Mô hình hai chiều tính dòng chảy do sóng khu vực gần bờ luận án pts cơ học 2 02

MỤC LỤC Trang Me dau l Chương 1: Tổng quan về dòng chảy và sóng khu vực gần bờ 4 1.1- Dòng chảy khu vực gần bờ 4 i.1- Dòng chảy do sóng 4 1.3- Dòng chảy do gió 7 1.4- Dòng chảy do sóng ria và sóng dài trọng trường 9 1.2- Trường sóng khu vực gần bờ 9 1.1- Hiệu ứng biến dạng và khúc xạ 9 1.2- Hiệu ứng nhiễu xạ 14 1.3- Hiệu ứng phản xạ 16 Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình tính dòng chảy sóng gần bờ 18 2.1- Ứng suất bức xạ sóng 18 2.2- Mô hình một chiều tính dòng chảy sóng dọc bờ của Longuet-Higgins 22 2.3- Mô hình hai chiều tính dòng chảy sóng gần bờ 27 Chương 3: Xây dựng mô hình hai chiều tính dòng chảy sóng gần bờ 30 3.1- Sơ đồ khối của mô hình 30 3.2- Sai phân hóa và viết chương trình 31 3.3- Kiểm chứng mô hình qua bài toán mẫu 33 3.4- Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình trong điều kiện thực tế 39 Chương 4: Áp dụng mô hình hai chiều tính dòng chảy sóng trong điều kiện thực tế 45 4.1- Áp dụng tính cho vùng biển Lý Hòa-Quảng Bình 45 4.2- Áp dụng tính cho vùng biển Hải HẠu-Nam Định 56 Kết uận 61 Tai iéu tham khao 62 MỞ ĐẦU Vùng biển gần bờ là một khu vực có các yếu tố động lực biển hết sức phức tạp dưới tác động tổng hợp của hàng loạt các quá trình vật lý như: sóng, dòng chảy, mực nước, vận chuyển bùn cát, bồi xói bờ biển wv. va các đặc điểm hình thái như: địa hình đáy biển, bờ biển. Đồng thời vùng biển gần bờ cũng được chúng ta quan tâm và khai thác triệt để thông qua các hoạt động khai thác nguồn lợi ven biển, xây dựng công trình biển ven bờ, giao thông vận tải, du lịch biển. Một chính sách quản lý thích hợp vùng biển gần bờ phải được dựa trên sự hiểu biết về các quá trình thuỷ thạch, động lực diễn ra ở đây.

Như vay chung ta sé giảm thiểu được sự rủi ro và những hậu quả nghiêm trọng xảy ra trong quá trình khai thác ở vùng biển giàu tiểm năng kinh tế này. Để làm được như vậy, nhiệm vụ quan trọng là phải tìm ra các quá trình động lực biển đóng vai trò chủ đạo, nâng cao sự hiểu biết về chúng và xây dựng các mô hình tính toán. Một trong những vấn đề cần được quan tâm nghiên cứu là quá trình bồi tụ, xói lở và biến động bờ biển. Động lực chính chỉ phối quá trình này là sóng và dòng chảy do sóng ở khu vực gần bờ [12], cùng với các quá trình động lực khác như mực nước, dòng triều, dòng chảy gió.

Công cụ đắc lực hiện nay dùng để mô tả trường sóng và dòng chảy do sóng ở khu vực gần bờ là các mô hình số trị một chiều (1D) và hai chiều (2D). Trên thế giới mô hình tính dòng chảy sóng được phát triển từ những năm J970. Mô hình 1D tính dòng chảy sóng dọc bờ được Longuet Hinggins công bố trong các năm (1970, 1972) [5]. Phương pháp tính dòng chảy sóng dọc bờ theo ứng suất bức xạ sóng cũng được sử dụng trong phần mền UNIBEST-LT xây dựng vào năm 19906].

