Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn

1.3 Các phương pháp xác định tiêu tán năng lượng sóng [6] Một cơ chế tiêu tán năng lượng sóng hiệu quả nhất là quá trình sóng vỡ, tuynhiên khi sóng lan truyền trong rừng cây ngập mặn tro

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

oo

Nguyễn Viết Quỳnh

TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN SÓNG

TRONG RỪNG NGẬP MẶN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

oo

Nguyễn Viết Quỳnh

TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN SÓNG

TRONG RỪNG NGẬP MẶN

Chuyên ngành: Hải Dương học

Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Minh Huấn

HÀ NỘI – 2012

ii

Mục lục Lời cảm ơn

CHƯƠNG 1 – QUÁ TRÌNH TIÊU TÁN NĂNG LƯỢNG SÓNG 3

TRONG RỪNG NGẬP MẶN 3

1.1 Rừng ngập mặn 3

1.2 Lý thuyết sóng tuyến tính và phổ sóng 6

1.2.1 Lý thuyết sóng tuyến tính 6

1.2.2 Năng lượng sóng và phổ năng lượng sóng 8

1.3 Các phương pháp xác định tiêu tán năng lượng sóng 9

1.3.1 Phương pháp sử dụng hệ số ma sát đáy 10

1.3.2 Phương pháp hình khối trụ 12

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO SÓNG SWAN 15

2.1 Giới thiệu mô hình SWAN 15

2.2 Bổ sung tiêu tán năng lượng sóng do cây trong mô hình SWAN 22

CHƯƠNG 3 - ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAN TÍNH TOÁN SUY GIẢM SÓNG DO RỪNG NGẬP MẶN TẠI KHU VỰC CỬA TRÀ LÝ – THÁI BÌNH 28

3.1 Đặc điểm địa hình, hải văn của khu vực nghiên cứu 28

3.1.1 Đặc điểm địa hình và lưới tính 28

3.1.2 Chế độ sóng 31

Hình 3.3a Hoa gió tại trạm Hòn Dáu giai đoạn 1960 - 2010 33

3.1.3 Chế độ thuỷ triều trong khu vực nghiên cứu 34

3.1.4 Bão và nước dâng trong bão 35

3.1.5 Đặc điểm rừng ngập mặn 37

3.2 Kiểm nghiệm mô hình 38

3.2.1 Thiết lập đầu vào 38

3.2.2 Kết quả kiểm nghiệm mô hình 40

3.3 Áp dụng mô hình cho vùng nghiên cứu 43

3.3.1 Thiết lập số liệu đầu vào cho mô hình 43

3.3.2 Nhận xét kết quả mô phỏng chế độ sóng 44

Kết luận và đề xuất 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ……… … 65

Mở đầu

Rừng ngập mặn (RNM) phát triển chủ yếu tồn tại và sinh trưởng tại khu vực

bờ biển ngập nước Rừng ngập mặn trên thế giới rải rác chủ yếu ở những khu vựcnhiệt đới và cận nhiệt đới vì chúng không chịu được sự lạnh giá ( Taal, 1994) Trongquá khứ rừng ngập mặn được xem như là vô dụng và như một kết quả chúng bị biếnmất nhanh chóng [3] Chỉ gần đây rừng ngập mặn được nhận là một hệ sinh thái quantrọng, không chỉ vẻ đẹp mà còn vì tầm quan trọng đối với sự ổn định đường bờ biển

và môi trường nuôi dưỡng nhiều sinh vật biển Đặc biệt những khu rừng ngập mặngần bờ có thể làm giảm độ cao sóng và thậm chí sóng thần Tháng 7 năm 1996, cơnbão số 2 (Frankie) với sức gió 103 ÷ 117 km/giờ đổ bộ vào huyện Thái Thụy (TháiBình) nhờ có dải RNM bảo vệ nên đê biển và nhiều bờ đầm không bị hư hỏng, tronglúc đó huyện Tiền Hải do phá phần lớn RNM nên các bờ đầm đều bị xói lở hoặc bịphá vỡ Năm 2005, vùng ven biển huyện Thái Thụy tuy không nằm trong tâm bão số

7 (Damrey) nhưng sóng cao ở sông Trà Lý đã làm sạt lở hơn 650m đê nơi không cóRNM ở thôn Tân Bồi, xã Thái Đô trong lúc phần lớn tuyến đê có RNM ở xã nàykhông bị sạt lở vì thảm cây dày đặc đã làm giảm đáng kể cường độ sóng Trận sóngthần khủng khiếp tại Ấn Độ Dương tháng 12 năm 2004, Kathiresan and Rajendran(2005) đã cho thấy tầm quan trọng của rừng ngập mặn trong việc làm suy giảm ảnhhưởng của sóng thần.Ví dụ, tại Indonesia tâm sóng thần rất gần với đảo Simeuleu, tuynhiên số lượng người chết đặc biệt thấp bởi vì sự hiện diện của những khu rừng ngậpmặn với mật độ dày đặc, phía đông nam của Ấn Độ, thiệt hại về kinh tế và con người

