GENESIS - Mô hình số trị mô tả biến đổi đường bờ

Chia sẻ: 326159487 326159487 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:75

Thêm vào BST

Báo xấu

106
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Biến động đường bờ là một trong những vấn đề chính trong kỹ thuật bờ biển; không nhữngcó ý nghĩa về mặt kỹ thuật dân dụng mà còn là một bài toán thu hút những nhà khoahọc tự nhiên, khoa học Trái đất. Để khảo sát quá trình biến đổi này, mô hình toán tỏ ralà một công cụ có ích.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: GENESIS - Mô hình số trị mô tả biến đổi đường bờ

Chương 1 Tóm t t lý thuy t mô hình 1.1 S c n thi t mô hình hoá di n bi n đư ng b B o v đư ng b và n đ nh đư ng b là nh ng nhi m v trung tâm trong lĩnh v c k thu t b bi n. S bi n đ i bãi bi n b chi ph i b i các y u t gió, sóng dòng ch y, m c nư c, đ c trưng bùn cát và ngu n cung c p. Đ d báo di n bi n b bi n gây ra b i m t quá trình ph c t p như v y; r t c n m t công c h u ích như mô hình toán. Không nh ng nó cho k t qu khách quan mà còn là công c h tr tính toán cho nh ng k ch b n khác nhau trong các d án phát tri n. Dù v y, c n nh n th c r ng mô hình toán không th hoàn toàn thay th vai trò c a k thu t viên v n hành mô hình và h có trách nhi m v k t qu cu i cùng. 1.2 Kh năng c a mô hình GENESIS là mô hình “đư ng đơn”, nghĩa là hình d ng m t c t ngang b không đ i mà ch d ch chuy n theo chi u ngang. Tuy v y, s gi n hoá này l i khó phù h p trong th c ti n. Trong cách mô ph ng này các đư ng đ ng m c đáy luôn song song v i nhau và do đó ch c n đư c đ i di n b i m t đư ng cong duy nh t, đó là đư ng b . V i m t s gi thi t phù h p, GENESIS có th đư c dùng cho các bãi bi n cát đ phân tích các ph n ng c a đư ng b dư i tác d ng c a sóng trong nhi u bài toán k thu t. Mô hình d đoán v trí c a đư ng b bi n đ i trong kho ng th i gian t vài tháng đ n vài năm; và thích h p nh t đ i v i nh ng trư ng h p có m t xu hư ng bi n đ i đư ng b dài h n và có quy lu t, ch ng h n s thoái lui đư ng b phía khu t c a m t đ p m hàn ho c s phát tri n c a đư ng b phía sau m t đ p phá sóng. Kho ng th i gian mô ph ng ph thu c vào các đi u ki n sóng và v n chuy n bùn cát, đ chính xác c a các đi u ki n biên, tính ch t c a d án và m c đ g n gi ng c a bãi so v i v trí cân b ng. Ngay sau khi xây d ng công trình, bãi bi n đã b thay đ i nhi u so v i tr ng thái cân b ng c a nó. Trong trư ng h p này thay đ i do gia di n v n chuy n cát d c b l n hơn nhi u so v i do bão và nh ng thay đ i theo mùa. Di n bi n kéo dài vài năm 5
CHƯƠNG 1. TÓM T T LÝ THUY T MÔ HÌNH 6 này, khi m t c t đang bi n đ i gi a hai v trí cân b ng, đư c GENESIS mô t m t cách hi u qu nh t. Không gian đư c mô ph ng có th bi n đ i t vùng d án đơn l c vài trăm mét đ n d i b bi n dài vài ch c km. C n lưu ý r ng, m c dù ph m vi c a công trình không l n nhưng các đi u ki n có th m r ng trên m t vùng r ng l n hơn nhi u. Trong m t s trư ng h p, ph m vi mô hình có th m r ng tuỳ theo yêu c u xem xét nh hư ng c a mô hình t i các khu v c lân c n. Như đã đ c p trên, mô hình bi n đ i đư ng b đư c xây d ng nh m mô ph ng quá trình bi n đ i dài h n c a đư ng b trong quá trình ti n t i m t tr ng thái cân b ng. Tr ng thái xáo tr n ban đ u thư ng là do nh ng công trình l n đư c xay d ng, ch ng h n đê ch n cát t i c a sông ho c b n c ng. Mô hình không th mô ph ng đư c các bi n đ ng ng u nhiên c a đư ng b mà không có xu th rõ r t, ch ng h n bi n đ i c a dòng ven b do đi u ki n sóng khác nhau, ho c bi n đ i c a b bi n t i l ch tri u, bi n đ i dòng ch y gây ra do gió, ho c v n chuy n bùn cát ngang b trong các tr n bão. 1.3 So sánh các mô hình bi n đ i đư ng b Các mô hình gi i tích cho các nghiên c u đúng c a m t phương trình vi phân bi u th di n bi n c a đư ng b . Nhưng đ có nghi m đúng, nhi u gi thi t ph i đư c ch p nh n nh m lý tư ng hoá đi u ki n t nhiên. Do đó mô hình gi i tích n u c n, ch đư c áp d ng trong giai đo n ti n kh thi, v i m c đích ch y u là nh n di n xu hư ng phát tri n chính c a đư ng b và nh hư ng c a các y u t như sóng góc t i, đi u ki n biên, đi u ki n ban đ u. Đ n nay các mô hình xói l m t c t có th mô ph ng xói l bãi bi n dư i nh hư ng c a bão (Kriebel và Dean, 1985; Larson, 1988) cũng như bi n đ i m t c t ngang ngay sau khi đ cát nuôi bãi (Larson và Kraus, 1989a). Mô hình này b qua quá trình v n chuy n bùn cát d c b . V nguyên t c, các mô hình di n bi n m t c t và di n bi n đư ng b có th dùng k t h p đ mô ph ng bi n đ i v trí đư ng b c ng n h n l n dài h n. Mô hình bi n đ i đư ng b , như GENESIS, t ng quát hoá t mô hình gi i tích, nhưng xét t i nhi u y u t ph c t p hơn như công trình, sóng, các đi u ki n biên đi u ki n ban đ u... Ngoài ra, các ngu n b sung bùn cát như nuôi bãi, b sung bùn cát t c a sông, ho c các ho t đ ng khai thác cát, v.v. đ u đư c xét đ n. Mô hình 3 chi u mô ph ng thay đ i đ cao, đ đáy theo c hai hư ng: d c b và ngang b ; và do đó g b các gi thi t v hình d ng m t c t ngang không đ i (c a mô hình bi n đ i đư ng b ) và v n chuy n bùn cát không đ i (c a mô hình bi n đ i m t c t). Sóng, dòng ch y, v n chuy n bùn cát cũng đư c xác đ nh trên toàn b lư i tính toán. Mô hình lo i này c n ch y trên nh ng máy tính m nh và đòi h i vi c ki m đ nh mô hình và phân tích đ nh y r t sâu s c.
