Giáo trình Hình thái bờ biển - ThS. Trần Thanh Tùng

Nội dung text: Giáo trình Hình thái bờ biển - ThS. Trần Thanh Tùng

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Dự án Nâng cao Năng lực Đào tạo Ngành Kỹ Thuật Bờ Biển tại Trường ĐHTL HHHÌÌÌNNNHHH TTTHHHÁÁÁIII BBBỜỜỜ BBBIIIỂỂỂNNN ThS. Trần Thanh Tùng Đại học Thủy lợi, Hà Nội, Việt Nam TS. Jan van de Graaff Đại học kỹ thuật Delft, TU Delft, Hà Lan Hà nội 4-2006
2. LỜI NÓI ĐẦU Việc biên soạn tập bài giảng ”Hình thái bờ biển” là một hoạt động nằm trong khuôn khổ Dự án ”Nâng cao năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật Bờ Biển tại Trường Đại học Thủy lợi” do Chính phủ Hà Lan tài trợ, với mục tiêu cung cấp những kiến thức cơ bản về hình thái bờ biển và kỹ thuật bờ biển cho sinh viên theo học ngành Kỹ thuật bờ biển tại Trường Đại học Thủy lợi. Tập bài giảng gồm 7 chương được chia làm 2 phần, phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức cơ sở về hình thái bờ biển như các khái niệm, thuật ngữ sử dụng trong hình thái bờ biển, các hiện tượng diễn biến bờ biển do tác động của sóng, mực nước, dòng chảy ở vùng ven biển, các kiến thức cơ bản liên quan tới vận chuyển bùn cát ở bờ biểnv.v Phần 2 sẽ trình bày sâu hơn về sự hình thành dòng chảy ở vùng ven bờ, các tính toán vận chuyển bùn cát và diễn biến bờ biển, cách mô hình hóa bãi biển và đường bờ cũng như các phương pháp đo đạc mặt cắt ngang bãi biển. Một số nguyên nhân gây xói lở bờ biển và các giải pháp ổn định bờ biển cũng sẽ được giới thiệu ở phần 2. Tập bài giảng được xây dựng trên cơ sở tham khảo từ cuốn “Kỹ thuật bờ biển” của Van der Velden là tập bài giảng hiện đang sử dụng tại Trường Kỹ thuật Delft, Hà Lan, và từ “Sổ Tay Kỹ thuật Bờ Biển” (Coastal Engineering Manual, 2002) của Tổ hợp Kỹ thuật thuộc Quân đội Mỹ. Tác giả xin chân thành cảm ơn Giáo sư Marcel Stive, Giáo sư. Kee d’Angremond đã đọc và cho các ý kiến đóng góp quý báu cho tập bài giảng này. Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới Tiến sỹ. Jan van de Graaff, người đã khuyến khích, hướng dẫn và thảo luận từng nội dung trong tập bài giảng này cùng tác giả. Sau cùng, tác giả xin trân trọng cảm ơn các cán bộ Phòng Hợp tác quốc tế, Đại học công nghệ Delft (CICAT), văn phòng Dự án Hà Lan tại Trường Đại học Thủy lợi đã có những giúp đỡ quý báu và hiệu quả giúp tác giả hoàn thành tập bài giảng này. Delft, tháng 4 năm 2006 1
3. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC ii CHƯƠNG 1 –GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG CỦA MÔN HỌC 1 1.2 CÁC THUẬT NGỮ LIÊN QUAN TỚI HÌNH THÁI BỜ BIỂN 2 1.3 KỸ THUẬT BỜ BIỂN, HÌNH THÁI BỜ BIỂN VÀ QUÁ TRÌNH DIỄN BIẾN BỜ BIỂN 4 QUÁ TRÌNH DIỄN BIẾN BỜ BIỂN 6 1.4 LỊCH SỬ VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN 8 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH KỸ THUẬT BỜ BIỂN 8 XU THẾ PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 9 1.5 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VÙNG VEN BIỂN 10 1.6 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH BỜ BIỂN VIỆT NAM 13 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH VÙNG BỜ BIỂN MIỀN BẮC 14 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH VÙNG BỜ BIỂN MIỀN TRUNG 15 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH VÙNG BỜ BIỂN MIỀN NAM 16 CHƯƠNG 2 – SÓNG, MỰC NƯỚC VÀ DÒNG CHẢY 2.1 GIỚI THIỆU 18 2.2 LÝ THUYẾT SÓNG TUYẾN TÍNH CỦA AIRY 18 CÁC GIẢI THIẾT CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG SÓNG 19 NĂNG LƯỢNG SÓNG 23 PHẠM VI ÁP DỤNG CỦA LÝ THUYẾT SÓNG 25 2.3 HIỆN TƯỢNG TRUYỀN SÓNG VÀ BIẾN DẠNG SÓNG 26 HIỆN TƯỢNG TRUYỀN SÓNG Ở VÙNG NƯỚC SÂU 26 SỰ BIẾN DẠNG SÓNG Ở GẦN BỜ 29 HIỆN TƯỢNG KHÚC XẠ SÓNG VÀ NHIỄU XẠ SÓNG 31 2.5 THỦY TRIỀU VÀ SỰ DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC 36 A-THỦY TRIỀU VÀ DÒNG TRIỀU 37 NGUỒN GỐC THỦY TRIỀU 37 PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO THỦY TRIỀU 40 DÒNG TRIỀU 41 B- CHẾ ĐỘ TRIỀU Ở BỜ BIỂN VIỆT NAM 45 C-NƯỚC DÂNG Ở BỜ BIỂN VIỆT NAM 46 NƯỚC DÂNG DO GIÓ MÙA 47 NƯỚC DÂNG DO BÃO 47 ĐẶC ĐIỂM NƯỚC DÂNG DỌC BỜ BIỂN VIỆT NAM 49 D- SỰ BIẾN ĐỔI MỰC NƯỚC TRONG THỜI ĐOẠN DÀI 52 SỰ DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC DO ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT 52 SỰ BIẾN ĐỔI MƯC NƯỚC BIỂN 53 SỰ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU 53 ii
4. CHƯƠNG 3 – ĐỘNG LỰC HỌC BỜ BIỂN 3.1 SÓNG VỠ VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG VỠ 56 CÁC DẠNG SÓNG VỠ 56 GIỚI HẠN SÓNG VỠ VÀ CHIỀU CAO SÓNG VỠ 59 3.2 DÒNG CHẢY HÌNH THÀNH DO SÓNG Ở VÙNG GẦN BỜ 62 DÒNG TIÊU VÀ DÒNG TUẦN HOÀN 64 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH DÒNG TIÊU 65 DÒNG CHẢY DỌC BỜ HÌNH THÀNH DO SÓNG TÁC DỤNG THEO HƯỚNG XIÊN GÓC VỚI ĐƯỜNG BỜ 66 TÍNH TOÁN VẬN TỐC DÒNG CHẢY DỌC BỜ 67 PHÂN BỐ VẬN TỐC DÒNG CHẢY DỌC BỜ 71 CÁC GIẢ THIẾT CỦA LONGUET-HIGGINS 73 SO SÁNH PHÂN BỐ LƯU TỐC DỌC BỜ LÝ THUYẾT VÀ THỰC ĐO 74 PHÂN BỐ LƯU TỐC DỌC BỜ CỦA MỘT PHỔ SÓNG Error! Bookmark not defined. PHÂN BỐ LƯU TỐC DỌC BỜ TRÊN MẶT CẮT Y=(x)2/3 Error! Bookmark not defined. DÒNG CHẢY DO SÓNG KẾT HỢP VỚI DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC DỌC BỜ 79 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ VÀ THỦY TRIỀU TỚI DÒNG CHẢY VEN BỜ 81 CHƯƠNG 4 – VẬN CHUYỂN BÙN CÁT BỜ BIỂN 4.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VÂN CHUYỂN BÙN CÁT 83 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT 83 CÁC HÌNH THỨC VẬN CHUYỂN BÙN CÁT 87 4.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA BÙN CÁT BỜ BIỂN 88 GIỚI THIỆU CHUNG 88 THÀNH PHẦN BÙN CÁT 88 ĐƯỜNG KÍNH HẠT BÙN CÁT 89 BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG KÍNH HẠT THEO KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN 92 HÌNH DẠNG 94 ĐỘ RỖNG 95 ĐỘ THÔ THỦY LỰC CỦA BÙN CÁT 96 4.3 TỐC ĐỘ KHỞI ĐỘNG /ỨNG SUẤT TIẾP TỚI HẠN 98 4.4 TỔNG QUAN VỀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VEN BỜ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 4.5 VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ 103 GIỚI THIỆU CHUNG 103 TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ 105 CÔNG THỨC CERC (1966) 105 CÔNG THỨC BIJKER (1967) 108 CÔNG THỨC KAMPHUIS (1991) 109 VẬN CHUYỂN BÙN CÁT "TỊNH" VÀ "TỔNG CỘNG" DỌC BỜ 112 SUẤT CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ THỰC TẾ 114 4.6 VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. GIỚI THIỆU CHUNG ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. TRẠNG THÁI THỦY ĐỘNG LỰC HỌC BÊN NGOÀI VÙNG SÓNG VỠ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. DÒNG CHẢY TẠI LỚP BIÊN Error! Bookmark not defined.17 CÁC SÓNG PHI TUYẾN Error! Bookmark not defined. DÒNG TRÔI DO SÓNG TẠO NÊN Error! Bookmark not defined. DÒNG CHẢY RỐI TRUNG BÌNH Error! Bookmark not defined. iii
5. VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG BÊN NGOÀI VÙNG SÓNG VỖERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG TRONG VÙNG SÓNG VỖERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂNERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG ĐƠN GIẢNERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.6 CHƯƠNG 5 – DIỄN BIẾN BỜ BIỂN 5.1 HÌNH DẠNG MẶT CẮT NGANG BỜ BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. GIỚI THIỆU ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. ĐẶC TRƯNG VÀ TƯƠNG QUAN HÌNH DẠNG BÃI BIỂN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. TƯƠNG QUAN GIỮA ĐỘ DỐC BÃI BIỂN VỚI ĐƯỜNG KÍNH HẠT CÁT .ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. TƯƠNG QUAN GIỮA ĐỘ DỐC BÃI BIỂN VỚI NĂNG LƯỢNG SÓNGERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5.2 MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂN Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNGERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. GIỚI THIỆU CHUNG ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂN CÂN BẰNGERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. CÁC LỰC TÁC DỤNG Ở VÙNG VEN BỜ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. CÁC LỰC GÂY PHÁ HOẠI BÃI BIỂN Error! Bookmark not defined. CÁC LỰC CÓ TÁC DỤNG THÀNH TẠO BÃI BIỂN Error! Bookmark not defined. MÔ HÌNH MẶT CẮT CÂN BẰNG XÂY DỰNG TRÊN QUAN ĐIỂM CÂN BẰNG LỰC ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. LỰC DO TIÊU TÁN NĂNG LƯỢNG SÓNG TRONG 1 ĐƠN VỊ THỂ TÍCHError! Bookmark not defined. LỰC DO SỰ TIÊU TÁN NĂNG LƯỢNG SÓNG TRÊN 1 ĐƠN VỊ DIỆN TÍCH . Error! Bookmark not defined. LỰC SINH RA DO ỨNG SUẤT TIẾP ĐỒNG NHẤT Ở ĐÁY Error! Bookmark not defined. MÔ HÌNH MẶT CẮT CÂN BẰNG XÂY DỰNG TRÊN QUAN ĐIỂM VẬN CHUYỂN BÙN CÁTERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. CÁC DẠNG MẶT CẮT NGANG CÂN BẰNG KHÁC ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5.3 SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA BÃI BIỂN VỚI SÓNG VÀ MỰC NƯỚC ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC GIỮA BÃI BIỂN VỚI BIẾN ĐỔI MỰC NƯỚC ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. a) SỰ GIA TĂNG MỰC NƯỚC BIỂN VÀ TƯƠNG TÁC CỦA BÃI BIỂNError! Bookmark not defined. B) QUY TẮC BRUUN Error! Bookmark not defined. C) PHƯƠNG PHÁP EDELMAN Error! Bookmark not defined. BIẾN ĐỔI HÌNH DẠNG MẶT CẮT NGANG THEO MÙA ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. BIẾN ĐỔI HÌNH DẠNG MẶT CẮT CÂN BẰNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA BÃO 159 BIẾN ĐỔI HÌNH DẠNG MẶT CẮT DƯỚI TÁC DỤNG CỦA THỦY TRIỀU 161 CHƯƠNG 6 – MÔ HÌNH HÓA BÃI BIỂN VÀ ĐƯỜNG BỜ 6.1 GIỚI THIỆU CHUNG 164 6.2 MÔ HÌNH HÓA BỜ BIỂN BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ 166 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ MÔ HÌNH VẬT LÝ 166 BỂ TẠO SÓNG VÀ MÁNG TẠO SÓNG 168 MÔ HÌNH LÒNG CỨNG 169 6.3 MÔ HÌNH HÓA ĐƯỜNG BỜ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH 171 MÔ HÌNH HÌNH THÁI ĐƯỜNG BỜ DẠNG ĐƯỜNG ĐƠN 172 iv
6. PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC 173 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG 174 GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC VÀ PHƯỜNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG 176 ÁP DỤNG MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG BỒI LẮNG Ở TRƯỚC ĐẬP PHÁ SÓNG 176 ĐÁNH GIÁ CÁC HẠN CHẾ CỦA LÝ THUYẾT ĐƯỜNG ĐƠN 181 6.4 MÔ HÌNH TOÁN DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ 183 6.5 ĐO ĐẠC MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂN 189 A. KHẢO SÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG 189 B. KHẢO SÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HIỆN ĐẠI 191 B-1 CRAB 191 B-2 SEA SLED 192 B-3 THIẾT BỊ ĐO SÂU THEO NGUYÊN LÝ ÁP LỰC THỦY TĨNH 192 TÓM TẮT 193 CHƯƠNG 7 – SỰ BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG BỜ VÀ CÁC GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH ĐƯỜNG BỜ 7.1 GIỚI THIỆU 194 7.2 NGUYÊN NHÂN GÂY XÓI LỞ ĐƯỜNG BỜ 195 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ XÓI LỞ BỜ BIỂN 195 SỰ SUY GIẢM NGUỒN BÙN CÁT TỪ SÔNG ĐỔ RA BIỂN 197 SỰ SUY GIẢM NGUỒN CUNG CẤP BÙN CÁT TỪ CÁC ĐỤN CÁT GẦN BỜ 199 DO KHAI THÁC TRẦM TÍCH VÀ KHOÁNG SẢN Ở BỜ BIỂN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. SỰ GIA TĂNG NĂNG LƯỢNG SÓNG DO THỀM BÃI BỊ HẠ THẤPERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. DO GIÁN ĐOẠN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. DO SỰ THAY ĐỔI CỦA GÓC SÓNG TỚI SO VỚI ĐƯỜNG BỜ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. SỰ GIA TĂNG GÓC SÓNG TÁC DỤNG TỚI ĐƯỜNG BỜ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. DO SỰ GIA TĂNG LƯỢNG BÙN CÁT BỊ TỔN THẤT TRÊN BÃI CAO ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. DO SỰ GIA TĂNG BÃO BIỂN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. SỰ GIA TĂNG XÓI LỞ DO CÁC SÓNG PHẢN XẠ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. SỰ SUY GIẢM ĐỘ LỚN THỦY TRIỀU ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 7.3 BẢO VỆ BỜ BIỂN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. KHÔNG LÀM GÌ – DI DỜI VÀ DỊCH CHUYỂN TỚI NƠI AN TOÀNERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. GIẢI PHÁP BẢO VỆ "MỀM" ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. CÁC CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH BỜ – GIẢI PHÁP “CỨNG” ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. ĐẬP MỎ HÀN Error! Bookmark not defined. KÈ BẢO VỆ BỜ Error! Bookmark not defined. TƯỜNG BIỂN Error! Bookmark not defined. XÓI LỞ SAU KHI XÂY DỰNG TƯỜNG BIỂN Error! Bookmark not defined. ĐẬP PHÁ SÓNG NGOÀI KHƠI Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO v
7. CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG CỦA MÔN HỌC Môn học “Hình thái bờ biển" được thiết kế nhằm cung cấp các kiến thức cơ bản phục vụ phân tích, tính toán diễn biến hình thái trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển. Các nội dung chính của giáo trình bao gồm các kiến thức cơ bản có liên quan tới hình thái bờ biển và diễn biến bờ biển như các kiến thức về đặc trưng sóng, dòng chảy, mực nước; các kiến thức cơ bản về vận chuyển bùn cát, cơ chế vận chuyển bùn cát tại bờ biển; dòng ven bờ và vận chuyển bùn cát ven bờ, vận chuyển bùn cát ngang bờ và diễn biến bờ biển, mô hình hóa bờ biển và tính toán diễn biến đường bờ; các giải pháp bảo vệ bờ biển chống sạt lở. Mục tiêu của môn học là trang bị cho sinh viên những hiểu biết cơ bản nhất về mặt bản chất vật lý các quá trình diễn biến bờ biển, và cách vận dụng các nguyên tắc kỹ thuật để giải quyết các vấn đề có liên quan tới kỹ thuật bờ biển như xói lở bờ biển, ngập lụt bờ biển, bồi lắng cảng biển, vv. Giáo trình này có thể dùng là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư ở một số ngành xây dựng công trình hoặc các lĩnh vực nghiên cứu có liên quan tới kỹ thuật bờ biển. Nội dung của giáo trình bao gồm việc giới thiệu các hiểu biết chung về các quá trình xảy ra ở dải ven bờ, cách tính toán vận chuyển bùn cát, tính toán diễn biến bờ biển và đưa ra các biện pháp kỹ thuật nhằm giải quyết hoặc hạn chế những bất lợi do diễn biến bờ biển gây ra. Sau khi hoàn thành môn học, các kiến thức sinh viên thu nhận được sẽ được chia thành 2 mức độ: ở mức độ thứ nhất: sinh viên phải nhận biết và giải thích được các diễn biến bờ biển theo quan điểm hình thái bờ biển. Ở mức độ thứ 2: sinh viên biết vận dụng các công cụ và kiến thức được học như các công thức, các lý giải về mặt chuyên môn, các chương trình tính toán máy tính để giải thích và tính toán các cơ chế diễn biến bất lợi của bờ biển và sinh viên có thể đề xuất các phương án thích hợp để giải quyết các vấn đề này. Giáo trình bao gồm 7 chương sẽ lần lượt đề cập tới những nội dung cơ bản về hình thái bờ biển như đã nêu ở trên. Chương 1 giới thiệu môn học và các khái niệm, thuật ngữ liên quan tới môn học hình thái bờ biển. Chương 2 sẽ đề cập tới các điều kiện biên quan trọng trong tính toán diễn biến bờ biển, đó là sóng, mực nước và dòng chảy. Do các kiến thức về sóng, mực nước và dòng chảy đã được giới thiệu ở các môn học trước, nên chương 2 chỉ giới thiệu lại những khái niệm cơ bản nhất về sóng, mực nước và dòng chảy có liên quan tới diễn biến bờ biển. 1