ít tại những vùng có rừng ngập mặn rậm rạp

Do tầm quan trọng to lớn của chúng, rừng ngập mặn và hệ sinh thái rừng ngậpmặn đã được chú trọng nghiên cứu trong thời gian gần đây nhưng sự hiểu biết vềchúng còn rất hạn chế Thiếu trầm trọng những nghiên cứu động lực và nghiên cứu

về sự tương tác giữa trầm tích học và thủy động học Đặc biệt, những nghiên cứu vềquá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn là không nhiều Trong bối cảnh như

vậy, đã lựa chọn “Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn” là tên

của đề tài nghiên cứu Bố cục luận văn gồm 3 chương và phần kết luận:

Chương 1: Quá trình tiêu tán năng lượng sóng trong rừng ngập mặn

1

Chương 2: Mô hình tính toán và dự báo sóng SWAN

Chương 3: Áp dụng mô hình SWAN tính toán suy giảm năng lượng sóng do rừng ngập mặn tại khu vực cửa Trà Lý – Thái Bình

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 – QUÁ TRÌNH TIÊU TÁN NĂNG LƯỢNG SÓNG

TRONG RỪNG NGẬP MẶN 1.1 Rừng ngập mặn [4,6]

Rừng ngập mặn (RNM) là rừng có những loại cây đặc biệt, thường mọc ở ranhgiới giữa những phần đất tiếp giáp bờ biển và biển, ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới.RNM thường phát triển trong những vùng triều, giữa mực nước biển trung bình vàmực nước triều lớn Phía ngoài biển của rừng ngập mặn thường là vùng đất bùn, với

độ dốc khoảng 1:1000 Phía sau RNM có thể là những đê biển, đầm muối và khu vựcdân cư sinh sống Phía trong RNM cây sẽ mọc song song với đường bờ biển vớinhiều loài khác nhau

Hình 1.1 Cấu trúc rừng ngập mặn

Trên thế giới RNM được giới hạn từ vĩ độ 300N và 300S Phía bắc giới hạn bởiNhật Bản (31022’N và Bermuda (32020’N)) Phía nam giới hạn bởi New Zealand(38003’S) và Australia (38045’) và bờ phía tây của Nam phi (32059’) (theo Spalding1997) RNM thường mở rộng về phía bờ biển ấm phía đông của Châu Mĩ và ChâuPhi hơn là về phía bờ biển lạnh phía tây Sự khác biệt này xảy ra do sự phân bố củacác dòng chảy nóng, lạnh trên các đại dương

Nguồn gốc rừng ngập mặn ven biển Việt Nam, theo nhiều tác giả, trung tâmhình thành cây ngập mặn là Indonesia và Malaysia (Cương, 1964, Chapman, 1975) từ

đó phát tán ra các nơi khác Theo Phan Nguyên Hồng thì vận chuyển nguồn giốngvào Việt Nam chủ yếu là do các dòng chảy đại dương và dòng chảy ven bờ Gió mùaTây Nam vào mùa hè đưa dòng chảy mang giống từ phía Nam lên, nhưng khi đến vĩ

3

độ 12 thì dòng chảy chuyển hướng ra khơi nín một số loăi không phât tân ra bờ biểnphía Bắc Chính vì vậy một số loăi phong phú ở phía Nam không có mặt ở phía Bắc.

Phđn bố rừng ngập mặn vùng ven biển Việt Nam, dựa văo câc yếu tố địa lý,RNM Việt nam có thể chia ra lăm 4 khu vực (theo Phan Nguyín Hồng, 1999) nhưsau:

- Khu vực 1: Ven biển Đông bắc, từ mũi Ngọc đến mũi Đồ Sơn Đặc điểm câcquần xê RNM lă hệ thực vật gồm những loăi ưa mặn vă chịu muối giỏi, không có loăi

ưa lợ Thănh phần loăi nghỉo hơn ở Miền Nam (24 loăi) Hầu hết câc loăi cđy ngậpmặn ở đđy như đước vòi, vẹt dù, trang, sú lại ít gặp ở Nam Bộ

- Khu vực 2: Ven biển đồng bằng Bắc bộ, từ mũi Đồ Sơn đến mũi Lạch

Trường Quần xa ̃cđy ngđpp̣ măṇ gồm những loăi ưa nước lơ p̣, trong đóloăi ưu thếnhất

lă bần chua , trang Dưới tân của bần lăsúvẵ rô , tạo thănh tầng cđy bụi ; ở môṭsố nơi

sú vă ô rô phât triển thănh từng đâm

- Khu vực 3: Ven biển Trung bộ, từ mũi Lạch Trường đến mũi Vũng Tău Dođịa hình trống trải sóng lớn, bờ dốc, nín nói chung không có RNM dọc bờ biển, trừcâc bờ biển hẹp phía tđy câc bân đảo nhỏ ở Nam Trung Bộ Phía trong câc cửa sông,cđy ngập mặn mọc tự nhiín, phđn bố không đều do ảnh hưởng của địa hình vă tâcđộng của cât bay

- Khu vực 4: Ven biển Nam bộ, từ mũi Vũng Tău đến mũi Nải – Hă Tiín Điềukiện sinh thâi ở đđy thuận lợi cho RNM sinh trưởng vă phât triển mạnh, thănh phầncđy ưa mặn chiếm ưu thế, chủ yếu lă đước, vẹt, sú, dă Dọc triền sông phía trong,quần thể mấm lưỡi đòng phât triển cùng với loăi dđy leo vă cốc kỉn Sđu văo nội địathì dừa nước mọc tự nhiín hay được trồng thănh bêi