CHƯƠNG 1. TÓM T T LÝ THUY T MÔ HÌNH 7 1.4 Vai trò c a mô hình bi n đ i đư ng b trong k ho ch d án Mô hình bi n đ i đư ng b liên h ch t ch và có th h tr đáng k cho các giai đo n l p k ho ch d án như trên Hình 1.1. Bư c b : Các d li u thu th p bao g m c nh ng quá trình t nhiên và nh ng y u t g n v i công trình. Chú ý r ng nh ng c u trúc đ a ch t có th gián ti p nh hư ng đ n mô hình bi n đ i đư ng b , ch ng h n s lún s t t i m t v trí nh t đ nh nào đó. Các bư c c-d : GENESIS, qua vi c mô ph ng di n bi n b bi n v i nhi u phương án khác nhau, có th là công c đánh giá các phương án và tìm ra gi i pháp t i ưu cu i cùng. Ch ng h n, trong (Hanson và Kraus, 1986a), có 9 phương án đư c v ch ra nh m h n ch xói mòn bãi bi n t i m t khu ngh mát. Phương án “s không” đư c đ t ra xem xét cùng v i các phương án xây d ng dãy đ p m hàn v i các kích thư c và kho ng cách khác nhau, nuôi bãi v i các kh i lư ng khác nhau, ho c đ p phá sóng. V i m i phương án, kh i lư ng v t li u b bi n s đư c ư c tính, t đó căn c vào gi i pháp k thu t mà ch n ra phương án kh thi nh t. Bư c g : Mô hình bi n đ i đư ng b còn h tr hư ng d n cho k ho ch đo đ c, theo dõi đư ng b . Các khu v c có đư ng b thay đ i m nh m nh t có th xác đ nh, t đó các phương án h p lý nh m đo đ c t i nh ng vùng này (c v m t đ l n t n su t đo đ c).
CHƯƠNG 1. TÓM T T LÝ THUY T MÔ HÌNH 8 Hình 1.1: Các bư c chính trong thi t l p k ho ch và th c hi n d án
Chương 2 Lý thuy t mô hình Chương này nh m gi i thi u lý thuy t mô hình bi n đ i đư ng b nói chung và các bi u th c toán dùng trong GENESIS nói riêng. B t đ u t các gi thi t cơ b n c a mô hình, ti p theo các phép tính v n chuy n bùn cát và di n bi n đư ng b s đư c trình bày. M t đ c đi m c a ph n tính toán sóng cũng đư c xét đ n. Nhưng quan tr ng nh t là nh ng khái ni m riêng c a GENESIS như “ô năng lư ng sóng” và các “mi n v n chuy n” s đư c đi sâu xem xét, bên c nh các đi u ki n biên và công th c v n chuy n nói chung. 2.1 Các gi thi t trong mô hình bi n đ i đư ng b Nhi u quan tr c cho th y m t c t ngang bãi bi n luôn duy trì m t hình d ng đ c trưng c a nó, ch tr khi có bi n đ ng l n như sau các tr n bão. Nhưng thay đ i theo mùa c a m t c t cũng bi n đ i nhi u so v i m t c t đ c trưng “trung bình theo th i gian” nói trên. Pelnard-Considère (1956) đã đ xu t theo m t lý thuy t ph n h i c a đư ng b dư i tác d ng c a sóng, v i m t gi thi t quan tr ng là m t c t ngang bãi chuy n đ ng t nh ti n theo phương ngang trong su t quá trình b i xói. Mô hình này cũng đã đư c ông ki m đ nh trong phòng thí nghi m. V i gi thi t như v y, v trí c a m t c t có th xác đ nh đư c t m t đi m b t kỳ cho trư c trên m t c t; và toàn b đ a hình đáy có th đ c trưng b i m t đư ng đ ng m c duy nh t—thư ng là đư ng mép nư c (đư ng b ). Do đó, mô hình có tên là Mô hình bi n đ i đư ng b hay Mô hình ph n h i đư ng b , hay đơn gi n hơn: Mô hình đư ng đơn theo ý nghĩa bi u di n c a đ a hình đáy thông qua m t đư ng đ ng m c duy nh t. M t gi thi t khác là cát ch đư c v n chuy n g n b trong m t ph m vi đ cao đã đ nh trư c. Gi i h n c a ph m vi này là đ nh th m ho t đ ng, còn gi i h n dư i t i đ sâu mà đó không có s b i/xói đáng k —“đ sâu gi i h n v n chuy n bùn cát”. Vi c h n ch s di chuy n c a m t c t ngangtrong ph m vi nói trên cho ta m t phương pháp đơn gi n xác đ nh chu vi c a ph n m t c t b b i l ng và xói l , t đó ư c tính đư c th bùn cát tăng/gi m đi, tương ng v i nó là s d ch chuy n đư ng b . Trong mô hình, m t công th c v n chuy n bùn cát d c b đư c xác đ nh. Đ i v i bãi bi n m (nhìn ra bi n khơi), lưu lư ng v n chuy n bùn cát là hàm c a chi u cao và hư ng 9
