Chương 10: HÌNH THÁI HỌC BỜ BIỂN
10.4. Sự thay đổi của đường bờ và trạng thái cân bằng của đường bờ
Khi nghiên cứu chuyển vận bùn cát vùng bờ, cần phải phân chia bùn cát chuyển động vuông góc với bờ và bùn cát chuyển vận song song với đường bờ (hình 10-7). Vận chuyển vuông góc hay dọc bờ được qui định bởi điều kiện thủy lực và hình thái.
Chuyển động vuông góc với bờ chủ yếu do hiện tượng chảy xoáy và trong trường hợp sóng vỡ là do dòng rút dưới đáy. Trọng lực dọc theo mặt bãi đóng vai trò chính. Dòng chảy song song với bờ hay còn gọi là dòng ven bờ là dòng hình thành do bức xạ sóng tới tạo góc xác định so với đường bờ. Chuyển động vuông góc với đường bờ thông thường bao gồm tổng hợp của dòng đáy và dòng lơ lửng.
Hình 10-7: Dòng ven bờ và dòng vuông góc với bờ
Bản thân chuyển động của bùn cát không hề gây nên thay đổi về địa hình vùng bờ. Chỉ khi xuất hiện gradient theo hướng dọc hoặc hướng ngang (∂S/∂x,∂S/∂y) thì sẽ có
hiện tượng xói hoặc bồi. Nếu xuất hiện gradient hướng ngang thì bãi hoặc dốc hơn hoặc thoải hơn, còn gradient hướng dọc sẽ xảy hiện tượng bồi hoặc xói của bờ biển.
Trong chương 6, chúng ta đã thấy hiện tượng sóng không vỡ trong vùng nước nông thể hiện dạng đối xứng của các xoáy nước gần đáy. Lưu tốc gần bờ thường cao hơn ngoài xa. Mặc dù, thời gian duy trì lưu tốc gần bờ ngắn, nhưng quan hệ năng lượng giữa bùn cát vận chuyển và lưu tốc (xem phương trình 10-4) là nguyên nhân gây ra lượng bùn cát vận chuyển hướng ngang.
Sóng vỡ là nguyên nhân gây ra khối nước vận chuyển hướng ngang tạo nên hiện tượng nước dâng do sóng trong vùng sóng vỡ. Quá trình này cuối cùng dẫn tới hiện tượng dòng rút dưới đáy hướng ra xa bờ. Vì có một khối lượng lớn bùn cát lơ lửng trong vùng sóng vỡ do dòng rối gây ra, dòng đáy mang đi một khối lượng lớn bùn cát ra xa bờ.
Hình dạng mặt cắt ngang là kết quả của hiện tượng cân bằng động theo hướng ngang.
Hình dạng mặt cắt được đặc trưng bằng độ dốc bãi biển. Độ dốc này phụ thuộc vào chiều cao sóng, cỡ hạt và khoảng cách đến mép nước. Sóng lớn, hạt bùn cát mịn sẽ cho bãi biển thoải, ngược lại sóng nhỏ, hạt thô sẽ cho bãi biển dốc hơn.
Dựa trên một khối lượng lớn các số liệu quan trắc, Wiegel (1964) đã xây dựng quan hệ giữa độ dốc bãi với đường kính hạt trung bình với các điều kiện sóng khác nhau (hình 10-8).
Hình 10-8: Quan hệ độ dốc bãi với đường kính hạt trung bình Wiegel (1964) Dean (1983) đưa ra phương trình mô tả cắt ngang động bãi biển như sau:
h = A ym (10.6)
trong đó h là độ sâu nước ở khoảng cách y từ đường bờ. Rất nhiều nhà nghiên cứu đã cải tiến công thức trên và đưa thêm vào các đại lượng A và m đặc trưng cho đường kính hạt, sóng khí hậu, mực nước và dòng triều. Giá trị của m = 2/3, trong khi giá trị
A = B d1/3, với d là đường kính hạt. Vellinga (1984) đưa ra công tính độ dốc bãi biển chịu ảnh hưởng tự nhiên của gió bão (xem trên hình 10-9):
2 ] 18 0268)
. (0 6) . [(7 4714 . 0 6) .
(7 = 1.28 w 0.56x+ 0.5−
y H
Hso so .0 (10-7)
trong đó:
Hso = Chiều cao sóng hiệu quả ngoài nước sâu (m)
w = Tốc độ lắng chìm của cát biển khi nhiệt độ nước ở 5°C (m/s) x = Khoảng cách ngang bờ biển
y = Độ sâu liên quan đến mặt cắt cân bằng động.
Hình 10-9: Mặt cắt bãi khi bị xói mòn các đụn cát
Phương trình 10-8 biểu diễn mặt cắt ngang từ mép nước (x=0, y=0) tới điểm tại đó chuyển từ độ dốc bãi sang độ dốc đáy biển dốc hơn với m > 12.5. Tọa độ đó tính như sau:
56 . 0 28
.
1 0.0268)
( 6) . (7
250 w
x= h
H H
y ) 0.75
6 . (7 717 .
5 =
= (10-8)
Trong thực tế, đường cong của Dean có thể thay bằng đáy dốc thẳng tính từ mép nước tới điểm có sự thay đổi đột biến của đáy biển.
Vì chiều cao sóng thay đổi theo mùa, nên mặt cắt ngang cũng thay đổi theo mùa và nó có tên là mặt cắt mùa đông và mùa hè. Với các con bão lớn gây nên hiện tượng nước dâng sẽ tạo nên mặt bãi khá thoải do lượng cát tại các đụn cát ven biển bị lôi xuống bãi. Nếu như không có hiện tượng mất cát thì mặt cắt trước bão sẽ được thiết lập lại sau một khoảng thời gian dài sau đó.
Theo cách này, trong một khoảng thời gian ngắn mặt cắt ngang bị thay đổi rất lớn và đó là sự thay đổi cục bộ không giống với hiện tượng xói do các công trình bảo vệ bờ biển gây ra – hiện tượng xói do dòng ven bờ gây ra. Tuy nhiên không thấy sự khác nhau giữa xói công trình và xói cục bộ nếu nhìn trên mặt nước. Mặt cắt ngang và hiện tượng xói ngang sẽ trình bày kỹ hơn trong phần 10-4.
Chênh lệch độ dốc dọc bờ do sóng đến với các hướng khác nhau gây ra, chiều cao sóng, bùn cát trên bãi biển, gió và dòng do gió gây ra (hình 10-10)