6.4. Phân bố sóng ngắn hạn và dài hạn (Phân bố sóng theo mẫu và tổng thể)
6.4.1. Phân bố sóng ngắn hạn (theo mẫu)
Chuyển động trên mặt biển là chuyển động ngẫu nhiên, mực nước cũng là biến ngẫu nhiên. Một cách tổng quát, mực nước chỉ có thể đo ở những điểm cố định và mực nước là một hàm số ngẫu nhiên của thời gian. tài liệu này có thể xây dựng biểu đồ với khoảng thời gian năm, một số năm hoặc thậm chí hàng thập kỷ. Tuy nhiên, đường quá trình này lại rất khó sử dụng. Việc thống kê số liệu vào những biểu thích hợp vừa không làm mất số liệu, vừa đạt được mục đích xác định các thông số thống kê.
Việc xác định thông số thống kê cũng chỉ cần những đoạn xác định trên biểu, ở đó có điều kiện mặt biển ổn định (ít nhất trong vòng vài giờ). Việc xác định tần số cũng trong thời khoảng đã xác định sẽ giúp cho việc tính được các thông số giúp cho thiết kế công trình vùng biển.
Các thông số nào cần thiết trong thiết kế? Công tác thiết kế các công trình vùng ven biển cần chiều cao sóng, do vậy phân bố của chiều cao sóng là rất quan trọng. Trong các thông số thống kê thì giá trị trung bình là dễ xác định nhất. Trong thiết kế công trình, các sóng bé thường kém quan trong mà giá trị trung bình của 1/3 số sóng lớn nhất thường có ý nghĩa lớn hơn. Giá trị này được được gọi là chiều cao sóng hiệu quả và ký hiệu là Hs. Các so sánh giá trị Hs tại các trạm cố định và từ số liệu quan trắc
bằng mắt thường thấy rằng các giá trị này rất gần nhau. Các chuyên gia nhiều kinh nghiệm có thể đoán biết trị số Hs khá chính xác khi quan sát bằng mắt.
Một tham số đặc trưng chiều cao sóng khác được sử dụng liên quan tới năng lượng sóng là căn bậc 2 bình phương chiều cao sóng. Với nhóm N sóng, nó được xác định như sau:
Hrms = ∑
= N
i
i N
H
1
2/ (6.20)
Tương tự, chu kỳ sóng, giá trị trung bình chu kỳ các sóng hiệu quả cũng là các đặc trưng thống kê cần thiết.
Giá trị Hs xác định từ tài liệu sóng bị ảnh hưởng do thời đoạn quan trắc. Có thể minh họa như sau: Với biển nhỏ hoàn toàn không bị che chắn khi có gió nhỏ thổi trong một thời gian dài thì chiều cao sóng tương đối ổn định sẽ hình thành. Tuy nhiên, nếu có một trận bão với tốc độ gió lớn xảy ra chỉ trong vòng nửa giờ thì chiều cao sóng sẽ rất lớn. Nếu xác định chiều cao sóng hiệu quả (Hs) trong thời gian 1 ngày thì ảnh hưởng của trận bão sẽ ít nhiều bị cắt xén. Mặt khác, chiều cao sóng hiệu quả khi tính cho thời đoạn giờ thì sẽ bao gồm được con bão và giá trị của nó tăng lên.
Thời gian cần thiết để xác định Hs cần phải đủ dài để xác định giá trị trun g bình (20 phút là ngắn nhất), nhưng cũng không lấy quá dài để điều kiện sóng không thay đổi quá lớn trong thời đoạn quan trắc. Thông thường, chiều cao sóng hiệu quả được xác định trong khoảng 3, 6 hoặc 12 giờ, trong đó thời đoạn 6 giờ thường phổ biến nhất.
Một điều chưa hoàn toàn thực chất của các tham số này, chẳng hạn Hs chỉ là trị số tính được trên cơ sở số liệu quan trắc được. Sẽ là thực chất nếu phân bố của chiều cao sóng hoàn toàn là ngẫu nhiên. Thật may mắn, rất nhiều quá trình ngẫu nhiên, có thể mô phỏng bằng các hàm lý thuyết với những tính chất xác định. Chẳng hạn, nếu một biến số có phân bố Gaussian thì tất cả các thông tin thống kê được thể hiện ở 2 tham số: Giá trị trung bình và khoảng lệch quân phương.
Thật may mắn, với một độ chính xác có thể chấp nhận được, chiều cao sóng ngẫu nhiên có thể mô tả theo phân bố lý thuyết của Rayleigh. Phân bố này là phân bố một tham số, chẳng hạn Hrms hoặc Hs . Thông thường Hs được lựa chọn như biến số. Trong trường hợp chọn Hs như là biến số thì phân bố Rayleigh của nó sẽ là:
e
=
P(H) H )
( H 2 -
s 2
(6.21) Trong đó:
P(H) Tần suất ứng với chiều cao sóng H Hs Chiều cao sóng hiệu quả
e Cơ số logarit tự nhiên.
Một số tần suất là hàm số của Hs cho trong bảng 6-3. Có thể sử dụng công thức (6-21) để xây dựng các giấy xác suất để chuyển quan hệ thành dạng tuyến tính. Hình 6-9 là một trong những loại giấy như vậy.
Bảng 6.3: Các giá trị H/Hs ứng với các tần suất khác nhau P(H)
Tần suất H/Hs
10-5 2.400
10-4 2.150
10-3 1.860
0.010 1.510
0.050 1.220
0.100 1.070
0.135 1.000
0.200 0.898
0.500 0.587
1.000 0.000
Rõ ràng rằng, hoặc sử dụng bảng hoặc dùng công thức hoặc sử dụng biểu đồ vẽ trên giấy tần suất, chúng ta có thể xác định được tần suất của bất kỳ chiều cao sóng nào.
Chẳng hạn, theo phân bố Rayleigh ta tìm được có 13.5% số con sóng lớn hơn hoặc bằng chiều cao sóng hiệu quả Hs và chiều cao sóng H1% = 1.5 Hs.
Một số quan hệ thường gặp trên cơ sở phân bố của Rayleigh là:
Hs = 1.414 Hrms = √2 Hrms
Hmean = 0.886 Hrms Hs = 1.596 Hmean
Hình 6.9: Giấy tần suất của Reyleigh
Sử dụng giá trị Hs, chúng ta có thể mô tả trường sóng ở một thời điểm xác định. Thay vì sử dụng Hs và Ts để mô tả trường sóng tại một thời điểm xác định, ta cũng có thể mô tả trường sóng bằng phổ sóng. Trong phổ sóng, phân bố năng lượng sóng là hàm số của mộy chu kỳ xác định. Phổ sóng không đươcvj trình bày trong giáo trình này, nhưng sẽ được trình bày trong giáo trình “Sóng đại dương”.