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 10 sóng v . đây không xét đ n chi ti t dòng ch y ven b . Cu i cùng là gi thi t đư ng b có xu hư ng bi n đ i dài h n m t cách rõ r t. Xu hư ng ch đ o này chi ph i s bi n đ ng đư ng b trên n n các “nhi u đ ng” gây ra b i bão, ch đ sóng, thu tri u, v.v. Ch có tác đ ng c a sóng gây ra v n chuy n bùn cát d c b và các đi u ki n biên là nh ng đi u ki n chi ph i bi n đ i đư ng b dài h n. Trong nh ng d án có đ p m hàn, kè hư ng dòng c a sông và đ p phá sóng (đ u gây ra chênh l ch v n chuy n cát d c b ), gi thi t này thư ng đư c tho mãn. Tóm l i, các gi thi t cơ b n c a mô hình bi n đ i đư ng b bao g m: • Hình d ng m t c t bãi bi n không đ i • Gi i h n phía b và phía bi n c a m t c t ngang đ u không đ i • V n chuy n cát d c b gây ra b i sóng v • B qua chi ti t dòng ch y g n b • Có xu hư ng phát tri n đư ng b dài h n Nh ng gi thi t cơ b n làm đơn gi n hoá mô hình t o đi u ki n cho vi c mô ph ng đư c thu n l i hơn. Tuy v y c n lưu ý r ng trong m t s trư ng h p, nh ng gi thi t này có th b vi ph m, ch ng h n khu v c g n công trình. Phía đư c b i c a đ p m hàn s tho i hơn phía m t c t c a bãi trung bình. Trong trư ng h p này m c dù đư ng b bi n bi n đ i phù h p v i th c đo nhưng c n có s di n gi i c n th n v t ng lư ng v n chuy n cát. Bên c nh đó, gi thi t r ng đ sâu v n chuy n bùn cát và đ cao th m không đ i d c su t b bi n là không hoàn toàn phù h p v i th c t và do đó c n th n tr ng l a ch n hai giá tr đ c trưng này cho m i d i b bi n đư c mô ph ng. Dòng v n chuy n bùn cát đư c gây ra b i sóng v do đó s không phù h p trong m t s trư ng h p mà đóng góp c a gió, dòng tri u v.v. là đáng k . GENESIS cũng có th mô ph ng chi ti t dòng ch y và chuy n cát theo phương ngang và phương th ng đ ng, do đó không th mô ph ng các dòng tách b , dòng h i quy, v.v. Xu hư ng bi n đ i dài h n c a đư ng b ch có đư c khi có tác đ ng c a đi u ki n biên ho c m t quá trình mang tính quy lu t như b sung bùn cát c a sông ra ho c thay đ i tr ng thái c a sóng gây ra b i đ p phá sóng xa b . 2.2 Phương trình cơ b n c a bi n đ i đư ng b 2.2.1 Phương trình cơ b n Ch n h to đ Đ -các v i tr c x hư ng song song v i đư ng b và tr c y hư ng vuông góc v i b ra ngoài khơi. Xét đo n đư ng g n b ∆x, trong kho ng th i gian ∆t d ch chuy n m t đo n ∆y . N u ph m vi thay đ i t m t c t là t th m bãi (cao đ Db ) xu ng t i đ sâu gi i h n v n chuy n bùn cát (Dc ) thì thay đ i th tích bùn cát trong th i gian ∆t là: ∆V = ∆x∆y (Db + Dc )
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 11 Trong khi đó, chênh l ch v n chuy n bùn cát (Q) theo hư ng d c b (x), đã d n đ n s thay đ i th tích bùn cát là: ∆Q∆t = (∂Q/∂x)∆x∆t T cân b ng v n chuy n bùn cát ∆V = ∆x∆y (Db + Dc ) = (∂Q/∂x)∆x∆t có xét thêm lư ng b sung bùn cát q theo phương ngang b và chuy n ∆t → 0 ta đư c phương trình vi phân: ∆y 1 ∂Q −q + =0 (2.1) ∆t Db + Dc ∂x Đ gi i phương trình (2.1) c n có v trí đư ng b ban đ u, hai đi u ki n biên cho hai đ u đư ng b , cũng như các giá tr Q, q , Db và Dc . 2.2.2 Lưu lư ng v n chuy n bùn cát V n chuy n cát d c b Công th c tính lưu lư ng v n chuy n cát d c b là: ∂H Q = (H 2 Cg )b a1 sin 2θbs − a2 cos θbs (2.2) ∂x b trong đó: H = Chi u cao sóng Cg = V n t c nhóm sóng trong lý thuy t sóng tuy n tính b = Ch s bi u th đi u ki n tính đư ng sóng v θbs = Góc sóng v t o v i đư ng b Các h s không th nguyên đư c a1 và a2 đư c cho b i: K1 a1 = (2.3) − 1 (1 − ρ) (1,416)5/2 ρs 16 ρ K2 a2 = (2.4) 7/2 ρs − 1 (1 − n) tan β (1,416) 16 ρ trong đó: K1 , K2 = Các h s kinh nghi m đóng vai trò thông s c a mô hình ρs = Kh i lư ng riêng c a cát (2650 kg/m3 đ i v i cát quartz) ρ = Kh i lư ng riêng c a nư c (1030 kg/m3 đ i v i nư c bi n) n = Đ r ng c a l p cát đáy (l y = 0,4) tan β = Đ d c trung bình c a đáy bi n l y ph m vi t đư ng b xu ng đ n đ sâu gi i h n v n chuy n bùn cát