8. Chương 3 sẽ đề cập tới các vấn đề động lực hình thái ở bờ biển. Cụ thể là các hiện tượng sóng đổ và sự hình thành các dòng chảy ở vùng ven bờ. Chương 4 trình bày các kiến thức cơ bản về vận chuyển bùn cát bờ biển, đặc biệt nhấn mạnh tới các cơ sở lý thuyết cơ bản sẽ được ứng dụng trực tiếp trong tính toán vận chuyển bùn cát ven bờ. Các quá trình diễn biến bờ biển, mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng và sự biến đổi hình dạng mặt cắt ngang bãi biển dưới tác dụng của sóng và dòng chảy sẽ được trình bày trong chương 5. Bên cạnh các phương pháp tính toán lượng vận chuyển bùn cát bờ biển thông thường, chương 6 trong giáo trình còn giới thiệu một số công cụ tính toán hiện đại, rất cần thiết cho các kỹ sư ngành kỹ thuật bờ biển. Các công cụ này cho phép tính toán, mô phỏng và dự báo các quá trình diễn biến bờ biển. Trong chương 7, các hình thức diễn biến bờ biển bất lợi sẽ được xem xét, mô tả và lý giải. Để ứng phó với các diễn biến bất lợi này, một số giải pháp sẽ được đề cập, bao gồm các giải pháp công trình và phi công trình, sự ảnh hưởng của các công trình này tới diễn biến bờ biển cũng sẽ được xét tới trong chương 7. 1.2 CÁC THUẬT NGỮ LIÊN QUAN TỚI HÌNH THÁI BỜ BIỂN Dean (2002), khi bàn về các thuật ngữ được sử dụng trong ngành kỹ thuật bờ biển đã nhấn mạnh rằng, trong thực tế các bãi biển ở mọi nơi trên khắp thế giới đều có kết cấu và hình dạng rất giống nhau. Hình dạng mặt cắt ngang bãi biển, được định nghĩa là hình dạng của mặt cắt ngang lấy theo phương vuông góc với đường bờ, nói chung sẽ có kết cấu gồm bốn phần là: phần ở ngoài khơi, phần gần bờ, phần bãi và phần bờ biển, như hình vẽ minh họa (1-1) Như trên hình vẽ, có thể thấy đường bờ thường được định nghĩa là đường ranh giới, nơi có sự tiếp giáp giữa biển và đất liền, tương ứng với sự giao động mực nước do hiện tượng thủy triều mà ranh giới này cũng sẽ dịch chuyển sâu vào trong đất liền hoặc xa ra phía biển. Trong một thời đoạn nhất định, đường bờ là đường mép nước trung bình của thủy triều.Vị trí chính xác của đường bờ sẽ phụ thuộc trực tiếp vào trạng thái của thủy triều, điều kiện sóng tại đó và độ dốc của bãi biển. Bãi biển (hay bờ biển) là vùng được xác định nằm giữa ranh rới của mực nước triều thấp và giới hạn tác dụng của sóng về phía đất liền; thông thường, là điểm ở chân các mỏm đá hoặc đường ranh rới xuất hiện thực vật tồn tại trong thời gian dài trên bờ biển. Bãi biển được chia thành 2 phần, phần bãi trước và phần bãi sau. Bãi trước là phần bãi nằm trên ranh rới giữa mực nước cao và mực nước thấp khi sóng dồn lên bờ biển và khi sóng rút ra khỏi bờ. Bãi sau được giới hạn từ phần nước cao đến giới hạn trên cùng về phía đất liền của sóng. 2
9. Hình 1-1. Mặt cắt ngang đường bờ (theo Shore Protection Manual, 1984) Theo Silvester (1997), thuật ngữ bờ biển (coast), thường hay bị hiểu nhầm là bãi biển (beach), được định nghĩa là “dải đất có chiều rộng không xác định (có thể lên tới vài km) được kéo dài từ vị trí của đường bờ trên đất liền tới điểm đầu tiên có sự biến đổi lớn về đặc điểm địa hình về phía biển”. Theo định nghĩa của Silvester, một thuật ngữ thường được nhắc tới của vùng ven biển có thể bao gồm các thành phần như bờ biển, bãi biển và vùng gần bờ (là vùng có chiều rộng kéo dài từ mực nước thấp tới giới hạn “sóng vỡ”). Một đường bờ biển có thể được hiểu theo 2 cách khác nhau. Về mặt kỹ thuật mà nói thì đường bờ biển là đường hình thành ranh giới bờ biển và bãi biển, nhưng nó cũng thường được coi như là đường hình thành ranh giới giữa đất và nước. Theo Bird (1984) thì tổng chiều dài đường bờ biển trên thế giới ước tính vào khoảng 500,000 km, trong đó chỉ có 20% là bờ biển có cấu tạo cát. Mặt cắt ngang bờ biển được tạo nên từ cát được đẽo gọt lại khi sóng chuyển động từ vùng nước sâu vào bờ; khi vào tới vùng nước nông, sóng sẽ bị vỡ khi nó gặp các dải cát ngầm. Bãi trước (foreshore), hay còn gọi là vùng sóng vỗ, là vùng mà mặt cắt bãi thường xuyên ở trạng thái khô, ướt một cách luân phiên nhau khi sóng xô vào phần mái dốc trên bãi. Phần bãi biển khô ráo, không bị ngập nước có thể có một hoặc nhiều “thềm” bãi, các thềm bãi là những phần bãi nằm ngang có độ dốc rất nhỏ; nối tiếp với các thềm bãi là các “vách đứng”, là phần bãi bị cắt gần như thẳng đứng do tác dụng của sóng vào thời điểm mực nước dâng cao (có thể do xảy ra khi xuất hiện bão). Tiếp theo phần vách đứng về phía trong đất liền có thể có các cồn cát, đụn cát được hình 3
10. thành khi gió dịch chuyển cát từ bãi vào phía bên trong (quá trình tạo nên các cồn cát thường kết hợp với sự xuất hiện của thực vật có mặt trên bờ biển như cỏ, chúng có tác dụng bẫy và chặn cát thổi từ biển vào đất liền). Có nơi các đụn cát, cồn cát được thay thế bằng các vách đá hoặc các dốc cát dựng đứng (đặc biệt là phần bờ biển bị xói lở ở phần phía trên) Trên mặt bằng (trên ảnh chụp máy bay phần bờ biển), đường bờ có thể có một số nét đặc trưng đáng quan tâm. Tại hình (1-2.A), bờ biển được án ngữ bởi một đảo chắn với các lạch triều cắt ngang qua đảo từ nhiều phía. Hình thế bờ biển này này xuất hiện ở rất nhiều nơi trên thế giới. Các lạch triều là nơi trao đổi dòng chảy từ biển vào hệ thống đầm, phá phía bên trong các đảo chắn và ngược lại. Thông thường, quá trình lắng đọng bùn cát sẽ kéo theo hiện tượng đóng các lạch triều có thể thấy xuất hiện ở nhiều nơi. Hình 1-2. Hình dạng mặt bằng đường bờ biển dạng đảo chắn Một đảo chắn tại cửa vịnh có thể xuất hiện khi các dải cát ngầm hình thành phát triển từ một mũi đất (head land) như hình (1-2.B). 1.3 KỸ THUẬ BỜ BIỂN, HÌNH THÁI BỜ BIỂN VÀ QUÁ TRÌNH DIỄN BIẾN BỜ BIỂN Theo Velden (2001), nói chung thuật ngữ “kỹ thuật bờ biển” có liên quan tới tất cả các vấn đề kỹ thuật diễn ra ở vùng bờ biển. Do kỹ thuật bờ biển bao hàm các vấn 4
11. đề quá rộng, nên nó được chia thành 3 lĩnh vực chính tương ứng với 3 vấn đề lớn về mặt kỹ thuật có trong thực tế. Ba lĩnh vực chủ yếu đó là: Cảng biển, Hình thái và Nghiên cứu ở vùng ngoài khơi. Sẽ là chủ quan nếu nói rằng Hình thái là lĩnh vực quan trọng nhất, nhưng các nghiên cứu trong hai lĩnh vực còn lại là Cảng biển và Vùng ngoài khơi đều có liên quan chặt chẽ tới nghiên cứu Hình thái. Các cảng biển có thể bị ảnh hưởng của hiện tượng bồi lắng trong cảng hay luồng tàu vào ra cảnh, trong khi các công trình ngoài khơi như các đường ống dẫn dầu, hoặc đường cáp ngầm qua biển có thể bị ảnh hưởng của hiện tượng xói lở. Giáo trình sẽ chỉ đề cập tới các khái niệm có liên quan tới Hình thái bờ biển. Hình thái bờ biển được hiểu là các hình dạng vật lý và cấu trúc của bờ biển. Hay nói cách khác: hình thái bờ biển là khoa học nghiên cứu về sự tương tác giữa các yếu tố động lực như sóng, dòng chảy, vv tới bờ biển mà các tương tác này có thể gây nên sự dịch chuyển của bùn cát ở vùng ven bờ và dẫn tới sự biến đổi hình dạng của bờ biển. Bờ biển trong tự nhiên có thể chia làm 3 loại chính căn cứ theo cấu tạo của các vật liệu thành tạo và có mặt trên bờ biển, đó là bờ biển có cấu tạo đá, bờ biển cát và bờ biển bùn. Bờ biển có cấu tạo đá hầu như có cố định (hoặc có đáy và đường bờ không thay đổi) trong khoảng thời gian tương đối dài. Do những biến đổi tại bờ biển có cấu tạo đá chỉ xảy ra sau một thời gian rất dài (có khi hàng vài trăm năm) nên nó thường được xem xét trong lĩnh vực địa chất học hơn là trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển. Bờ biển cát hay bãi biển cát, ngược lại, rất dễ bị biến dạng, dưới tác dụng của sóng và dòng chảy. Vị trí đường bờ biển của một bãi biển cát thường xuyên dịch chuyển, hoặc tiến ra phía biển hoặc lùi vào trong đất liền, và là đối tượng tác động của của sóng, dòng chảy Hầu hết các bờ biển trên thế giới đều có cấu tạo là cát, chỉ có một số ít là có cấu tạo đá và bờ biển bùn. Bờ biển bùn có cấu tạo là các hạt sét, bùn, cát mịn và là các vật chất có tính dính kết, hoàn toàn khác về mặt bản chất vật lý và hóa học với các hạt vật chất không kết dính như cát, cuội, sỏi. Các quá trình của các hạt vật chất có tính kết dính này bị chi phối mạnh bởi các tương tác vật lý và hóa học giữa các hạt đơn lẻ và một nhóm hạt bùn cát (ví dụ như quá trình keo kết, ngưng tụ, lắng đọng), cũng sẽ không được đề cập tới trong giáo trình này Để có thể tính toán và dự báo được diễn biến hình thái bờ biển thì trước tiên phải hiểu và nắm bắt được các quy luật chuyển động của nước, các tác động của các yếu tố tự nhiên lên bờ biển. Do vậy, trước khi tiếp cận với môn học hình thái bờ biển, người học cần có các các kiến thức cơ bản về cơ học chất lỏng, thủy lực, sóng gió, thủy triều, địa lý vv. Cho tới nay, ảnh hưởng của sóng do gió và các dòng chảy lên bãi biển vẫn còn chưa được hiểu rõ một cách hoàn toàn. Vận chuyển bùn cát ở vùng ven bờ là một nội dung 5