Mô hình 2D tính dòng chảy sóng lần đầu tiên được Noda công bố vào năm 1972. Ebersole và Dalrymple (1979,1980) đã phát triển mô hình dòng chảy sóng 2D có tính đến trao đổi rối ngang và áp dụng tính toán trong trường hợp có các công trình trên biển. Trong nước ta hiện nay mô hình tính dòng chảy sóng dọc bờ 1D cũng đã được áp dụng cho một số công trình và đề tài nghiên cứu khóa học, trong đó đã áp dụng tính toán dòng vận chuyển bùn cát phục vụ xây dựng công trình biển ven bờ thuốc đề tài cấp nhà nước KHCN 06. Về mô hình dòng chảy sóng 2D chưa được nghiên cứu nhiều, mới bước đầu tiến hành tính dòng chảy sóng 2D vùng gần bờ trong trường hợp không có trao đổi rối ngang thuộc khuôn khổ dé tai cấp cơ sở - viện Cơ học năm 2001 [2].

Việc bảo vệ các công trình ven biển, phòng chống xói lở, sa bồi và dự báo biến động đường bờ ở nước ta hiện nay đang là một vấn để bức xúc. Tại những vùng xói lở mạnh như vùng ven biển Hải Hậu-Nam Định, Thuận An-Huế, Lý Hoà-Quảng Bình, Gành Hào-Sóc Trăng. hàng năm chúng ta phải đầu tư một lượng tiền của và công lao động rất lớn để duy trì các hệ thống đê biển và công trình bảo vệ bờ biển. Trong khi đó tại các vùng khác cũng đang phải chống chọi với hiện tượng sa bồi, như vùng luồng ra vào cảng Hải Phòng, cửa Định An vv.

Vấn đề đặt ra là phải có được cơ sở khoa học cho các giải pháp tối ưu, tiết kiệm tiền của và nâng cao hiệu quả khai thác công trình. Chính những lý do trên, luận văn tốt nghiệp cao học đã chọn để tài “ Mô hình hai chiều tính dòng chảy do sóng khu vực gần bờ” làm hướng nghiên cứu, với mục tiêu trước mắt là xây dựng mô hình 2D tính dòng chảy do sóng tại khu vực gần bờ có tính đến trao đổi rối ngang và áp dụng tính toán trong các điều kiện địa hình tự nhiên và trong điều kiện có công trình. Mục tiêu lâu dài của đề tài là dựa trên cơ sở mô hình dòng chảy sóng để xây dựng mô hình 2D tính toán biến động đáy biển và bờ biển tại các khu vực gần bờ. Luận văn bao gồm : ¢ Mo dau, Chuong 1: Téng quan vé dong chay va sóng khu vực gần bờ, Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình tính dòng chảy sóng gần bờ, Chương 3: Xây dựng mô hình hai chiều tính dong chảy sóng gần bờ, Chương 4: Áp dụng mô hình hai chiều tính dòng chảy sóng trong điều kiện thực tế, ® Kết luận.

Các chương đề cập đến những nội dung chính như sau: Chương 1, khái niệm khu vực gần bờ, các dạng tồn tại và phân bố dòng chảy, các hiệu ứng sóng và phân bố trường sóng. Chương 2, thiết lập công thức tính ứng suất bức xạ sóng, giới thiệu mô hình 1D của Longuet-Hinggins và mô hình 2D tính dòng chảy sóng với các điều kiện biên, điều kiện ổn định và điều kiện dừng. Chương 3, các bước xây dựng mô hình 2D, kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình qua bài toán mẫu và trong điều kiện thực tế tại vùng biển Phan Rí-Bình Thuận. Chương 4, áp dụng mô hình 2D tính toán trong điều kiện thực tế tại vùng biển Lý Hoa-Quang Binh va Hai Hau-Nam Dinh.

Qua đây tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành vẻ sự giúp đỡ tận tình của thay giáo hướng dẫn, TS. Nguyễn Mạnh Hùng; sự quan tâm, tạo điều kiện của Trung tâm hợp tác đào tạo và bồi dưỡng cơ học; phòng Cơ học biển; viện Cơ học cùng các đồng nghiệp trong cơ quan đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Chương 1 TONG QUAN VE. DONG CHAY VA SONG KHU VUC GAN BO 1.1- Dòng chảy khu vực gần bờ Khu vực gần bờ được xác định là khu vực từ mép nước khi có sóng, bao gốm cả mực nước dâng do sóng và sóng leo đến độ sâu khoảng 2 lần độ cao sóng cực đại năm.