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 12 H s 1,416 là d quy đ i chi u cao sóng ý nghĩa đư c nh p vào GENESIS, sang chi u cao sóng căn quân phương. Trong công th c (2.2), s h ng th nh t bi u th công th c SPM (1984) tính dòng v n chuy n bùn cát d c b do sóng v xiên góc v i b . Komar và Inman (1970) g i ý giá tr K1 = 0,77, trong khi theo Kraus và nnk. (1982), K1 trong kho ng t 0,77 xu ng 0,58; và kho ng giá tr này đư c coi là đi n hình. S h ng th hai trong (2.2) bi u th nh hư ng c a m t y u t khác đ n v n chuy n bùn cát d c b , đó là gra-đien theo hư ng d c b c a chi u cao sóng v ∂Hb /∂x, (theo Ozasa và Brampton, 1980). Y u t này thư ng nh hơn nhi u so v i các y u t sóng v xiên góc đã đ c p trên, trong đi u ki n b bi n tr ng tr i. Nhưng g n các công trình khi có nhi u x sóng thì y u t này góp ph n đáng k c i thi n k t qu mô ph ng (Kraus, 1983). M c dù có th ư c tính theo kinh nghi m, các h s K1 và K2 c n đư c xem xét là các thông s ki m đ nh mô hình. Thông s K1 cùng v i giá tr 1/(Db + Dc ) chi ph i th i gian bi n đ i đư ng b , cũng như đ l n lưu lư ng v n chuy n bùn cát d c b . Giá tr K2 n m trong kho ng t 0,5 đ n 1,0 l n K1 . Không nên l y K2 quá l n so v i 1,0K1 , do đư ng b có th di n bi n m nh g n các công trình và mô hình s không n đ nh. Ngu n và t đi m bùn cát Đ i lư ng q trong phương trình (2.1) bi u th ngu n c p ho c thu bùn cát ch y theo hư ng song song đư ng b . Các ngu n c p thư ng là c a sông ho c b vách đ ng (d s t l ), còn ngu n thu thư ng là các l ch sâu ho c kênh d n vào c ng. Ngoài ra, tác đ ng c a gió có th g i là ngu n c p ho c ngu n thu tuỳ thu c vào hư ng gió th i ra bi n hay vào b . Thay đ i tr c ti p v trí đư ng b S thay đ i tr c ti p này có th do nuôi dư ng bãi ho c n o vét. Trong trư ng h p này, m t c t ngang có th d ch chuy n v phía b ho c bi n m t cách đ nh trư c, có th là m t hàm s theo th i gian và kho ng cách d c b . 2.2.3 Các thông s kinh nghi m Chi u sâu v n chuy n bùn cát d c b B r ng c a m t c t có x y ra v n chuy n bùn cát hư ng d c đư c l y x p x b ng b r ng đ i sóng v , v n ch y u ph thu c vào chi u cao sóng v . Thu t toán chuy n cát trong GENESIS yêu c u thông s đ sâu ho t đ ng c a v n chuy n bùn cát d c b , t đó liên quan t i b r ng đ i sóng v . “Đ sâu ho t đ ng c a v n chuy n bùn cát d c b ”, DLT , đư c l y b ng chi u sâu sóng t n su t 1/10 phía thư ng lưu công trình. Theo các gi thi t cơ b n trong GENESIS thì đ sâu này tương đương v i:
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 13 1,27 DLT = H1/3 (2.5) b γ trong đó: 1,27 = H s chuy n đ i gi a chi u cao sóng 1/10 và chi u cao sóng ý nghĩa γ = Ch s sóng v , t s gi a chi u cao sóng và đ sâu nư c t i đi m sóng v H1/3 b = Chi u cao sóng ý nghĩa t i đi m v N u l y γ = 0,78 ta đư c DLT ≈ 1,6(H1/3 )b . Như v y đ sâu ho t đ ng DLT nh hơn nhi u so v i đ sâu gi i h n v n chuy n bùn cát Dc , tr trư ng h p sóng đăc bi t l n. M t đ c trưng khác là “đ sâu l n nh t c a v n chuy n bùn cát d c b ” DLT o đ xác đ nh đ d c bãi trung bình tan β trong phương trình (2.2), DLT o đư c cho b i: Ho DLT o = (2,3 ÷ 10,9Ho ) (2.6) Lo trong đó: Ho /Lo = Đ d c c a sóng nư c sâu Ho = Chi u cao sóng ý nghĩa vùng nư c sâu Lo = Chi u dài sóng nư c sâu Theo lý thuy t sóng tuy n tính Lo = gT 2 /2π v i g là gia t c tr ng trư ng và T là chu kỳ sóng. N u có s li u ph sóng thì l y T ng v i đ nh năng lư ng, còn không thì l y T ng v i chi u cao sóng ý nghĩa (xem Hallermeier, 1983). Trong GENESIS, DLT o đư c tính v i m i bư c th i gian và là giá tr chung đ i di n cho c đư ng b ; nó thay đ i tuỳ thu c vào đi u ki n sóng vì v y ph n ánh tính ch t bi n đ i theo mùa c a hình d ng và đ d c m t c t. Hình d ng và đ d c trung bình c a m t c t Hình d ng m t c t trung bình c a Bruun (1954) và Dean (1977) đư c s d ng: D = Ay 2/3 (2.7) trong đó D là đ sâu, A là m t tham s kinh nghi m ph thu c vào đư ng kính h t cát vùng g n b , d50 (Moore, 1982).  0,41(d50 )0,94 v i d50 < 0,4  0,23(d )0,32 v i 0,4 ≤ d < 10  50 50 M= (2.8) 0,28 v i 10,0 ≤ d50 < 40,0 0,23(d50 )   0,46(d50 )0,11 v i 40,0 ≤ d50  Trong đó đơn v tính: d50 (mm) và A (m1/3 ) Trư ng h p có nhi u m t c t th c đo trong vùng nghiên c u thì có th dùng Hình 2.1 đ xác đ nh m t giá tr d50 đ i di n, t đó tính ra A.