12. quan trọng trong nghiên cứu của hình thái bờ biển. Các kết quả nghiên cứu này đã và đang được sử dụng nhằm nâng cao độ chính xác cùng như tính thực tiễn của các mô hình toán dùng để mô phỏng hình thái bờ biển, trong đó có mô phỏng, dự báo biễn biến đường bờ. Khi không phải tất cả các biến đổi của bờ biển trong tự nhiên đều đúng theo mong muốn của con người thì các công trình bảo vệ bờ biển là giải pháp cần thiết để ứng phó với những biến đổi bất lợi trên. Các công trình bảo vệ bờ thường được sử dụng để làm chậm các tác động bất lợi do các quá trình tự nhiên xảy ra ở bờ biển, đôi khi là vô hiệu hóa các ảnh hưởng của các diễn biến này. Ví dụ việc xây dựng các đập mỏ hàn vuông góc với bờ, hay các đập phá sóng ngoài khơi để làm chậm quá trình xói lở bờ biển. Xây dựng đê biển và hệ thống kè, hay tường biển bảo về mái đê phía ngoài biển cũng là một giải pháp thường được sử dụng để chống lại tác động của nước dâng, sóng, và triều cường đối với những vùng trũng phía trong đất liền. Ngày nay, bên cạnh các giải pháp công trình, ở các nước phát triển người ta bắt đầu hướng tới những giải pháp mang tính "phi công trình", thân thiện với môi trường và đáp ứng được yêu cầu phát triển bền vững, hài hòa với thiên nhiên. QUÁ TRÌNH DIỄN BIẾN BỜ BIỂN Một trong những nội dung quan trọng trong hình thái bờ biển là nghiên cứu các quá trình diễn biến bờ biển. Vậy quá trình diễn biến bờ biển là gì ? Nó được hiểu là các quá trình tự nhiên có tác động tới sự biến đổi hình dạng đường bờ và vùng ven bờ và được xem xét, nghiên cứu ở nhiều phạm vi không gian và thời gian khác nhau tùy thuộc vào tính chất và mức độ phát triển của các quá trình này. Ví dụ như quá trình xói lở bãi biển, tại chân các đụn cát do bão thường được xem xét trong thời gian xảy ra bão (có thể vài giờ, hoặc 1 ngày), nhưng quá trình tự khôi phục lại bãi biển sau đó có thể xảy ra trong một vài tháng hoặc trong mùa kế tiếp. Bờ biển luôn biến đổi một cách liên tục dưới tác dụng của sóng và dòng chảy tại nhiều phạm vi không gian và bước thời gian khác nhau. Ví dụ như khi bờ biển chịu tác động của một con sóng đơn làm bùn cát ở ven bờ nổi lơ lửng trong nước và dòng chảy do sóng sinh ra sẽ vận chuyển bùn cát bị nổi lơ lửng này về phía hạ lưu của dòng chảy dọc bờ. Quá trình tác động của sóng đơn này chỉ diễn ra trong vòng vài giây và có phạm vi tác động trong dải sóng vỡ mà thôi. Nhưng khi quá trình này diễn ra liên tục trong nhiều ngày hoặc nhiều năm, nó có thể gây ra hiện tượng xói lở bờ biển kéo dài trên một vùng rộng vài trăm mét đến hàng chục kilômét. Hiện tượng xói lở hoặc bồi tụ liên tục trong thời gian nhiều tháng, nhiều năm sẽ dẫn tới đường bờ bị suy thoái (hoặc phát triển) vào trong đất liền. 6
13. Lại có những quá trình diễn biến bờ biển đòi hỏi phái được xem xét trên một phạm vi rộng đến hàng trăm kilômét và trong khoảng thời gian hàng trăm năm, ví dụ như những quá trình thành tạo và phát triển của các đồng bằng châu thổ sông Hồng hay đồng bằng sông Cửu Long, hay quá trình phát triển, suy thoái và thay thế của các cửa sông trên một hệ thống các cửa sông đổ ra biển. Những hiểu biết về các diễn biến bờ biển trong quá khứ với thời đoạn dài (khoảng vài trăm năm đến hàng nghìn năm) là rất quan trọng vì nó sẽ cho biết được những thông tin cần thiết để diễn giải được các nhân tố chính đã từng có tác động đến hình dạng của đường bờ biển trong quá khứ; thông qua các suy đoán trên cơ sở các luận cứ đã có. Có thể các nhân tố tác động này vẫn đang tiếp tục diễn ra trong hiện tại tuy với mức độ nhỏ hơn so với quá khứ. Theo Dean (2002), trong vòng 50 năm trở lại đây, kỹ thuật bờ biển đã trở thành một ngành khoa học hoàn chỉnh với các nghiên cứu chuyên sâu với mục tiêu là nắm bắt được các quy luật của quá trình diễn biến bờ biển và phát triển các chiến lược ứng phó có hiệu quả đối với hiện tượng xói lở bờ biển. Với các tiếp cận nghiên cứu ngày càng tinh vi, sâu sắc về quá trình diễn biến bờ biển, các kỹ sư kỹ thuật bờ biển có thể thiết kế một cách hiệu quả các công trình bảo vệ bờ. Với áp lực của sự gia tăng dân số toàn cầu, nhất là ở khu vực ven biển; và mối đe dọa về sự gia tăng mực nước biển, sự gia tăng số lượng và mức độ tàn phá của bão biển, thì nhu cầu về kỹ thuật bờ biển và các nghiên cứu chuyên sâu về diễn biến bờ biển chắc chắn sẽ ngày càng tăng. Cho tới nay, những hiểu biết tốt nhất về quá trình diễn biến bờ biển (trong đó bao gồm cả những hiểu biết về dòng chảy ven bờ, sóng và tương tác giữa sóng với bờ biển)bao gồm: năng lực phân tích, tổng hợp các quá trình diễn ra trong tự nhiên/ năng lực diễn giải, giải thích các hiện tượng phức tạp; đôi khi là sự mâu thuẫn giữa các căn cứ, bằng chứng/ các kinh nghiệm đạt được từ các nghiên cứu trên một loạt các bờ biển và từ các công việc thực hiện tại các dự án có liên quan tới kỹ thuật bờ biển. Tuy vậy, việc mô tả toán học các hiện tượng tự nhiên diễn ra ở bờ biển, nhất là mô tả các chuyển động phức tạp của dòng chảy và bùn cát ở bờ biển vẫn còn hạn chế, đây cũng là nguyên nhân làm hạn chế khả năng mô phỏng và dự báo các diễn biến ở bờ biển trong thời đoạn dài bằng các mô hình toán học. Nhiều nghiên cứu về các hiện tượng, quá trình diễn biến ở bờ biển đang tiếp tục được thực hiện thông qua việc so sánh các kết quả tính toán với các đo đạc thực tế tại bờ biển và các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên những nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này, nhất là về động lực ở bờ biển trong điều kiện tự nhiên là một trong những nghiên cứu thú vị và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và cả các sinh viên theo học ngành kỹ thuật bờ biển. Nói chung, các bài toán nghiên cứu bờ biển có thể chia thành 2 loại: thứ nhất là các bài toán vĩ mô, sử dụng các định luật bảo toàn hoặc tìm ra các luận cứ để đi đến các giải 7
14. pháp hợp lý; và thứ hai là các bài toán vi mô, loại này thường bao gồm các nghiên cứu chi tiết bản chất vật lý của các hiện tượng diễn ra ở bờ biển. Ngày nay, các tiếp cận theo hướng các bài toán vĩ mô thường hữu ích hơn cho các kỹ sư ngành kỹ thuật bờ biển; còn đối với các nghiên cứu chi tiết về bản chất vật lý của các quá trình diễn biến bờ biển thì vẫn còn là vấn đề hóc búa, hy vọng trong tương lai, những thành tựu nghiên cứu theo hướng tiếp cận vi mô sẽ thay thế hoặc kết hợp với các tiếp cận theo hướng vĩ mô. 1.4 LỊCH SỬ VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH KỸ THUẬT BỜ BIỂN Kỹ thuật bờ biển là một ngành khoa học trẻ, mới chỉ hình thành và phát triển trong năm 50 của thế kỷ 20. Trong lịch sử, việc xây dựng các công trình ven biển đều có liên quan tới các kỹ sư dân sự và các kỹ sư phục vụ trong quân đội. Tại Mỹ, hầu hết các nghiên cứu về biển và xây dựng các công trình ven biển đều do các kỹ sư thuộc Tổ hợp kỹ thuật quân sự của quân đội Mỹ thực hiện. Thuật ngữ “ kỹ sư bờ biển” được nhắc tới và được sử dụng phổ biến vào những năm 1950, với Hội thảo đầu tiên về kỹ thuật bờ biển tại Long Beach, California. Trong lời nói đầu của tuyển tập các nghiên cứu khoa học tại Hội thảo này, M.P. O'Brien