Độ sâu này cũng được gọi là độ sâu gianh giới của các biến động đáy và bờ biển do sóng (đepth of closure) [7]. Với cách xác định nêu trên khu vực gần bờ là khu vực tác động của dải sóng đổ, là khu vực xảy ra các biến động bờ và đáy biển. Dòng chảy tại khu vực gần bờ là đòng chảy tổng hợp của các loại đồng chảy do các yếu tố động lực biển gây ra. Dòng chảy tổng cộng khu vực gần bờ được biểu thị thông qua các dòng chảy thành phần như sau [7]: U=U,+U,+U,+U,+U, (1.1) Trong đó: „ dòng chảy do sóng, U, dong triéu, U, dong chay do gid, U, dong chay do dao động của sóng rìa ven bờ và ; dòng chảy do sóng trọng trường.1- Dòng chảy do sóng 2 Dòng chảy do sóng khi sóng truyền không thẳng góc với đường bờ thường chiếm ưu thế tại vùng gần bờ.

Ngoài ra dòng triều, dòng chảy sông (tại các vùng cửa sông) và dòng chảy ổn định do gió cũng có các vai trò nhất định trong dòng chảy tổng cộng vùng gần bờ. Dòng chảy do sóng được sinh ra do gradient của thông lượng mô men sóng (ứng suất bức xạ sóng) khi truyền vào vùng ven bờ. Ứng suất bức xạ sóng tỷ lệ với bình phương của độ cao sóng, do vậy rất dễ hiểu là tại dải sóng đồ trở vào bờ, khi độ cao sóng giảm đáng kể do hiệu ứng sóng đổ, gradien dòng năng lượng sóng sẽ lớn nhất nên tạo ra dòng chảy sóng chiếm ưu thế đối với các thành phần dòng chảy khác. Từ điểm sóng đổ trở ra khơi dòng chảy sóng sẽ giảm rất nhanh và phụ thuộc ao hiệu ứng trao đổi rối ngang (lateral friction).

Từ dải sóng đổ trở vào bờ do quá trình sóng vỡ, chuyển động hỗn loạn tăng tạo ra quá trình trao: đổi rối ngang mạnh, cộng với dòng chảy dọc bờ do sóng nên lượng bùn cát chủ yếu được vận chuyển trong khu vực này. Dòng chảy do sóng có thể là dòng chảy có hướng song song với bờ và thẳng góc với bờ. Dòng chảy do sóng theo hướng song song với bờ thường ổn định và khá đồng nhất trên toàn cột nước do tác động xáo trộn rất mạnh của sóng trong vùng sóng đổ. Khác với dòng chảy sóng dọc bờ, dòng chảy sóng ngang bờ thay đổi mạnh theo các tầng nước.

Lượng nước chuyển động theo hướng truyền sóng vào phía bờ sẽ dược tập trung tại các đỉnh và bụng sóng. Do không có dòng vận chuyển khối nước tịnh về phía bờ, nên lượng vận chuyển nước về phía bờ tại đỉnh sóng sẽ được cân bằng với lượng vận chuyển nước theo hướng ra khơi tại bụng sóng và tạo ra dòng chảy ngược từ bờ ra khơi rất mạnh tại tầng đáy (có thể đạt tới 8-10% ca Jed )[9]. Phân bố thẳng đứng của dòng chảy ngược ra khơi được xác định bởi sự cân bằng giữa ứng suất bức xạ sóng, lực gradien của áp suất mặt nước nghiêng (mực nước dâng do sóng) và lực trao đổi rối thẳng đứng. Như vậy dòng chảy sóng theo hướng ngang bờ rất phức tạp và thường là có độ phân tầng rất mạnh theo độ sâu.

Trong trường hợp địa hình đáy biển ở vùng ven bờ phức tạp với các hệ bar sẽ tạo ra dòng chảy đứt đoạn. Dòng chảy đứt đoạn được hình thành bởi dòng chảy sóng dọc bờ, tăng dần từ đỉnh bar và đạt cực đại tại gianh giới giữa các bar và chuyển hướng ra khơi.