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 14 Hình 2.1: Đư ng cong đ xác đ nh đư ng kính trung bình Tương ng v i giá tr tham s A và đ sâu l n nh t v n chuy n bùn cát DLT o [cho b i P.T. (2.6)], đ d c trung bình c a m t c t cân b ng vùng g n b là: A3 tan β = (2.9) DLT o Đ sâu gi i h n v n chuy n bùn cát Dc Dc chính là đ sâu đó t i đó dư ng như không có s thay đ i đ cao đáy, và thư ng r t khó xác đ nh trên th c t . M t khác, n u coi Dc là đ sâu gi i h n v n chuy n bùn cát trong m t kho ng th i gian nh t đ nh như 1 năm thì có th dùng l i công th c (2.6) v i chi u cao c a sóng ý nghĩa l n nh t, ch x y ra 12 gi trong c năm (nghĩa là t n su t 0,137% trong năm) (Hallermeier, 1983). Tuy v y c n so sánh gi a giá tr tính toán v i các s li u th c đo, đ ng th i c n lưu ý r ng giá tr Dc có th thay đ i khu v c lân c n công trình. 2.3 Tính toán sóng Tài li u sóng xa b dùng cho mô hình có th là th c đo ho c tính toán, v i các bư c th i gian c đ nh, thư ng t 6 đ n 24 gi . Chi u cao và hư ng sóng t i đi m đo (ho c tính) ph i đư c di n toán đ n đi m sóng v trư c khi tính bi n đ i đư ng b .
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 15 H phương trình GENESIS bao g m 2 thành ph n: m t tính toán v n chuy n bùn cát d c b và di n bi n đư ng b ; ph n kia tính toán chi u cao và hư ng sóng v t s li u sóng ngoài khơi cho trư c. Thành ph n này là mô hình truy n sóng n i t i c a GENESIS, khác v i m t mô hình truy n sóng “ngoài” có th l a ch n đ cung c p thêm thông tin sóng g n b cho GENESIS. Vi c l a ch n mô hình sóng nào ph thu c vào s lư ng, ch t lư ng tài li u sóng cũng như đ ph c t p c a đ a hình g n b . Trên (Hình 2.2a), mô hình truy n sóng n i t i đư c áp d ng cho vùng g n b , coi r ng các đư ng đ ng m c g n như th ng và song song, các đ c trưng chi u cao và hư ng sóng đư c tính t i các đi m trên lư i tính toán d c b , k t đ sâu tương ng v i các s li u sóng ngoài khơi. N u áp d ng mô hình sóng “ngoài” (Hình 2.2b), quá trình truy n sóng s xét đ n đ a hình đáy không đ u, k t đ sâu c a tài li u sóng ngoài khơi. K t qu tính toán chi u cao và hư ng sóng t i các đi m d c b ( đó sóng chưa v cho trư c) đư c lưu vào m t file làm đ u vào cho mô hình truy n sóng n i t i, đ tính ti p đ n đi m sóng v . 2.3.1 Mô hình truy n sóng n i t i Sóng v Tính toán quá trình truy n sóng t nư c sâu đ n đư ng tham chi u g n b ư c lư ng ban đ u không xét đ n nh hư ng c a nhi u x sóng g n các v t c n, sau đó s ch nh c c b tính đ n nhi u x c a t ng khu v c g n v t c n. N u b qua nhi u x , bài toán truy n sóng s có 3 n s : chi u cao sóng, góc sóng t i và đ cao sóng t i đi m sóng v . Chúng đư c tìm ra t h 3 phương trình: (2.10), (2.14), và (2.11). Phương trình (2.10) bi u th chi u cao sóng v sau khi b bi n đ i qua khúc x và nh hư ng nư c nông. H2 = KR KS Href (2.10) trong đó: H2 = chi u cao sóng v t i đi m b t kỳ d c b KR = h s khúc x KS = h s nh hư ng do nư c nông Href = chi u cao sóng t i đ sâu tham kh o (ngoài khơi ho c g n b , tuỳ theo mô hình sóng đư c lưa ch n) H s khúc x sóng KR là m t hàm s c a góc t i (θ1 ) và góc tia khúc x (θ2 ) (t i đi m sóng v P2 ) và đư c cho b i: cos θ1 KR = (2.11) cos θ2 H s nh hư ng nư c nông KS ph thu c vào chu kỳ sóng, đ sâu t i P1 (đi m đ u), và đ sâu sóng v đư c cho b i:
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 16 Hình 2.2: S d ng các mô hình truy n sóng.