đã viết, “ Nó (ngành kỹ thuật bờ biển), không phải là một ngành mới hay là một ngành riêng biệt của kỹ thuật mà trước hết Kỹ thuật bờ biển là một ngành nằm trong Kỹ thuật Dân dụng, ngành này chủ yếu thiên về hải dương học, cơ học chất lỏng, điện tử, kết cấu công trình và các ngành khác”. Bên cạnh đó còn phải kể tới địa chất, địa mạo, phân tích thống kê, hóa học và khoa học vật liệu. Khái niệm này cho tới nay, về cơ bản vẫn đúng. Tuy vậy, kỹ thuật bờ biển đã có những phát triển vượt bậc trong vài thập kỷ gần đây. Từ lần hội thảo đầu tiên với tuyển tập hội thảo có 35 bài báo khoa học; cho tới nay, tại hội thảo lần thứ 30 (tổ chức năm 2006 tại San Diego, Mỹ) đã có hơn một ngàn bài báo, báo cáo tham dự hội thảo. Ngoài ra, mỗi năm hai lần, các Hội thảo Quốc tế về kỹ thuật bờ biển cho một số chuyên ngành như cảng, nạo vét, bùn cát bờ biển, dải ven bờ và công trình biển, đo đạc và phân tích sóng và kỹ thuật bờ biển và xây dựng cảng tại các nước đang phát triển cũng đã được tổ chức. Các lĩnh vực có liên quan tới kỹ sư ngành KTBB được mô tả trong danh sách dưới đây ƒ Các nghiên cứu triển khai (thông qua đo đạc thực tế và khôi phục từ số liệu lịch sử) có liên quan tới sóng ở vùng nước nông, dòng chảy và các điều kiện mực nước. ƒ Thiết kế các dạng công trình biển ổn định, bền vững, hiệu quả và kinh tế bao gồm: các đập phá sóng, đê chắn sóng, đập mỏ hàn, kè biển, tường biển, cầu tàu, các kết cầu ngoài khơi và các đường ống dưới biển. 8
15. ƒ Khống chế hiện tượng sạt lở bờ biển bằng các công trình bảo vệ bờ biển hoặc bằng các giải pháp "mềm" mang tính "phi công trình" và thân thiện với môi trường như nuôi bãi nhân tạo, trồng cây chắn sóng ven biển, ƒ Ổn định các cửa sông, lạch triều, luồng tàu, phục vụ giao thông thủy và thoát lũ thông qua việc nạo vét, xây dựng các công trình hoặc bằng các cơ chế chuyển cát nhân tạo ƒ Dự báo sự biến đổi của dòng chảy, mực nước ở các lạch triều, cửa sông và đánh giá ảnh hưởng của chúng tới sự ổn định của luồng lạch cũng như chất lượng nước. ƒ Nghiên cứu phát triển các công trình bảo vệ vùng ven biển có nguy cơ bị ngập lụt do hiện tượng nước dâng hoặc sóng thần ƒ Thiết kế cảng và bến neo đậu tàu thuyền và các công trình phụ trợ bao gồm: bến cảng, tường neo, trụ neo, cầu cảng và hệ thống neo tàu vv ƒ Thiết kế các công trình bảo vệ đảo ngoài khơi ƒ Giám sát các dự án khác nhau về bờ biển thông qua các quan trắc đa dạng tại hiện trường XU THẾ PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và máy tính điện tử mà ngành Kỹ thuật bờ biển cũng có sự bùng nổ về loại và sự tinh vi của các mô hình toán trong phân tích các hiện tượng có liên quan tới bờ biển. Trong hầu hết các lĩnh vực của kỹ thuật bờ biển, nhưng không phải là tất cả, các mô hình toán đã bổ sung và thay thế dần cho các mô hình vật lý. Trong một số lĩnh vực nghiên cứu như tính toán dự báo nước dâng do bão, thì chỉ có mô hình toán mới là công cụ thích hợp và hiệu quả. Mặt khác, một số bài toán như tính toán sóng leo và sóng tràn qua đỉnh các công trình bờ biển hay tính toán ổn định của các viên đá bảo vệ chịu tác dụng của sóng chỉ có thể thực hiện được tốt nhất trong phòng thí nghiệm. Robert (1997) khi bàn về phương hướng quan trọng của ngành kỹ thuật bờ biển trong thực tiễn đã nhấn mạnh rằng, đang có xu hướng xây dựng các công trình bảo vệ bờ dạng “mềm” và ít gây cản trở dòng chảy. Ví dụ như việc xây dựng các công trình đập phá sóng ngoài khơi bảo vệ bờ thường có cao trình đỉnh ở ngay dưới mực nước biển trung bình, tại cao trình này các đập vẫn có tác dụng khống chế các sóng, và ít gây ảnh hưởng bất lợi tới cảnh quan. Các thiết bị đo đạc, quan trắc ngoài thực địa ngày càng nhiều về số lượng và nâng cao về mặt tính năng của thiết bị. Ví dụ như cách đây 20 năm, các thiết bị đo sóng thường chỉ đo đạc các dao động ở trên mặt nước tại 1 điểm (do vậy mà không thể đo được các thành phần của sóng theo các hướng khác của phổ sóng). Ngày nay, các thiết 9
16. bị đo sóng có thể đo đạc phổ sóng theo nhiều hướng đồng thời đang được sử dụng một cách phổ biến trong các nghiên cứu ngoài thực địa. Tính tăng của máy tạo sóng trong phòng thí nghiệm đã được cải thiện một cách đáng kể. Trước những năm 60, mới chỉ có thể tạo được các sóng đơn và đều có chu kỳ và chiều cao sóng không đổi bằng máy tạo sóng. Trong những năm 70, các máy tạo phổ sóng một chiều đã trở nên thông dụng. Đến nay, các máy tạo sóng đa phổ định hướng đã có mặt ở nhiều phòng thí nghiệm. 1.5 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VÙNG VEN BIỂN Như đã được định nghĩa ở trên, đường bờ được xem như là ranh giới giữa đất liền với đại dương, biển hay hồ. Vùng ven biển là phần diện tích của đất và nước bao bọc lấy đường bờ và kéo dài về cả hai phía đất liền và biển. Về phía đất liền vùng ven biển được kéo dài tới một giới hạn thích hợp, còn về phía biển thì nó kéo dài tới vùng thường xuyên diễn ra các quá trình động lực quan trọng đối với vùng bờ. Phân loại bờ biển Các tác động tới bờ biển là rất khác nhau, phụ thuộc vào phạm vi của tác động theo không gian và thời gian; các thành tạo địa chất; loại bùn cát; các yếu tố động lực xuất hiện ở vùng ven biển cũng như các tác động của con người trong khu vực này. Bùn cát của bãi biển có đường kính hạt biến đổi trên một dải rộng, từ các hạt bùn mịn tới cát thô, dăm, cuội sỏi và đá tảng. Dựa vào thành phần, đặc tính của các vật chất có mặt trên bãi biển mà người ta có thể phân bờ biển thành các loại sau: bờ biển bùn, bờ biển cát, bờ biển cuội, sỏi và bờ biển có cấu tạo đá và các mũi đá. Trên cơ sở các đặc tính đặc trưng (về mặt hình thái học và hiện tượng diễn biến ở bờ biển) mà người ta có thể phân loại bờ biển theo một cách khác; bao gồm: bờ biển có cấu tạo là các đảo chắn, bờ biển châu thổ, bờ biển cồn cát; bờ biển cấu tạo vách đá, bờ biển san hô, bờ biển rừng ngập mặn và bờ biển đầm lầy, cỏ biển, vv Dựa trên lưu lượng dòng chảy (bao gồm lưu lượng dòng chảy và lưu lượng bùn cát) từ sông ra biển, đặc trưng sóng theo mùa (biểu thị thông qua độ cao sóng trung bình ở vùng nước nông - ký hiệu H) và độ lớn tương đối của thủy triều (biên độ triều - ký hiệu là TR), một cách phân loại bờ biển khác được đề cập tới như sau: bờ biển có quá trình dòng chảy sông giữ vai trò thống trị và bờ biển mà năng lượng sóng giữ vai trò thống trị có tương quan (TR/H = 0,5-1), bờ biển mà năng lượng thủy triều giữ vai trò thống trị (TR/H >3) và bờ biển hỗn hợp (TR/H =1 đến 3) Khi tác dụng của sóng và dòng chảy tương đối nhỏ và dòng sông mang một lượng bồi tích lớn chảy ra biển, thì có thể dẫn đến sự hình thành một tam giác châu kéo dài ra phía biển, theo xu thế phát triển của đường bờ. Tại một số nơi, đường bờ bị chia cắt tạo thành các cửa sông hoặc lạch triều ăn thông với vịnh ở phía trong đất liền. 10