Hình 1.2 Phân bố rừng ngập mặn và đầm phá vùng biển Việt nam

(nguồn:Phân viện Hải Dương học tại Hà Nội )

5

1.2 Lý thuyết sóng tuyến tính và phổ sóng [6]

1.2.1 Lý thuyết sóng tuyến tính

Sóng được miêu tả một cách tổng quát bởi lý thuyết sóng tuyến tính hay lý

thuyết sóng Airy (Airy, 1845) Trong đó:

- Độ sâu nước là hằng số

- Chuyển động của sóng là hai chiều

- Sóng chuyển động trong dạng nhất định bất biến theo thời gian

- Chất lỏng không nén được

- Nhớt, rối và sức căng bề mặt được bỏ qua

-Chiều cao sóng (H) nhỏ so với chiều dài sóng (L) và độ sâu (d)

Phương trình điều chỉnh vận tốc thế vị  (Young, (1999)),

6

Hình 1.3 Lý thuyết sóng tuyến tính

Ở đây ɳ (m) là dao động mực nước, g (m/s2) là gia tốc trọng trường,  thế vận tốc, u (m/s) là vận tốc theo hướng x, w (m/s) là vận tốc theo hướng z

Phân loại sóng theo độ sâu

Sóng có thể được phân loại dựa theo mối quan hệ giữa chiều dài sóng với độsâu hay tích số của số sóng k và độ sâu nước d (kd)

Hầu hết tham số sóng sẽ thay đổi khi sóng lan truyền từ vùng nước sâu vàovùng nước nông Chiều dài sóng, vận tốc nhóm sóng và chuyển động quỹ đạo của hạtnước sẽ thay đổi

Hình 1.4 Phân loại sóng theo độ sâu

Bảng 1.1 Phân loại sóng phi tuyến theo tích số kd

1.2.2 Năng lượng sóng và phổ năng lượng sóng

Năng lượng sóng bao gồm động năng và thế năng (Battjes, (1998)) Nănglượng sóng tổng cộng bằng tổng động năng và thế năng (mật độ năng lượng) trên mộtđơn vị chiều rộng được tính bằng:

C là tốc độ của từng sóng riêng rẽ và n là yếu tố vô hướng phụ thuộc vào tỷ số giữa

độ sâu và chiều dài sóng Tốc độ C được tính bằng:

Và

ω là tốc độ quay của sóng, k là số sóng (m-1), h là độ sâu (m),  và k được tính bởi:



k 

8

L là chiều dài sóng phụ thuộc vào độ sâu

Tính toán chiều dài sóng là quá trình lặp Dòng năng lượng F, năng lượng sóngtruyền theo hướng truyền sóng

F = E.cg hay F = E.n.c

Phổ sóng

Một phương pháp để nghiên cứu các quá trình dao động là xem xét chúng làmột tổ hợp các sóng hình sin với độ lớn, tần số và pha khác nhau Các hàm số thểhiện sự phân bố của biên độ và pha theo tần số được gọi là phổ tần số Phổ có thể làliên tục hay rời rạc, nhưng phổ sóng là liên tục Phổ mật độ năng lượng sóng đặctrưng được thể hiện trong hình 1.5 dưới đây

Hình 1.5 Phân bố mật độ năng lượng phổ

Trục ngang thể hiện tần số, trục thẳng đứng thể hiện mật độ năng lượng

1.3 Các phương pháp xác định tiêu tán năng lượng sóng [6]

Một cơ chế tiêu tán năng lượng sóng hiệu quả nhất là quá trình sóng vỡ, tuynhiên khi sóng lan truyền trong rừng cây ngập mặn trong phần lớn trường hợp không

bị tiêu tán năng lượng do hiện tượng này, quá trình tiêu tán năng lượng quan trọng là

do các chướng ngại mà cây tạo ra, các cây sẽ áp đặt lực ma sát và lực quán tính lênchuyển động của nước tạo ra sự mất mát năng lượng và làm cho sóng hạ thấp độ cao

9

và suy giảm vận tốc quỹ đạo Hầu hết các mô tả vật lý dựa trên cán cân năng lượng vì

từ đại lượng này dễ dàng tính toán được độ cao sóng, và độ cao sóng được sử dụng

để tính toán hệ số truyền qua là hệ số xác định bằng thương của độ cao sóng tới với

độ cao của sóng truyền qua

1.3.1 Phương pháp sử dụng hệ số ma sát đáy

Sóng lan truyền ở vùng nước nông gần bờ chịu tác động ma sát do đáy sinh ra

Độ lớn của lực ma sát này phụ thuộc vào một loạt các tham số như vận tốc quỹ đạosóng theo phương ngang, độ nhám của đáy và độ sâu nước Trong nhiều tài liệu vềhiện tượng suy giảm sóng trong rừng cây ngập mặn hiện tượng ma sát đáy rất ít đượcchú ý mặc dù các biểu thức của lực ma sát thường được sử dụng để mô tả các thànhphần tiêu tán do rừng cây ngập mặn