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 17 Cg 1 KS = (2.12) Cg 2 trong đó Cg1 và Cg2 l n lư t là v n t c nhóm sóng các đi m P1 và P2 . Cg ≡ C · n (2.13) v i C = v n t c truy n sóng = L/T và L = chi u cao sóng t i đ sâu D 2πD/L n = 0,5 1 + sinh(2πD/L) Chi u dài sóng đư c tính t phương trình phân tán: 2πD L = Lo tanh L Trong GENESIS, phương trình trên đư c gi i b ng phương pháp x p x phân th c (Hunt, 1979) so v i sai s 0,1%. Phương trình sóng v gi i h n đ sâu là: Hb = γDb (2.14) Trong đó Db là đ sâu t i v trí sóng v và ch s sóng v γ là hàm s ph thu c đ d c nư c sâu và đ d c trung bình c a bãi bi n (Smith và Kraus, ?). Ho γ =b−a (2.15) L1 v i a = 5,00(1 − e−43 tan β ) và b = 1,12/(1 + e−60 tan β ) Góc t i c a sóng t i v trí v đư c tính d theo đ nh lu t Snel sin θb sin θ1 = (2.16) Lb L1 trong đó θb và Lb là góc t i và chi u dài sóng t i đi m sóng v còn θ1 và L1 t i v trí xa b. H phương trình (2.10), (2.14) và (2.16) đư c gi i theo phương pháp l p đ cho k t qu Hb , Db và θb ng v i chi u cao, góc t i và chu kỳ sóng ngoài khơi cho trư c. Góc sóng v θb tính đư c xét trong h to đ c đ nh. N u trong h to đ này, góc phương v c a đư ng b là θs (xem hình 2.3), θs = arctan(∂y/∂x), thì góc sóng v dùng đ tính lưu lư ng v n chuy n cát d c b là: θbs = θb − θs (2.17) Như v y n u θs = 0 thì sóng v vuông góc v i đư ng b . Góc θb trên Hình 2.3 đư c quy ư c là dương. Giá tr θb này s đư c s d ng đ tính v n chuy n cát d c b , n u như không có nhi u x sóng do công trình mà ta s xét dư i đây.
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 18 Hình 2.3: Đ nh nghĩa v góc sóng v . nh hư ng c a công trình đ n sóng v Các công trình nhân t o (đ p phá sóng, đ p m hàn, jetty c a sông) đ u tác đ ng t i sóng khi chúng chưa v ; các đ o mũi đ t t nhiêncũng đôi khi có tác đ ng tương t —ta g i chung là công trình. S thay đ i các hình th sóng này d n đ n s thay đ i v n chuy n bùn cát d c b . phía khu t c a công trình, đư ng đi vòng c a sóng nhi u x cùng v i chi u cao sóng gi m đi làm cho dòng v n chuy n bùn cát hư ng vào phía khu t gây b i l ng. Hình 2.4 phác ho cách tính chi u cao và hư ng sóng v phía sau công trình (Kraus, 1981, 1982, 1984). Vùng tính toán đư c chia thành vùng đón sóng và vùng khu t l y ranh gi i là tia sóng qua đ u công trình đư c kéo dài. Đ tính đư c chi u cao sóng v , c n xét đ n nh hư ng c a nhi u x đ i v i ngay c vùng đón sóng. Đ tính góc t i c a sóng v t i đi m P2 trong vùng khu t, c n gi thi t tia sóng xu t phát t P1 truy n theo m t góc θ1 t i P2 . Góc θ1 không th các đ nh trư c vì nó ph thu c vào đi u ki n sóng v , và đ đơn gi n có th thay θ1 b ng θg là góc t o b i đư ng th ng P1 P2 . Trong vùng nh hư ng b i nhi u x , chi u cao sóng v có xét đ n nh hư ng c a nhi u x , khúc x , tán x nư c nông đư c cho b i: Hb = KD (θD , Db )Hb (2.18) V i KD = h s nhi u x θD = góc gi a tia sóng t i P1 và tia n i P1 P2 n u như đi m P2 n m trong vùng khu t sóng Hb = góc sóng v trong cùng ô tính toán n u không xét nhi u x Ba n s Hb , Db và θb đư c tính đ i v i m i đo n đư ng b , b ng cách gi i l p phương
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 19 Hình 2.4: Sơ đ tính sóng nhi u x . trình (2.18) cùng v i các phương trình (2.14) và (2.16) như các hàm c a chi u cao, góc t i c a sóng v và chu kỳ sóng. Đ th và b ng tra nhi u x v i sóng đơn đã đư c thi t l p, nhưng chi u cao sóng tra đư c thư ng nh hơn sóng ng u nhiên, trong th c t hư ng sóng bi n thiên trong m t ph m vi. Đ gi i quy t bài toán th c t v i sóng ng u nhiên này GENESIS s d ng phương pháp đ xu t b i Goda và nnk (1978). Cách áp d ng phương pháp này trong GENESIS ch đúng v i các công trình ng n (Kraus, 1988a). Hi u ch nh đư ng đ ng m c S phân b không đ u c a v n chuy n bùn cát d c b d n đ n thay đ i đ a hình đáy bi n và ngư c l i; s thay đ i này làm nh hư ng đ n khúc x sóng. Trong ph m vi mô hình n i t i c a GENESIS, s tương tác nói trên đư c bi u di n trên hai khía c nh. Th nh t, s thay đ i v trí đư ng b làm góc θ1 thay đ i (Hình 2.5). Th hai, hình d ng đư ng b lân c n công trình b bi n d ng cũng gây nh hư ng cho các đư ng đ ng m c đáy bi n bi n d ng tương t . M t h th ng to đ đ a phương ch y theo đư ng đ ng m c v i h tr c to đ (x ,y ) trong Hình 2.5. H tr c này đư c xoay m t góc θs chính là hư ng c a đư ng b t i đi m P3 : θs = arctan(∂y/∂x). Trong h tr c m i, m t góc θ s có giá tr θ trong h tr c to đ c đ nh ban đ u sao cho θ = θ + θs . Theo quy ư c này, ta có th vi t l i phương trình khúc x (2.16) cùng h s khúc x [bi u th c (2.11)] v i các góc θ(.) trong h to đ m i. Sau khi tính đư c θb ta c n chuy n v h to đ c đ nh đ tính v n chuy n bùn cát d c b theo phương trình (2.2). Như v y