17. Các cửa sông hoặc lạch triều thường được duy trì nhờ có tác dụng của dòng chảy từ sông hoặc do tác dụng của dòng triều. Ngoài ra còn có một số bờ biển có vách đá dốc mà phần bãi phía trước nó là các bãi biển nhỏ hoặc không còn bãi biển dưới chân vách đá nữa. Do các bờ biển cát thường chiếm đa số và quá trình động lực ở loại bờ biển này thường rất mạnh và với nhiều đặc điểm lý thú nên loại đường bờ này thường nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu. Khi thiết kế và xây dựng các công trình ven biển, cần phải lường trước các ảnh hưởng của công trình gây ra đối với chế độ dòng chảy, động lực sóng và biến đổi bờ biển tại vị trí xây dựng công trình và khu vực lân cận đó. Điều này trở nên cần thiết hơn nếu yêu cầu đặt ra khi xây dựng công trình là ổn định và không gây những tác động không mong muốn. Các hậu quả không mong muốn khi xây dựng các công trình dọc bờ biển có thể là hiện tượng bồi lấp hoặc xói lở bờ biển ở lân cận khu vực xây dựng công trình do quá trình vận chuyển bùn cát theo hướng dọc bờ hay theo hướng vuông góc với đường bờ bị gián đoạn bởi công trình đã xây dựng. Ở vùng ven biển, sóng thường là yếu tố động lực mạnh và có ảnh hưởng lớn tới đường bờ. Đáng kể và dễ nhận thấy nhất là các tác động do các sóng hình thành từ gió. Một loại sóng khác cũng có tầm quan trọng không kém là các sóng có nguồn gốc từ hiện tượng thủy triều, đó là các sóng dài hình thành do tác dụng của lực hấp dẫn vũ trụ từ mặt trăng và mặt trời đối với trái đất, hay còn gọi là sóng triều. Bên cạnh sóng gió và sóng triều là các sóng khác có tần suất xuất hiện nhỏ hơn rất nhiều so với sóng triều hay sóng gió. Xét về tổng thể, thì các sóng này có tầm quan trọng nhỏ vì tần suất xuất hiện rất thấp, nhưng nó lại có những ảnh hưởng rất lớn tới những nơi mà nó tác động, đó các sóng hình thành do hiện tượng địa chấn dưới lòng đại dương hay còn gọi là sóng thần (tsunamis). Một loại sóng khác cũng thường đường đề cập tới trong các nghiên cứu ở khu vực cửa sông, ven biển là sóng do tầu thuyền khi chuyển động tạo ra. Sóng do gió gây nên những tác dụng đáng kể nhất đối với sự biến đổi của bãi biển. Mặt cắt ngang của bãi biển có hướng vuông góc với đường bờ thường biến đổi hình dạng khi cát bị mang ra ngoài khơi và quay trở lại phía bờ trong một khoảng thời gian. Ở nhiều nơi, một lượng lớn cát cũng bị vận chuyển dọc theo bờ biển dưới tác dụng của sóng khi nó tác dụng theo hướng xiên góc với đường bờ. Các tác động của dòng chảy thường chi phối các diễn biến tại cửa vào của các vịnh và các cửa sông, nơi dòng chảy có vận tốc lớn hình thành. Đối với các khoa học và các kỹ sư đang nghiên cứu hoặc làm các công việc có liên quan tới biển thì những hiểu biết về có chế hình thành của sóng và có khả năng dự báo các đặc trưng của sóng hình thành từ gió là điều không thể thiếu. 11
18. Nói chung, sóng được hình thành ở vùng nước sâu, và sau đó được truyền ra khắp đại dương, thậm chí là từ biển này tới biển khác, và khi đi tới gần bờ do ảnh hưởng của địa hình đáy, sóng bị biến dạng làm thay đổi chiều cao sóng và hướng sóng. Các sóng này thường được gọi là sóng lừng, hay sóng cồn (swell waves). Trong quá trình lan truyền trên biển, chỉ có một phần nhỏ năng lượng của sóng bị tiêu hao. Sự tiêu hao năng lượng này chỉ làm giảm chiều cao sóng chứ không làm thay đổi chu kỳ của sóng. Các sóng lừng, được xem như có tác dụng phân phối lại năng lượng gió (nguồn năng lượng này là rất lớn) một cách hiệu quả nhất tới mọi bờ biển trên thế giới. Các sóng này (hoặc là có nguồn gốc từ bão hoặc là do biển động) trước khi tới được bờ biển sẽ phải di chuyển qua thềm lục địa. Sự biến đổi các đặc tính của sóng khi nó di chuyển qua vùng thềm lục địa và vùng nước nông lân cận gần bờ, cần phải được hiểu rõ. Cuối cùng, khi đi vào gần bờ, do ảnh hưởng của ma sát đáy, sóng bị vỡ và gây nên sự biến đổi năng lượng rất phức tạp trong vùng bờ nơi nó vỡ và đối với các công trình được xây dựng trong khu vực này. Bởi vậy, khi nghiên cứu về các quá trình diễn biến bờ biển và vận chuyển bùn cát tại một đoạn bờ biển cụ thể nào đó thì các thông tin về loại sóng, thời gian xuất hiện của nó trong các tháng, các mùa và trong cả năm cần phải được xác định một cách cụ thể. Những thông tin này được gọi là đặc trưng sóng theo mùa (wave climate). Khi xét tới tác động của một sóng đơn lên bãi biển, người ta thường xác định mức độ tác động lớn hay nhỏ căn cứ vào 3 thông số chính, đó là: chiều cao và chu kỳ sóng, hướng sóng tác động tới đường bờ và tần suất xuất hiện của sóng đó trong năm. Hướng sóng tác động tới đường bờ là một tham số quan trọng, không chỉ đối với tính toán thiết kế công trình, mà còn đối với cả các nghiên cứu vận chuyển bùn cát ở ven bờ. Khi tính toán thiết kế các công trình ven biển, người ta thường quan tâm tới các tài liệu thống kế về sóng, đặc biết là số liệu có liên quan tới con sóng lớn nhất đã từng xuất hiện tại khu vực xây dựng công trình. Nếu khu vực xây dựng công trình có đầy đủ các tài liệu quan trắc sóng trong quá khứ thì việc tính toán xác định các thông số sóng thiết kế theo tần suất thường không quá phức tạp. Tuy nhiên, nếu khu vực xây dựng công trình không có tài liệu quan trắc sóng, thì cần tính toán phục hồi lại số liệu sóng lớn nhất từ các số liệu về các trận bão lớn, đã xảy ra trong quá khứ. Cao trình mực nước biển cũng là một tham số quan trọng trong tính toán thiết kế công trình và tính toán diễn biến bờ biển. Thường đây là căn cứ để tính toán cao trình đỉnh của các công trình xây dựng ven biển và tính toán sóng leo trên bãi biển hoặc sóng leo trên mái công trình. Mực nước triều có thể dự báo được rất chính xác dựa vào bảng thủy triều xây dựng từ mực nước thực đo trong một, hai năm. Nước dâng do bão là hiện tượng thường hay xảy ra ở dọc bờ biển, đặc biệt là tại những vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão. Nước dâng là hiện tượng dâng cao 12
19. đột ngột mực nước biển dọc theo bờ biển trên một đoạn bờ biển nhất định nào đó có. Hiện tượng xảy ra khi đoạn bờ biển chịu tác động của gió bão, thổi liên tục với vận tốc lớn theo hướng nhất định từ biển vào đất liền, kết hợp với sự biến đổi khí áp cục bộ (xuất hiện khi có bão). Hiện tượng nước dâng do bão có thể gây ra những thiết hại rất lớn trên một diện rộng vì nó gây ngập lụt các vùng đất thấp ven biển và tạo điều kiện cho các sóng tác dụng vào sâu trong đất liền. Khi sóng vỡ ở gần bờ, nó có thể tạo với đường bờ một góc xiên. Do vậy thành phần của sóng theo hướng dọc bờ sẽ tạo thành dòng chảy dọc bờ, xuất hiện trong vùng sóng vỡ (surf zone). Trong vùng sóng vỡ có chuyển động rối của các chất điểm nước, kéo theo các hạt bùn cát ở đáy cũng bị khuấy động và nổi lơ lửng. Do tác dụng của dòng ven bờ các hạt bùn cát lơ lửng sẽ bị cuốn đi theo hướng dọc bờ và sự vận chuyển bùn cát này được gọi là tác dụng vận chuyển bùn cát dọc bờ. Dòng chảy dọc bờ có thể kết hợp với dòng tiêu (chảy vuông góc với bờ), tạo nên những ảnh hưởng riêng biết đối với sự phân tán bùn cát ở dải ven bờ. Bên trong đường sóng đổ (breaker line), dao động của các chất điểm nước tại đáy do sóng gây ra cũng làm cho bùn cát nổi lơ lửng trong nước. Các dao động này có giá trị lớn nhất tại đáy, và làm dịch chuyển bùn cát lơ lửng dọc bờ biển, chủ yếu trên một độ sâu tại mặt cắt ngang bờ biển Cát trên bãi biển và trên các đụn cát, cồn cát, ngoài các tác động của sóng và dòng chảy ven bờ, còn chịu tác động của gió. Cát bị gió cuốn lên phần thềm bãi của cồn cát ngoài cùng phía biển và chúng có tác dụng củng cố phần phía trước của cồn cát. Trong trường hợp sau một vài năm mà chúng không bị sóng bão làm cho xói lở thì chúng sẽ tiếp tục được phát triển trở thành cồn cát lớn hơn. Bên cạnh vấn đề xói lở bờ biển thì hiện tượng lắng đọng bùn cát tại các cửa sông, lạch triều cũng là vấn đề thường hay gặp ở vùng ven biển. Bùn cát khi chuyển động dọc theo bờ biển tới các cửa sông hay lạch triều, do có tương tác với dòng chảy từ sông đi ra hay tương tác với dòng triều xuống, sẽ tạo thành các dải ngầm ngoài cửa, đôi khi là các doi cát ngầm nâng dần lên trên mực nước biển. Vị trí và kích thước của các dải cát ngầm hay doi cát ngầm này thường xuyên thay đổi do chúng chịu tác động trực tiếp của sóng và dòng chảy dọc bờ, và gây cản trở rất lớn cho giao thông thủy. Tùy thuộc vào nguồn bùn cát được vận chuyển tới cửa sông, lạch triều là nhiều hay ít mà cửa sông sẽ bị bồi lấp hoàn toàn hay một phần, dẫn đến những chi phí nạo vét cửa hàng năm rất tốn kém. 1.6 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH BỜ BIỂN VIỆT NAM Bờ biển Viêt Nam có chiều dài hơn 3260km, là một dải bờ biển rất phức tạp. Đứng về mặt tác động của các quá trình động lực từ biển lên lục địa, từ lục địa (sông ngòi 13