Theo Mazda và nnk (1997), tiêu tán năng lượng do ma sát đáy có giá trị nhỏhơn một bậc so với lực kéo gây ra bởi các cây Đây cũng chính là một trong nhữngkết luận rút ra từ các kết quả đo đạc hiện tượng suy giảm sóng tại vùng ven bờ đồngbằng Bắc Bộ tại khu vực có và không có rừng cây ngập mặn Sự lý giải lý thuyết là

do vận tốc quỹ đạo hạt nước ở gần đáy suy giảm mạnh khi có cây tồn tại

Phương pháp thường được sử dụng để mô tả hiện tượng tiêu tán năng lượngsóng do cây là sử dụng tham số ma sát đáy Các biểu thức ma sát đáy như của VanRijn (1989), Collins (1968) hay Chezy thường được sử dụng Tham số này phụ thuộcvào các đặc điểm của cây Các số liệu đo đạc chính xác rất cần thiết cho phương phápnày để hiệu chính và kiểm chứng tham số ma sát cho các dạng cây khác nhau

Công thức của Van Rijn

Theo Van Rijn (1989), tiêu tán năng lượng do ma sát đáy được thể hiện bằngđại lượng Df là công trung bình theo thời gian của lực ma sát

với fw là hệ số ma sát,

mật độ của nước và ω tần số góc của sóng do đó

(1.14)Công thức này cho thấy rằng sự tiêu tán năng lượng do ma sát đáy liên quantới hệ số ma sát fw và đại lượng bậc ba của vận tốc quỹ đạo sóng theo phương ngangtại đáy

Công thức của Collins

Ma sát đáy theo Collins (1972) dựa trên công thức thông thường đối với sóng

có chu kỳ với các tham số phụ để phù hợp với trường sóng ngẫu nhiên Cường độtiêu tán năng lượng được xác định bằng công thức ma sát đáy thông thường:

C bot = c f g U orb (1.15) trong đó cf là hệ số ma sátCollins cf = 0.015

Trong các nghiên cứu hiện thời (Vries và Roelvink (2004)), công thức của VanRijn (1989) cho thấy rằng hệ số ma sát Collins về nguyên tắc có thể sử dụng để mô tảhiện tượng tiêu tán năng lượng sóng do cây

Kết quả là:

(1.16)trong đó Sds, b là năng lượng sóng bị tiêu tán, ζ là tần số góc, θ hướng lan truyền củacác thành phần sóng

Biểu thức này khá giống với công thức của Van Rijn (1989) và được sử dụngtrong mô hình SWAN với hệ số ma sát do cây tương đương cv

cv =

trong đó: là hệ số ma sát do cây, D là đường kính cây, n là mật độ của cây và dz là

độ cao của cây

1.3.2 Phương pháp hình khối trụ

Một phương pháp khác dựa trên công thức lý thuyết đối với tiêu tán nănglượng sóng do thực vật với các biểu thức riêng biệt trong đó xác định phần nănglượng bị tiêu tán do các quá trình quan trọng nhất Theo một số tác giả nhưDalrymple và nnk (1984), Kobayashi và nnk (1993) các thực vật thân cứng hoặc cỏsinh ra các lực tác động lên chất lỏng được thể hiện thông qua dạng biểu thức củaMorison (1950), trong đó bỏ qua chuyển động của thực vật Phần năng lượng mất điđược tính toán bằng công sinh ra của thực vật trong chuyển động sóng Trong lýthuyết này, lực kéo được coi là tham số quan trọng nhất Ma sát mặt và građien ápsuất sinh ra lực kéo Tuy nhiên lực kéo do ma sát nhỏ hơn rất nhiều lực cản sinh ra dochênh lệch áp suất, do đó chúng ta chỉ xét tới lực kéo do áp suất gây ra

Khi bỏ qua chuyển động của thực vật trong nước, chúng ta cần xem xét cáclực quán tính Trong cơ học, quán tính là khả năng chống lại sự biến đổi của vận tốc,cây ngập mặn là tương đối cứng so với các loại cỏ do đó chuyển động tương đối củacây so với chuyển động của nước là khá nhỏ, đối với các loại sậy, cỏ biển hay tán lácủa các loài cây ngập mặn, hiện tượng này cũng xảy ra nhưng đóng góp của các lựcquán tính trong tiêu tán năng lượng sóng là khá nhỏ nên có thể bỏ qua

Công thức của Morrison

Morrison và nnk (1950) đã xác định được lực tác động lên một cọc mảnh đơn

lẻ trong sóng bề mặt:

f t  C m

trong đó Cm là hệ số quán tính, D là đường kính của cọc, Cd hệ số tiêu tán và U là giátrị cực đại của vận tốc quỹ đạo theo phương ngang

Công thức của Dalrymple

Dalrymple và nnk (1984) xác định một hệ số tiêu tán năng lượng dựa trên biểuthức của Morrison đối với các thực vật chìm trong nước ở đầm lầy Mendez và