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 20 Hình 2.5: Góc t i sóng có tính đ n bi n đ i đư ng đ ng m c. trong vùng khu t chi u cao sóng v đư c tính b i: Hb = KD (θD , Db )KR (θ1 , Db )Hb (2.19) Trong đó: KR = h s khúc x trong h to đ xoay. Phương pháp tính “hi u ch nh đư ng đ ng m c” này đư c t đ ng dùng trong mô hình tính sóng n i t i c a GENESIS và cho k t qu góc sóng v g n v i th c t hơn (Kraus, 1983; Kraus và Harikai, 1983). Truy n sóng xuyên qua đ p phá sóng Khi thi t k đ p phá sóng, m t trong các y u t c n tính đ n t ng các mô hình toán là s truy n sóng xuyên qua công trình ( đây bao hàm nghĩa sóng xuyên qua và vư t qua đ nh công trình). Tính đư c sóng xuyên qua công trình giúp ta đưa ra gi i pháp kinh t hơn đ i v i các công trình đ nh th p ho c có các khe r ng. GENESIS phiên b n 2 đã đư c áp d ng tính kh năng truy n sóng cho dãy m hàn t i Louisiana, Hoa Kỳ (Hanson, Kraus, và Nakashima, 1989). Đ mô t truy n sóng xuyên trong mô hình m t h s truy n qua KT đư c ch đ nh đ i v i m i đê ch n sóng. H s truy n qua là t s gi a chi u cao sóng ngay sau đê ch n sóng v i chi u cao sóng ngay trư c đê ch n sóng, n m trong kho ng 0 ≤ KT ≤ 1, trong đó giá tr 0 tương ng v i sóng không truy n qua và giá tr 1 tương ng v i sóng truy n qua hoàn toàn. Tính toán trong GENESIS đư c th c hi n theo các tiêu chí sau: • N u KT → 0, tính toán sóng nhi u x gi ng như lý thuy t đ i v i nhi u x sau đ p li n kh i cao vô t n.
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 21 Hình 2.6: S bi n đ i đư ng b ph thu c vào h s truy n sóng. • N u hai ô năng lư ng sóng có cùng giá tr KT , s không x y ra nhi u x sóng (chi u cao sóng đ ng nh t t i biên). • T i biên gi i c a các ô năng lư ng có KT khác nhau năng lư ng sóng s đư c truy n t ô có sóng l n sang ô có sóng nh . Năng lư ng sóng đư c truy n t l v i t s gi a hai giá tr KT . Tóm l i bi u th c cho h s truy n sóng xuyên qua đê ch n sóng có d ng:  KD + RKT (1 − KD ) v i θD > 0  KDT = KD − RKT (KD − 0,5) (2.20) v i θD = 0  KD (1 − RKT ) v i θD < 0  Trong đó RKT là t s c a h s sóng truy n nh chia cho h s sóng truy n l n c a hai đê ch n sóng. Hình 2.6 là ví d tính toán bi n đ i đư ng b v i th i gian 180 gi trong đi u ki n sóng H = 1,5 m và T = 6 s truy n vuông góc v i b , đê ch n sóng dài 200 m và cách b 250 m. Rõ ràng là v i KT càng nh thì ph n b i l ng càng vươn xa. Đư ng đ ng m c ngoài khơi đi n hình M t gi thi t cơ b n trong mô hình bi n đ i đư ng b là m t c t ngang chuy n đ ng t nh ti n; cũng có nghĩa là các đư ng đ ng m c ngoài khơi luôn di chuy n song song v i đư ng b . Tuy v y n u áp d ng tr c ti p gi thi t này cho mô hình sóng n i t i thì s hình thành
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 22 Hình 2.7: Ví d v đư ng đ ng m c đi n hình. nên khu v c có đư ng b bi n đ i đ t ng t, d n đ n m t n đ nh trong mô hình toán. Đ kh c ph c h n ch này, GENESIS cho phép l a ch n làm trơn đư ng đ ng m c (Hình 2.7) t đó mô ph ng t t hơn đ a hình ngoài khơi. Ph m vi đư ng đ ng m c đi n hình đ n t n đ sâu sóng v , và vi c làm trơn đư ng đ ng m c trong th i gian tính toán là m i tháng m t l n. 2.3.2 Mô hình truy n sóng “ngoài”: RCPWAVE Các đư ng đ ng m c đáy bi n trên th c t thư ng không th ng và song song. Trong nh ng trư ng h p này, tính toán sóng c n th c hi n trên đ a hình đáy bi n th c đo. Mô hình truy n sóng RCPWAVE (Ebersole, 1985; Ebersole và nnk., 1986) có m t s ưu đi m sau: • Tr c ti p cho k t qu chi u cao và góc sóng t i trên lư i tính toán; • Hi u qu , cho phép mô ph ng m t vùng r ng; • Bao g m c các tác đ ng phân tán sóng gây ra b i đáy bi n, cho phép mô ph ng th c t hơn so v i khúc x đơn thu n; • Tính n đ nh đã đư c ki m ch ng. Hình 2.8 cho th y v trí c a RCPWAVE trong s k t h p v i GENESIS, trong đó RCP- WAVE cung c p chi u cao và hư ng sóng t i đư ng tham chi u g n b , t đó GENESIS s d ng mô hình n i t i đ tính truy n sóng đ n đư ng sóng v . Th i kho ng tính toán trong mô hình bi n đ i đư ng b thư ng là c vài năm v i ph m vi không gian c a vùng mô ph ng c vài km, tương đương hàng trăm đo n lư i. Vì bư c th i gian mô ph ng thư ng là 6, 12, 24 h, c n ph i tính truy n sóng hàng nghìn l n. RCPWAVE là mô hình hai chi u, th i gian ch y s r t lâu so v i GENESIS là mô hình m t chi u. Hơn n a n u xét đ n th c t là s li u sóng nh p vào thư ng không có ho c có đ chính xác không cao thì vi c ch y RCPWAVE cho m i bư c th i gian cùng v i GENESIS là m t s thi u h p lý.