20. v.v.) lên vùng bờ biển và sự tương tác lẫn nhau giữa chúng, thì đặc điểm của dải bờ biển là một trong những yếu tố quan trọng. Các đặc điểm này có thể kể sơ bộ như sau: - Đặc điểm của các cửa sông và của các hệ thống sông chảy ra biển. - Cao trình và cấu trúc địa chất của đường bờ biển. - Hướng và địa hình đáy của các đoạn bờ. - Hệ sinh thái dọc đường bờ và vùng ngập mặn - Hệ thống đê, kè biển v.v. Việc phân chia ranh giới các miền Bắc, Trung, Nam không đặc trưng cho sự đồng nhất về địa hình và đặc điểm của vùng bờ. Trong mỗi miền, đặc điểm địa hình vùng bờ rất phức tạp. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH VÙNG BỜ BIỂN MIỀN BẮC Nhìn chung về địa hình ở dải bờ miền Bắc là phức tạp nhưng tương đối bằng phẳng, độ dốc nhỏ. Đó là một trong những nguyên nhân tạo điều kiện cho nước dâng bão phát triển mạnh suốt cả dải bờ này. Mặc dù toàn dải bờ này có thể chia thành hai phần khác biệt nhau: phần phía bắc là đoạn bờ khúc khuỷu, nhiều đồi núi tạo thành vách đứng và hàng ngàn đảo che chắn ; phần phía nam là đoạn bờ thuộc vùng đồng bằng có nhiều cửa sông chia cắt. Nhưng ở đây có một đặc điểm chung là toàn bộ dải bờ đều có hướng chung là đông bắc - tây nam. Địa hình đáy thoai thoải, độ dốc không lớn, có bãi triều rộng. Đó cũng là đặc điểm thuận lợi cho các hiện tượng như sóng, nước dâng v.v . phát triển. a) Đường bờ từ Quảng Ninh đến Hải Phòng - Vùng bờ tỉnh Quảng Ninh, từ phía lục địa, đây là vùng bờ cửa sông dạng hình phễu. Các cửa sông chính ở đây là: Cửa Lục, Tiên Yên, Hà Cối và Ka Long. Các cửa sông này đều có lưu lượng nhỏ, ít phù sa. Nhưng do vùng này là vùng sụt chìm nên có diện tích ngập triều khá rộng. Hơn nữa, đây là nơi có biên độ triều lớn nhất Việt Nam (4,5m). Về phía biển, đây là vùng bờ có địa hình phức tạp nhất do có rất nhiều đảo nhỏ che chắn phía ngoài bờ (Vịnh Hạ Long, Bái Tử Long). - Dải bờ biển Hải Phòng: Đây là vùng cửa sông của hệ thống sông Thái Bình. Các cửa sông chính là Lạch Tray và Cửa Cấm. Dải bờ này có hệ thống lạch triều dày đặc. Đặc điểm nổi bật của dải bờ này là quá trình xói lở có xu thế tăng trong nhiều năm qua. b) Đường bờ từ Hải Phòng đến Thanh Hóa - Dải bờ thuộc châu thổ sông Hồng (từ Đồ Sơn - Hải Phòng đến Lạch Trường- Thanh Hóa) có các cửa sông: Ba Lạt, Cửa Đáy, Văn Lý. Trừ vùng Văn Lý trong một giới hạn hẹp có xói lở cục bộ, còn cả dải bờ này có xu hướng bồi tụ. Quá trình bồi tụ có xu hướng mở rộng ngang- từ bờ ra biển có thể tới 25km, như ở cửa sông Đáy, cửa 14
21. Ba Lạt (tại Văn Lý chỉ khoảng 2-4km). Ở đây, quá trình động lực sông chiếm ưu thế so với biển. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH VÙNG BỜ BIỂN MIỀN TRUNG Dải bờ biển miền Trung, xét theo đặc điểm địa hình có thể chia làm 3 đoạn như sau: a) Dải bờ bắc Trung bộ từ Thanh Hoá đến Hà Tĩnh. Phần phía bắc của đoạn này như sự kế tiếp của phần phía nam của đoạn bờ thuộc dải châu thổ sông Hồng. Phần phía nam có địa hình phức tạp hơn vì bị chia cắt bởi các cửa sông như Cửa Nhượng, Cửa Khẩu Nói chung đoạn bờ này khá bằng phẳng, độ dốc không lớn. Đường đẳng sâu 20m và 50m nằm cách bờ khá xa. Mặc dù cũng có sông ngòi đổ ra, nhưng các sông ở dải bờ này thường nhỏ, ngắn và dốc, nên không tạo được những cửa sông lớn như sông Hồng, sông Thái Bình, do vậy ở dải bờ này không có những bãi triều rộng như ở dải bờ châu thổ sông Hồng. Hệ sinh thái (rừng ngập mặn) ở đây khá nghèo. b) Dải bờ trung Trung bộ từ Quảng Bình đến Quảng Ngãi Là đoạn bờ có sự xen kẽ giữa núi cao (Đèo Ngang) và các bãi cát làm cho đường bờ trở nên khúc khuỷu. Đoạn bờ này có đặc tính như đoạn bờ phía bắc của miền Trung, với nhiều dãy núi đâm ra biển như mũi Chân Mây, đèo Hải Vân, bán đảo Sơn Trà, mũi Lay, mũi Dọc, và đồng thời dải bờ này tuy ngắn nhưng có nhiều sông đổ ra : Cửa Tùng, Cửa Việt, Cửa Thuận An, Cửa Đại Đồng bằng ven biển ở đây hẹp. Như vậy, núi, sông, đồng ruộng nằm đan xen nhau làm cho đường bờ khúc khuỷu. Giữa các mũi vươn ra tạo thành các vụng vịnh lớn như : vụng Chân Mây, vịnh Đà Nẵng. Độ sâu ở dải bờ biển này lớn. Đường đẳng sâu 50m nước nằm cách bờ không xa, đặc biệt đường đẳng sâu 20m nước gần như nằm sát bờ, có nơi chỉ cách bờ khoảng 10km. c) Dải bờ nam Trung bộ từ Quảng Ngãi tới Bình Thuận. Đây là đoạn bờ có ít sông đổ ra biển nhất. Sông lớn đáng kể nhất trên đoạn bờ này là sông Trà Khúc thuộc tỉnh Quảng Ngãi và sông Đà Rằng ở Tuy Hoà, thuộc tỉnh Phú Yên. Đoạn bờ này có một số mũi và bán đảo như: mũi Ba Làng An, mũi Đại Lãnh, mũi Dinh, mũi Kê Gà, bán đảo Hòn Gốm. Đồng thời có một số vịnh khá kín, thuận lợi cho tàu bè trú ẩn khi có dông, bão như vịnh Quy Nhơn, vịnh Văn Phong, vịnh Cam Ranh. Hệ thống đảo ven bờ vùng này nằm thưa thớt trên một dải bờ dài như đảo Lý Sơn (Quảng Ngãi), Cù Lao Xanh (Phú Yên), Hòn Tre (Khánh Hoà). 15
22. Nét nổi bật nhất của địa hình đáy đoạn bờ này là thềm lục địa rất hẹp và dốc. Các đường đẳng sâu 50m,100m, thậm chí cả đường đẳng sâu 1000m đi rất sát bờ, nhất là đoạn từ Quy Nhơn đến Nha Trang. Như trên đã nói, bão ở vùng này ít về tần số và nhỏ hơn về cường độ, vì thế nước dâng ở đây không lớn. Nhưng một phần quan trọng nữa làm hạn chế sự phát triển của nước dâng ở đây là địa hình đáy sâu và dốc. Về hệ sinh thái, nhất là rừng ngập mặn ở đoạn bờ này không đáng kể. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH VÙNG BỜ BIỂN MIỀN NAM Cả dải bờ này có nhiều đặc điểm không đồng nhất về hình thể đường bờ và địa hình vùng bờ. Nhìn chung, nó được chia thành 2 đoạn a) Dải bờ đông Nam bộ gồm hai hệ thống cửa sông chính : - Vùng cửa sông Đồng Nai. Trước khi đổ ra biển, sông Đồng Nai chia ra nhiều nhánh nhỏ và đổ ra vịnh Gành Rái nông và kín- đây là vịnh lớn nhất của miền Nam. - Tiếp đến là vùng cửa sông Cửu Long. ở đây có rất nhiều cửa sông chia cắt dải bờ này thành nhiều đoạn. Các cửa sông chính gồm có: cửa Soài Rạp, Cửa Tiểu, Cửa Đại, Cửa Ba Lai, cửa Hàm Luông, cửa Cổ Chiến, cửa Cung Hầu, cửa Định An, cửa Tranh Đề, cửa Mỹ Thạnh và cửa Bồ Đề. Các cửa sông này hàng năm đổ ra biển một lượng rất lớn nước ngọt và phù sa. Chính vì vậy mà vùng biển các cửa sông được bồi đắp, bãi triều rất rộng. Suốt cả dải bờ là vùng nước nông, đáy thoải, độ dốc nhỏ. Đường đẳng sâu 50m cách rất xa bờ, càng về phía nam càng xa. Phần lãnh hải nằm trong đường đẳng sâu 20m có diện tích rất lớn, đường đẳng sâu này có thể cách bờ 50km. Dải bờ biển này hầu như không có đảo. Duy nhất chỉ có đo Hòn Khoai nhỏ bé, nằm cách mũi Cà Mau khoảng 15-20 km. Khác với bờ biển miền Trung, nơi có nhiều mũi, vụng, vịnh, các đảo ; dải bờ biển này có nét đặc trưng là có rất nhiều cửa sông rộng chia cắt. b) Dải bờ tây Nam bộ Dài bờ này kéo dài từ mũi Cà Mau tới mũi Nai - Hà Tiên, thuộc tỉnh Kiên Giang. Nhìn chung đoạn bờ này ít khúc khuỷu, ít bị chia cắt và có rất ít sông đổ ra. Chỉ có sông Cái Lớn đổ ra vụng Rạch Giá là lớn hơn cả. Ở đây cũng có một số mũi nhỏ, không vươn ra xa biển như mũi Hòn Chông, mũi Ông Thầy vv. Các vụng, vịnh ở đây cũng ít như vụng Rạnh Giá, vụng Cà Mau, vụng Cây Dương ; trong đó vụng Rạch Giá lớn hơn nhất. Địa hình đáy vùng bờ thoải, nông, độ dốc rất nhỏ. Đường đẳng sâu 20m nằm cách bờ khoảng 50 -60 hải lý. Hệ thống các đảo thuộc dải bờ này khá phong phú, với các đảo lớn như đảo Phú Quốc, Thổ Chu (nằm xa bờ). Nằm gần bờ hơn là hệ thống các đảo nhỏ như: Hòn Tra, 16
23. Hòn Minh Hoà, Hòn Anh Đông, Hòn Anh Tây, Hòn Thơm, Hòn Nam Du, Hòn Trước, Hòn Mau, Hòn Dấu, Hòn Trong vv Dải bờ này phần lớn có hướng Nam - Bắc và Đông - Nam chịu ảnh hưởng của gió mùa Tây Nam tương đối lớn. Dải bờ chung quanh mũi Cà Mau (đông và tây) là nơi có rừng ngập mặn lớn nhất nước mặc dù - như chúng ta đã biết: những năm gần đây diện tích rừng ngập mặn đã bị thu hẹp đi rất nhiều do bị con người tàn phá và do cháy rừng. Do vùng bờ thoải và nông nên suốt cả dải bờ biển miền Nam đều có bãi triều rộng. Về mặt địa hình, đây là dải bờ thuận lợi nhất cho việc phát triển nước dâng do bão. Rất may là ở khu vực thường rất ít khi có bão và cường độ bão cũng yếu. 17
