đ ng là đúng

2.4.2 Sóng đ ng

kx) + ( Q - kx) - (

b + a 2

= cosb +

= 2

b +

2

2kx -

= 2

b - a

(-kx) 2

ˆsin sin ; Q = b cˆ ˆ

t kx 2

đi m nh t đ nh, sóng có d ng là đ ng nét li n, ¼ chu k sau thì m c n c b ng 0

v b ng 0 và c ti p t c nh v y

t kx Q

Khi k = 2π/L, có ngh a r ng biên đ là l n nh t x = L/4, 3L/4, đây là nút sóng

sông b ch n m t đ u C ng là logic r ng b ng sóng (Q=0 m i th i đi m) t i đi m

T l gi a chi u dài c a sóng tri u

v i chi u dài c a v nh ho c c a sông

L

= c

L

= T c.T

=

gh 1)

4l

= L L 4

1 + 2n

tri u x y ra trên toàn b v nh g n nh

đ ng th i C hai đ c tr ng này cho th y

Hình 2.32 Dao đ ng theo ph ng ngang

Nh v y L = 27 * 44700 = 120600 m ≈ 1200 km

Seiches

và ph i tính đ n nó

Ví d : xét khu c ng nh hình 2.31 Seiches có th x y ra v i sóng có chu k

đ nh nh sau:

Chi u dài c a sóng seiches (đ t lên trên cùng sóng tri u):

km 12

= m 12000

= 60 20 10 10

= T gh

Dao đ ng theo ph ng ngang

đ c xem xét đây (xem hình 2.32) Dao đ ng này x y ra gi a hai đ u đ u b ch n

Hình 2.33 Dao đ ng ng v i l = 0.5 L

= T cT

khu ch đ i c a thu tri u x y ra

nh h n chút ít do l c ma sát

w f

a a

ph n t th tích c a h có chi u dài dx, xem hình 2.34

Hình 2.34 d c m t n c khi gió tác đ ng

dx w f

= dx

x

a a

=

2 a

đáng k ngoài đ i d ng sâu Khi gió ng ng th i, l c ti p tuy n t i b m t b d ng,

L

= T

Câu h i ôn t p

Hình 2.35 Dao đ ng trong h sau tr n bão

Ch ng 3 Thu tri u và dòng tri u

3.1 Ngu n g c và s phát sinh thu tri u

Thu tri u đ c sinh ra do l c h p d n gi a các thiên th : M t Tr ng và M t Tr i v i

d

m m a

2 E p

r

mmag

Kr

mMma

= r K

m M m m

2

E E E

ây là bi u th c mô t l c h p d n gi a

b trung hoà b i l c hút ly tâm do chuy n

đ ng quay c a h Trái t và M t Tr ng

xung quanh tâm chung c a chúng V trí

sau:

xr) - (Kr m

bi u th c tính l c ly tâm L c ly tâm tác d ng lên

a m

=

rr

= dt

v d

=

a c

θ

rr

3.5):

L c h p d n = L c ly tâm

r1M

KMm

K

mM

+

×ω

×

=

×

rK

)1M(grK

1MK

g

3 2

t ngh a là gì hãy xét s t nh ti n c a Trái

t; b qua chuy n đ ng t quay quanh tr c c a nó (hình 3.6)

X Trái t và M t Tr ng v trí (1): 14 ngày sau Trái t và M t Tr ng v trí

tâm c a vòng tròn này

X i m P t i b m t Trái t (trên đ nh đ u) c ng đi theo vòng tròn (vòng tròn

Hình 3.5 V n t c góc

đi m P và tâm M t Tr ng là Rr L c h p d n gi a Trái t và M t Tr ng đ c bi u th theo công th c:

R

Mg

K

Mg

Bi u th c đ tính l c kéo Fs có quan h v i v trí trên Trái t qua góc θ (xem hình 3.10)

Bi u th c tính Fs tr thành:

Fs = Fm sin(θ+α ) – Fa sin (θ)

Thay Fm và Fa vào bi u th c này:

2 m

R

Mg

2 a

K

Mg

F =

bi u di n b ng bi u th c:

)sin(

K

Mg)sin(

θ

×

−α

×θ+α

×θ

×

K

Mg)sincoscos

(sinR

Mg

K

sinsin

; 1cos

; )cosK

×θ+θ

×θ

−

K

Mg)K

sincos(sin

)cosK

(

M.g

)K

sincos(sin

K

M

)2n)(

1n(nx

!2

)1n(nnx1)

S d ng thành ph n th nh t và th hai trong chu i này vào bi u th c:

K

cos21K

sinK

cos21K

× θ + θ

× θ

× + θ

× θ + θ

K

cos sin

K

cos sin 2 K

cos sin

sin K

gM

2 2

× θ

2 K

cos sin

3 K

K

cossin

3K

• T l c a l c do M t Tr ng và M t Tr i gây ra là 2 : 1

• Nh v y nh h ng c a M t Tr i đ n thu tri u không th b qua

3.1.3 Thuy t t nh h c (The equilibrium theory)

ông chuy n hoá t thuy t cân b ng c a mình

t (xem hình 3.13)

2 2

dxx

hhg2

1gh

−ρ

∂

∂+ρ

−ρ

2 2

2

dxx

hdxx

hh2hg2

1gh

L c này cân b ng v i l c kéo trên đ n v kh i l ng ( = sin2θ

2K

3gM

T = 12.42 h = 12 h 25’

ây là chu k chính c a thu tri u do M t

Tr ng Chu k chính c a thu tri u do M t Tr i

chênh l ch thu tri u ngày –

(daily inequality) hay còn g i

là tri u sai ngày

th p và nh v y thì biên đ tri u l n

Khi v trí c a M t Tr ng M t Tr i và

t do hai thiên th này gây ra s l ch

kho ng góc ph n t th nh t và th 4

(hình 3.20) Trong kho ng th i gian

tri u cao h n chút, do đó biên đ tri u nh

K t qu quan tr c thu tri u trong m t

đ tri u đ c quan tr c trong th i gian

o

708 /h 508

đ c bao ph hoàn toàn b i m t l p

Tuy nhiên trong th c t thì HW xu t hi n

đ nh (xem hình 3.23) Kho ng th i gian đó

K tri u c ng x y ra khi mà M t Tr i và

tr ng non và tr ng tròn Nh ng th c t thì

kho ng ± 5% so v i giá tr trung bình M t

nh t là vào tháng 7 (mùa hè B c bán c u)

i v i thu tri u do M t Tr i gây ra thì

thu tri u chính M t Tr i m nh h n vào tháng m t và y u h n vào tháng b y nh

s t ng thêm m t thành ph n thu tri u g i là Thu tri u elip M t Tr i

3.1.4 Phân tích thiên v n v l c t o tri u

θ

×

K2

gM3