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 23 Hình 2.8: Sơ đ tính toán k t h p GENESIS và RCPWAVE. Thay vào đó, m t k thu t tính toán t t hơn là chia đi u ki n sóng ngoài khơi thành nh ng kho ng chu kỳ và hư ng khác nhau (Kraus và nnk., 1988). Th i kho ng chia đ i v i chu kỳ sóng là 1 s và hư ng sóng t i là 11,25◦ ho c 22,5◦ . B ng cách này ta có kho ng t 50 đ n 100 kho ng chu kỳ sóng và các l n tính toán đ u s d ng chi u cao sóng đơn v đ tình ra các “h s truy n sóng” d c theo đư ng tham chi u g n b . Sau đó chi u cao sóng t i đư ng tham chi u này đư c tính b ng cách nhân “h s truy n sóng” v i chi u cao sóng ngoài khơi có tài li u. 2.3.3 Gi i h n đ d c sóng ngoài nư c sâu S li u sóng ngoài khơi có th thay đ i trong trư ng h p ta mu n phân tích đ nh y, ki m tra v i nh ng trư ng h p c c h n nh t. Nhìn chung chi u cao sóng có th tăng lên, nhưng n u không c n th n có th s t o ra sóng có đ d c quá l n, phi th c t . GENESIS th c hi n ki m tra xem đ d c sóng ngoài khơi làm s li u đ u vào có th a mãn đi u ki n (Mitchell, 1893) hay không Ho = 0,142 (2.21) Lo N u đ d c sóng tính đư c vư t quá 0,142 thì chi u cao sóng nư c sâu s gi m b t đ tho mãn bi u th c (2.21) và gi nguyên chu kỳ sóng. Máy s thông báo trong trư ng h p này.
CHƯƠNG 2. LÝ THUY T MÔ HÌNH 24 2.3.4 Ô năng lư ng sóng Khái ni m “ô năng lư ng sóng” đóng vai trò trung tâm và chi ph i c u trúc chương trình GENESIS. Nó cho phép mô t đi u ki n sóng v d c b và lư ng v n chuy n bùn cát d c b trong nhi u hình th c b trí công trình khác nhau. Ô năng lư ng M t ô năng lư ng là ph n di n tích sát b bi n, đón sóng t phía ngoài khơi. V nguyên t c, ô năng lư ng đư c xác đ nh b i hai đư ng biên nh m h n ch sóng truy n đ n bãi bi n đư c xét đ n. Các ô năng lư ng này đư c phân cách b i các đ p m hàn, jetty dài, các đê ch n sóng không cho sóng xuyên qua (theo nghĩa M c 2.3.1), và đ u các đê ch n sóng cho sóng xuyên qua. Năng lư ng sóng t i ph i đi qua m t trong các c a s này đ t i m t đ a đi m trên vùng g n b . M t v trí có th (và cũng thư ng) đón sóng t vài ô năng lư ng khác nhau. Vùng tính toán v n chuy n cát Mô hình GENESIS hi n t i gi thi t các công trình g n bó (kè m hàn, jetty và đê ch n sóng g n b ) không cho năng lư ng sóng truy n qua. T đ c đi m này cùng v i khái ni m ô năng lư ng, vùng b đư c chia thành các “vùng tính toán v n chuy n cát”. M i vùng này đư c gi i h n b i các công trình g n v i b gây nhi u x sóng ho c là m t biên mô hình. GENESIS s gi i phương trình bi n đ i đư ng b cho t ng vùng, tr trư ng h p trao đ i cát vư t qua ranh gi i các vùng như hi n tư ng v n chuy n cát vòng qua đ u đ p m hàn. Ví d Hình 2.9 minh ho m t h th ng các ô năng lư ng và vùng v n chuy n cát. Ta quy ư c các hình vòng cung cho đ u các công trình (đ p ch n sóng, m hàn) có x y ra nhi u x ; và các công trình cho sóng truy n qua. Trên hình có 5 ô năng lư ng kí hi u E1-E5 và 6 công trình ký hi u S1-S6. E1 là ô năng lư ng ch n b i phương trình phía tay ph i và có biên h phía tay trái. Sóng ti n vào ô E1 s nhi u x t i đ u trái c a đ p S1. M i sóng đi qua ô E1 không th nh hư ng đ n vùng k t bên tay ph i S3. S1 là đê ch n sóng xa b có c hai b gây nhi u x ; đ u trái đ nh v cho biên ph i c a ô E1 và đ u ph i đ nh v biên trái c a ô E2. Đ p S1 này không cho sóng truy n qua và do đó b n thân không ph i là m t ô năng lư ng (so sánh v i S5). S2 m t đ p m hàn ng n, không xác đ nh m t ô năng lư ng nào do đó nó không gây nhi u x . S2 cũng không xác đ nh m t biên v n chuy n bùn cát nào mà ch đơn gi n n m trong vùng v n chuy n bùn cát kéo dài t biên trái sang đ n phía trái c a đ p S3. E2 ô này đư c bao b i các công trình nhi u x S1 và S3. Sóng truy n qua E2 có th t i t n biên trái h th ng nhưng l i không th truy n qua S3. V y E2 n m cùng v i ô E1 trong cùng m t vùng v n chuy n cát.