12

Losado (2004) sử dụng phương pháp của Dalrymple và nnk (1984) trong mô hình vật

lý của họ để mô phỏng hiện tượng lan truyền sóng vỡ ngẫu nhiên và không vỡ trêncác vùng có thực vật Lý thuyết này sử dụng sóng tuyến tính và coi sóng tới vuônggóc với đường bờ và đáy biển có các đường đẳng sâu song song Các thí nghiệm chothấy mối quan hệ phụ thuộc các lực trên một đơn vị thể tích theo phương ngang với

hệ số kéo tổng cộng trung bình theo độ sâu, với vận tốc theo phương ngang trongvùng có thực vật do chuyển động sóng, diện tích của vùng và mật độ theo phươngngang

Theo các giả thiết trên, bảo toàn năng lượng sẽ là:

Ec g 

x

trong đó E là năng lượng sóng trên một đơn vị diện tích, cg là vận tốc nhóm sóng và

εv là năng lượng tiêu tán trung bình theo thời gian trên một đơn vị diện tích theophương ngang trên độ cao của thực vật

v

h

trong đó Fx là lực kéo tác động lên một cây trên hướng x, u là vận tốc theo phươngngang của chuyển động sóng, h là độ sâu nước và αh là độ cao trung bình của thựcvật Và

x

Các đặc điểm của thực vật sử dụng trong phương pháp này là các giá trị trung bìnhtheo độ sâu với Cd là hệ số tiêu tán, bv là độ dày của thân cây hoặc đường kính Nv vàmật độ của thực vật

Giả thiết rằng có thể áp dụng lý thuyết sóng tuyến tính đối với sóng lan truyềntrên đáy không thấm để tính toán giá trị của u không chỉ đối với toàn bộ vùng nước

mà còn ở vùng giữa các thực vật Dalrymple và nnk (1984) biểu diễn năng lượng tiêután là kết quả từ biểu thức của εv và Fx trên vùng có thực vật như sau:

13

3trong đó k là số sóng, ζ là tần số góc, αh là độ cao trung bình của thực vật Hiệntượng phản xạ sóng từ thực vật không được tính đến trong công thức này

Hai cơ chế cơ bản để mô tả hiện tượng tiêu tán năng lượng sóng do thực vậtđược mô tả ở các phần phía trên là phương pháp khối trụ và tăng cường tham sốnhám đáy

Phương pháp tăng cường tham số nhám đáy dựa trên các kết quả của Collins(1968) được Vries và Roelvink (WL Delft Hydraulíc, 2004) nghiên cứu và áp dụng

bổ sung vào mô hình SWAN, các kết quả này được hiệu chỉnh cho cỏ biển - SpartinaAnglica Phương pháp này có vẻ phù hợp khi hiệu chỉnh nhưng không tồn tại nguyêntắc vật lý để tham số hóa các dạng thực vật, các dạng thực vật phức tạp không dễdàng đưa vào mô hình do thực vật chỉ được tham số hóa bằng một tham số

Mendez và Losada (2004) đã mở rộng công thức của Dalrymple (1984), kếtquả này có thể áp dụng cho vùng đáy nghiêng và sóng vỡ Các thí nghiệm vật lýtrong máng chứng minh các kết quả rất triển vọng của phương pháp này, Mendez vàLosada cho thấy rằng dạng mô hình này có thể dễ dàng áp dụng trong các mô hìnhtính toán lan truyền sóng chuẩn để tích hợp quá trình tiêu tán năng lượng sóng dothực vật và còn có thể dự tính dòng chảy sóng cũng như vận chuyển trầm tích trongvùng có thực vật Kết luận là công thức của Dalrymple (1984) là phương pháp xấp xỉquá trình tiêu tán năng lượng sóng do thực vật tốt nhất và thích hợp nhất để tích hợpvào mô hình SWAN

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO SÓNG SWAN 2.1 Giới thiệu mô hình SWAN

SWAN là mô hình tính toán sóng thế hệ ba, tính toán phổ sóng hai chiều bằngcách giải phương trình cân bằng tác động sóng (trong trường hợp không có dòngchảy có thể dùng phương trình cân bằng năng lượng sóng) có tính tới sự lan truyềnsóng từ vùng nước sâu vào vùng nước nông ven bờ, đồng thời trao đổi năng lượngvới gió thông qua hàm nguồn cùng với sự tiêu tán năng lượng sóng SWAN (đượcviết tắt từ Simulating Waves Nearshore) cho phép tính toán các đặc trưng sóng vùnggần bờ, trong các hồ và vùng cửa sông từ các điều kiện của gió, điều kiện đáy vàdòng chảy

Các tính năng của mô hình

* Theo quá trình truyền sóng SWAN có khả năng tính:

- Truyền sóng tuyến tính

- Khúc xạ sóng do thay đổi độ sâu đáy và do dòng chảy

- Bị vật chắn và phản xạ do dòng chảy ngược hướng

* Theo quá trình tạo sóng SWAN có khả năng tính:

- Sóng phát sinh do gió

- Tiêu tán năng lượng do hiện tượng sóng bạc đầu

- Tiêu tán năng lượng sóng do quá trình sóng vỡ gây ra do ảnh hưởng của độ

sâu

- Tiêu tán năng lượng sóng do ma sát đáy

- Tương tác giữa các sóng (tương tác bậc ba và tương tác bậc bốn)

- Tính toán sóng do các vật cản

2.1.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAN

15

Trong mô hình SWAN các sóng được mô tả bằng phổ mật độ tác động sóng

hai chiều Phương trình cân bằng phổ mật độ tác động được sử dụng trong điều kiện

phi tuyến cao Trong mô hình SWAN phổ mật độ tác động N(,) được chú ý hơn bởi

vì, khi có mặt dòng chảy mật độ phổ tác động được bảo toàn trong khi phổ mật độ

phổ năng lượng thì không Các biến độc lập là tần số  và hướng sóng  Mật độ phổ

tác động được tính bằng mật độ phổ năng lượng chia cho tần số

- Phương trình cân bằng tác động phổ:

Trong SWAN sự tiến triển của phổ sóng được mô tả bằng phương trình cân

bằng tác động phổ được viết trong hệ toạ độ Đề Các :



Thành phần đầu trong vế trái là thay đổi của phổ mật độ tác động theo thời

gian Thành phần thứ hai và thứ ba là sự lan truyền của phổ mật độ tác động trong

không gian địa lý (với vận tốc truyền là Cx và Cy tương ứng trong hướng x và y)

Thành phần thứ tư biểu thị sự thay đổi của tần số dưới ảnh hưởng của độ sâu và dòng

chảy (với vận tốc truyền là C) Thành phần thứ năm biểu thị sự tác động của độ sâu

và dòng chảy đối với hiệu ứng khúc xạ Vế phải của phương trình biểu thị các nguồn

năng lượng sóng được cung cấp và tiêu tán trong quá trình truyền sóng với S là hàm

* Năng lượng gió truyền cho sóng:

Quá trình năng lượng truyền từ gió cho sóng trong mô hình SWAN được mô tả

thông qua hai cơ chế: cơ chế cộng hưởng (Phillips, 1957) và cơ chế phản hồi (Miles,

1957) Giá trị nguồn năng lượng của gió tương ứng với hai cơ chế trên được biểu thị

bằng tổng của quá trình tăng tuyến tính và quá trình tăng theo hàm mũ Giá trị hàm

nguồn có dạng:

Sin (  , )  A  BE( , )

Với A là hệ số tăng tuyến tính, B là hệ số tăng theo hàm mũ Hệ số A và B phụ thuộc

vào tần số và bước sóng đồng thời phụ thuộc vào vận tốc và hướng của gió

+ Hệ số tăng tuyến tính A:

Biểu thức của Cavaleri và Malanotile-Rizzli (1981) được sử dụng để loại bỏ

sự tăng trưởng của sóng tại các tần số thấp hơn tần số Pierson-Moskovitz

1,5.10

A Trong đó  là hướng gió, H là giá trị để lọc

+ Hệ số tăng theo hàm mũ B:

Trong mô hình SWAN sử dụng biểu thức tính hệ số tăng theo hàm mũ B:

Công thức của Kome và nnk (1984):



B  max 0,0.25



Với Cph là vận tốc pha, a và w là mật độ không khí và nước

- Mất mát năng lượng trong khi truyền sóng (Sds):

Mất mát năng lượng khi truyền sóng gây ra do ba quá trình: sự bạc đầu của

sóng, ma sát đáy và sóng vỡ do ảnh hưởng của độ sâu địa hình

- Ma sát đáy

Mô hình ma sát đáy sử dụng trong SWAN bằng mô hình thực nghiệm của

Jonswap, mô hình sức cản của Collins (1972) và mô hình nhớt rối của Madsen

(1980)

Công thức sử dụng trong các mô hình này là

ds,b

17

Ở đây Cbottom là hệ số ma sát đáy, hệ số này phụ thuộc vào vận tốc quỹ đạo chuyển động sóng.

- Sóng vỡ do ảnh hưởng của độ sâu địa hình

Sự tiêu tán năng lượng trong trường sóng ngẫu nhiên là do quá trình sóng vỡdưới tác động của độ sâu địa hình Trong mô hình SWAN sử dụng mô hình sóng vỡdựa trên hiện tượng Bore của Battjes và Janssen (1987) Tỉ lệ trung bình mất mátnăng lượng trên một đơn vị bề rộng của vùng tính phụ thuộc vào hệ số phần nănglượng mất mát do sóng vỡ Dtot

D 

tot

Với bj =1, Qb là phân số sóng vỡ, Hm là chiều cao sóng cực đại Hm = .d ở đây  là

hệ số sóng vỡ, d là độ sâu nước tổng cộng, Dtot là tỉ lệ tiêu tán năng lượng trung bìnhtrên một đỉnh sóng

Công thức hàm nguồn năng lượng sóng vỡ có dạng

Sds,br (  , ) 

* Tương tác phi tuyến giữa các sóng

Tương tác sóng bậc bốn chiếm ưu thế trong sự tiến triển của phổ sóng tại vùngnước sâu Quá trình này truyền năng lượng sóng từ đỉnh phổ tới các tần số thấp hơn

và tới các tần số cao hơn

Trong vùng nước nông tương tác giữa các sóng bậc ba truyền năng lượng từtần số thấp sang tần số cao hơn

18

Với d là độ sâu nước tổng cộng,  mực nước dâng so với mực nước trung bình.

2.1.2 Mô hình số của SWAN

Trong mô hình SWAN, lời giải của phương trình cân bằng tác động sóng đượctriển khai bằng một số sơ đồ khác nhau trong cả năm chiều (thời gian, không gian địa

lý, không gian phổ) Trước tiên quá trình truyền sóng được mô tả mà không có cácnguồn tạo sóng, tiêu tán và tương tác giữa các sóng Sau đó là dạng mô tả đầy đủ vớicác giá trị nguồn

Thời gian được biểu thị bằng bước thời gian xác định t đồng thời trong cảtích phân của phương trình truyền và hàm nguồn Không gian địa lý được mô tả dướidạng lưới hình chữ nhật với các cạnh x và y tương ứng các hướng x và y Phổtrong mô hình được mô tả bằng bước xác định của hướng  và bước tần số /

- Sơ đồ quá trình truyền sóng

Các sơ đồ được sử dụng trong SWAN dựa trên cơ sở có tính năng mạnh, sátthực tế và mang tính kinh tế Do vậy, sơ đồ được sử dụng là dạng hàm ẩn trong cảkhông gian địa lý và không gian phổ, thêm vào đó là phép xấp xỉ trung tâm trongkhông gian phổ

19

SWAN bao gồm ba sơ đồ :

* Sơ đồ BSBT (backward space - backward time):

Sơ đồ này tính cho cả trường hợp sóng ổn định và sóng không ổn định

* Sơ đồ S&L

Sơ đồ dạng này được sử dụng trong điều kiện sóng ổn định Thời gian có thể

bỏ đi như một biến, các bước lặp vẫn được tiến hành như trước

2.1.3 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Trong SWAN, điều kiện biên trong không gian địa lý và không gian phổ làbiên hấp thụ đầy đủ với năng lượng sóng đi ra khỏi miền tính hoặc vào bờ Trên cácbiên hở, năng lượng của sóng tới được cho bởi người sử dụng Đối với vùng ven bờđiều kiện biên được cho dọc biên nước 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 hưởng làvùng tam giác với đỉnh tại góc giữa biên nước sâu và biên bên, phân tán tới bờ tronggóc từ 30º tới 45º trên hướng truyền của sóng nước sâu Để khắc phục vấn đề này thìbiên bên nên lấy ở xa vùng cần tính để tránh những lỗi trong vùng tính

Các tham số tính toán liên quan tới sóng được sử dụng trong đầu vào và đầu racủa mô hình (sử dụng các ký hiệu trong chương trình tính) gồm có: Hsign-độ caosóng hữu hiệu, Hswell–độ cao sóng hữu hiệu sóng lừng, TM01–chu kỳ sóng trungbình tuyệt đối, TM01 – chu kỳ sóng trung bình, Dir–hướng sóng trung bình, Pdir–hướng đỉnh phổ và một số tham số khác.

Các biên của lưới tính là biên cứng (đất) hoặc biên lỏng (nước) Trong trườnghợp biên cứng được cho là: không tạo sóng và hấp thụ toàn bộ năng lượng của sóngtruyền tới Trong trường hợp biên lỏng các điều kiện sóng được cho trên biên Trongtrường hợp không có các số liệu trên biên lỏng có thể chọn giả thiết không có sóng đivào vùng tính qua biên đó và sóng có thể đi ra phía ngoài một cách tự do Các điềukiện ban đầu được cho như sau:

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

21

Hình 2.1: Sơ đồ khối mô hình SWAN

2.2 Bổ sung tiêu tán năng lƣợng sóng do cây trong mô hình SWAN [6]

Bổ sung sự tiêu tán năng lượng bởi cây thực vật nghĩa là phải đưa thêm mộthạng mới vào phương trình Với sự bổ sung này mô hình diễn tả quá trình tiêu tánnăng lượng sóng bởi cây thực vật, trong đó thực vật có thể được thay đổi theo chiềungang, và chiều thẳng đứng

S  Sin  Snl3  Snl4  Sds, w  Sds,b  Sds,br  Sds,veg,i

22

Trong đó S là hàm nguồn, Sin là năng lượng gió truyền cho sóng, Snl3 là tương tácsóng bậc ba, Snl4 là tương tác sóng bậc bốn ; Sds,w là mất mát năng lượng do sóngbạc đầu ; Sds,b là mất mát năng lượng do ma sát đáy ; Sds,br mất mát năng lượng doảnh hưởng của độ sâu địa hình ; Sds,veg,i là mất mát năng lượng do cây ngập mặnđược đưa vào mô hình.

Tiêu tán năng lượng do rừng ngập mặn được tính theo phương pháp củaDalrymple (1984) Theo phương pháp này phân bố năng lượng tiêu tán trên một đơn

vị diện tích được tính theo công thức:

2

3Trong đó:

- : là mật độ nước biển

- CD: là hệ số tiêu tán

- bv: là đường kính cây

- Nv: là số cây trên một đơn vị diện tích

- αh: là chiều cao cây

Trong đó I là số lớp cây ngập mặn, i là lớp được xem là có sự tiêu tán năng lượng

Công thức trên được mở rộng tính theo phổ tần, hướng và theo các lớp độ sâu như sau:

Trong đó : - h: là tổng độ sâu nước

- i: là tỉ lệ của lớp nước i so với h

I

i  1

i1

Như vậy năng lượng tiêu tán do rừng ngập mặn được tính theo phân bố theomặt rộng và trên mỗi đơn vị diện tích có hiệu ứng như phân bố mật độ của thực vậttrên một trường và có tính đến ảnh hưởng theo chiều thẳng đứng của các tham số đặctrưng.

24

2.2.1 Sự biến thiên của cây theo phương ngang

Tiếp theo công thức đồng nhất, cây có thể dễ dàng được thay đổi theo phươngngang theo các cách thức sau:

Hình 2.2 Minh họa cho rừng biến đổi theo phương ngang

Đối với khu vực tính toán không có cây ngập mặn Cd= 0, Nv= 0, bv= 0, αh= 0.Đối với các khu vực khác có cây ngập mặn thì tham số cây cũng được xác định chotừng vùng riêng rẽ

2.2.2 Biến đổi cây theo phương thẳng đứng

Để bổ sung sự biến đổi đặc điểm của cây theo phương thẳng đứng cần phảiđơn giản hóa phân bố thẳng đứng của vận tốc quỹ đạo theo phương ngang

Hình 2.3 Sự phân bố thẳng đứng của tốc độ quỹ đạo thẳng đứng cho

a.Vùng nước nông và b.Vùng nước chuyển tiếp.

25

Theo Baptist (2005), dạng cấu trúc dòng chảy sau đây được tìm thấy trong rừng ngập mặn khi có dòng chảy.

Hình 2.4 Profile vận tốc khi mật độ cây đồng nhất, k là độ cao cây (Baptist 2005)

SWAN là mô hình trung bình độ sâu, bởi vậy sự phân bố vận tốc quỹ đạongang theo phương thẳng đứng được xem như profile đồng dạng

Hình 2.5 Profile tốc độ quỹ đạo ngang

Khi cây được chia thành nhiều lớp thì sự tiêu tán tổng cộng sẽ bằng tổng cáctiêu tán thành phần Có thể bổ sung cây thay đổi theo phương thẳng đứng, bằng cáchđưa tham số cây khác nhau cho mỗi lớp

Hình 2.6 Sơ đồ phân bố lớp cây ngập mặn [6]

Tuy nhiên, áp dụng tham số cây không đồng nhất theo phương thẳng đứng thìprofile vận tốc quỹ đạo ngang thực sự không còn đồng nhất nữa Ví dụ: mặt cắt củadòng chảy trong trong một lớp với 1000 thân cây với đường kính mỗi thân là 5 mm

sẽ khác với mặt cắt chỉ với 3 thân cây với đường kính 100 mm tạo ra các giá trị tiêután năng lượng khác nhau Trong SWAN, tiêu tán năng lượng tổng cộng là giá trịtrung bình theo độ sâu, bởi vậy sự đóng góp khác nhau của mỗi lớp có thể được thêmvào để tạo ra lượng tiêu tán năng lượng tổng cộng

27

CHƯƠNG 3 - ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAN TÍNH TOÁN SUY GIẢM SÓNG

DO RỪNG NGẬP MẶN TẠI KHU VỰC CỬA TRÀ LÝ – THÁI BÌNH

3.1 Đặc điểm địa hình, hải văn của khu vực nghiên cứu

3.1.1 Đặc điểm địa hình và lưới tính

Hình 3.1 Vị trí khu vực nghiên cứu vùng ven bờ cửa Trà Lý

Vùng nghiên cứu được chỉ ra trong hình trên, dọc theo bờ biển bao gồm bãibùn (độ dốc 1:2000) hướng ra khơi và được tạo bởi lượng phù sa được mang ra từsông Thái Bình Một phần của bờ biển được bảo vệ bởi vành đai rừng ngập mặn đãtrưởng thành

Để thực hiện việc tính toán quá trình lan truyền sóng trong khu vực nghiêncứu cần sử dụng hai loại số liệu gồm số liệu độ sâu và số liệu các đặc trưng sóng tiêubiểu Các số liệu độ sâu và đặc trưng sóng được lấy từ đề tài “Nghiên cứu và phát

triển ứng dụng công nghệ dự báo ngắn hạn các yếu tố thủy văn Biển Đông” doTS.Nguyễn Minh Huấn chủ trì [2].

Hình 3.1b Trường số liệu điểm sâu

Lưới tính ở khu vực nghiên cứu là các lưới rất chi tiết với biên phía ngoàimiền tính của mô hình cho toàn bộ vùng cửa sông, phía trong là miền tính chi tiết củakhu vực cần quan tâm, các kết quả của mô hình cho lưới tính thô sẽ được dùng làmđiều kiện biên cho lưới tính tinh

Lưới tính thô: là lưới vuông, có tọa độ địa lý trong khoảng 106032’ đến

106050’E và 20020’ đến 20037’N Miền tính chi tiết cho toàn bộ vùng tính kích thước32,56 km theo chiều dọc bờ và khoảng 30,8 km theo chiều vuông góc từ bờ ra phíangoài khơi Toàn bộ vùng tính của miền này được chia làm 297 x 281 điểm tính, vớikích thước của các ô lưới 110 m 110 m

29