24. CHƯƠNG 2 SÓNG, MỰC NƯỚC VÀ DÒNG CHẢY 2.1 GIỚI THIỆU Van der Velden (1998) đã viết rằng, nếu biển lúc nào cũng hiền hòa và phẳng lặng thì các nghiên cứu về biển sẽ chẳng còn gì thú vị nữa. Thật may là trong tự nhiên không phải là thế, mực nước biển luôn dao động theo các thời đoạn dài, ngắn khác nhau một cách thường xuyên và theo các quy luật phức tạp khiến cho biển cả trở nên thật bí ẩn và các nghiên cứu về biển thật thú vị và đáng quan tâm. Sóng hình thành từ gió (gọi tắt là sóng gió) là một tác nhân quan trọng có tác dụng truyền năng lượng từ gió qua đại dương tới bờ biển. Khi tới vùng nước nông, năng lượng sóng chuyển thành dòng chảy dọc bờ và gây nên hiện tượng vận chuyển bùn cát ven bờ. Sự hình thành sóng từ gió phụ thuộc vào tốc độ gió và thời gian gió thổi và phạm vi không gian có gió thổi. Sóng hình thành trong vùng có bão được gọi là sóng bão và chúng thường rất phức tạp. Tại một thời điểm, có rất nhiều chiều cao sóng khác nhau, sóng dường như xuất hiện đột ngột và biến mất đột ngột. Sở dĩ mà sóng bão phức tạp như vậy là do bão không chỉ đơn giản tạo nên một loại sóng mà là tạo nên toàn bộ phổ sóng với một dải các giá trị chu kỳ và chiều cao sóng khác nhau. Tuy vậy, khi sóng di chuyển ra khỏi vùng có bão thì chúng lại trở nên đều đặn và phát triển thành sóng lừng, (swell wave), đây là các sóng có chiều cao và khoảng cách giữa các đỉnh sóng đồng đều nhau. Ở trạng thái đều đặn này, một con sóng có thể nối tiếp các con sóng đơn khác trên một quãng đường dài đáng kể khi chúng lan truyền qua đại dương. Sóng lừng có vai trò truyền năng lượng qua đại dương tới bờ biển, tại đó các sóng bị vỡ do ảnh hưởng của ma sát đáy và giải phóng năng lượng mà nó mang theo trong vùng sóng vỡ. Các kiến thức cơ bản và cụ thể về lý thuyết sóng gió đã được trình bày trong giáo trình “Sóng gió” được biên soạn cho sinh viên năm thứ 3, giáo trình này sẽ không nhắc lại các kiến thức đó. Chương 2 sẽ chỉ giới thiệu một cách tóm tắt về lý thuyết sóng biên độ nhỏ, tuyến tính của Airy, giới thiệu các tính toán, mô tả các thông số sóng có liên quan trực tiếp tới hiện tượng vận chuyển bùn cát và diễn biến bờ biển. Những khái niệm cơ bản về mực nước và dòng triều có liên quan tới hình thái bờ biển cũng sẽ được giới thiệu trong chương này 2.2 LÝ THUYẾT SÓNG TUYẾN TÍNH CỦA AIRY Để hiểu được chuyển động của sóng khi truyền qua đại dương sau khi thoát ly khỏi nơi hình thành và sự biến đổi các tham số sóng khi nó đi vào vùng nước nông gần bờ, 18
25. thì việc biểu diễn toán học các phương trình tương quan dự tính tốc độ chuyển động và sự thay đổi chiều cao sóng theo độ sâu, các phương trình biểu thị năng lượng sóng là rất cần thiết. Trong tính toán vận chuyển bùn cát và diễn biến đường bờ, các thông số sóng cơ bản và các phương trình mô tả quỹ đạo chuyển động, vận tốc của các chất điểm nước trong sóng là đặc biệt quan trọng. Các lý thuyết sóng áp dụng trong tính toán có nhiều loại khác nhau, từ lý thuyết sóng tuyến tính tương đối đơn giản của Airy tới lý thuyết sóng phức tạp của Cnoidal. Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của sóng và cơ chế vận chuyển bùn cát cũng như mối tương tác giữa các yếu tố sóng, dòng chảy và bùn cát mà khó có thể biểu diễn toán học được các tương quan này thông qua các lý thuyết sóng phức tạp. Ở đây sẽ nhấn mạnh tới việc ứng dụng Lý thuyết Sóng Tuyến tính của Airy, lý thuyết được áp dụng tại vùng nước sâu, các tương quan toán học tương đối đơn giản, để mô tả chuyển động của sóng. Do tính chất phức tạp mà lý thuyết sóng Cnoidal ít nhận được sự quan tâm và ít được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn mặc dù đây là một lý thuyết sóng có khả năng ứng dụng rất rộng. CÁC GIẢI THIẾT CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG SÓNG Hình dạng, vận tốc và sự chuyển động của các chất điểm nước khi kết hợp với nhau của một chuỗi sóng đơn là rất phức tạp; chúng sẽ trở nên phức tạp nữa khi ở ngoài thực tế, tức là trên mặt biển, nơi có vô số các sóng có kích thước, tần số và hướng truyền sóng khác nhau cùng có mặt. Như đã nêu ở trên, lý thuyết sóng đơn giản nhất mô tả chuyển động của sóng là lý thuyết của Airy, hay còn được gọi là lý thuyết sóng tuyến tính vì lý thuyết này đã sử dụng một số giản thiết nhằm tuyến tính hóa các đặc trưng sóng. Lý thuyết này đã dựa vào các giả thiết như sau: trong môi trường chất lỏng không nén được (giả thiết này tương đối hợp lý), chất lỏng không tham gia chuyển động quay (giả thiết này nhằm ám chỉ rằng coi môi trường nước không có tính nhớt, tuy không hoàn toàn đúng trong thực tế nhưng các sai số xuất phát từ giải thiết này là có thể chấp nhận được), trên một bề mặt đáy không thấm nước ( không hoàn toàn đúng trong thực tế) và xét các sóng có biên độ nhỏ (tuy đây không phải là giả thiết tốt nhưng kết quả tính toán khá phù hợp với thực tế trong trường hợp sóng không quá lớn). Cho tới nay, lý thuyết sóng đơn giản nhất, lý thuyết của Airy, vẫn có thể sử dụng được trong nhiều ứng dụng, cụ thể là trong mô tả sóng lừng ở vùng nước sâu có chiều cao sóng gần như đều nhau hoặc tuyến tính hóa tổng các sóng hình sin để tạo thành các sóng bão phức tạp. Khi triển khai lý thuyết sóng của Airy, một giả thiết rất quan trọng được đề cập tới là coi chiều cao sóng là rất nhỏ so với chiều dài sóng và độ sâu nước nơi có sóng. Bằng việc lấy gần đúng này, phương trình mô tả cao trình mặt nước η(x,t) sẽ có dạng như sau: 19
26. H η(xt , )= c os (kx-σ t) (2.1) 2 Trong đó H là chiều cao sóng, x là trục tọa độ theo phương chuyển động sóng, t là thời gian, k = 2π/L là số sóng xuất hiện, trong đó L là chiều dài sóng và là σ = 2π/T tần số sóng có đơn vị là radian với T là chu kỳ sóng có đơn vị là giây. Các thông số trên và các thông só có liên quan trong phương trình (2.1) được trình bày ở hình 2-1. Bảng 2-1 tóm tắt các phương trình cơ bản trong lý thuyết sóng của Airy. Hình dạng của con sóng trong lý thuyết Airy là hình sin với khoảng cách x tại một thời gian cố định hoặc với thời gian t tại vị trí cố định (x là hằng số). Hình 2-1. Các ký hiệu sử dụng trong lý thuyết sóng Airy. Gốc hệ trục tọa độ là điểm O trên mặt nước tĩnh với trục z có hướng từ đáy lên phía trên mặt nước. Tại đáy biển có z = -h. Bề mặt nước biển có dạng hình sin, mỗi chất điểm nước chuyển động với vận tốc theo phương ngang u và theo phương đứng w theo quỹ đạo elíp với đường kính trục lớn là d và đường kính trục nhỏ là s. Có một quan hệ cơ bản và đặc biệt quan trọng được khai triển từ lý thuyết sóng của Airy, đó là phương trình phân tán: σ 2 = gktanh( kh ) (2.2) Nếu thay các đại lượng đã biết là σ = 2/T và k = 2/L, vào phương trình 2.2 sẽ có gh2 ⎛⎞2π LT= tanh ⎜⎟ (2.3) 2π ⎝⎠L Trong đó: h là độ sâu nước. Phương trình này không thể giải được trực tiếp vì có giá trị chiều dài sóng L ở cả 2 vế của phương trình và giới hạn phù hợp của L được xác định từ hàm hyperbolic tangent ở vế phải của phương trình. Hình (2-2) mô tả đồ thị hàm hyperbolic của giá trị (r). Từ đồ thị này có thể thấy rằng khi r = kh = 2πh/L có giá trị lớn thì tanh(2πh/L) ≈ l, do vậy phương trình (2.1) được rút gọn lại thành: 20
27. g LT= 2 (2.4) 0 2π Chỉ số L0 được dùng để chỉ các tham số sóng ở lân cận vùng nước sâu, sở dĩ như vậy vì tại vùng nước sâu, theo giả thiết thì độ sâu nước h lớn hơn nhiều lần so với chiều dài sóng L nên tanh(2πh/L) ≈ l Bảng 2-1 Các phương trình được xây dựng từ lý thuyết song tuyến tính của Airy Vùng nước sâu thường được giới hạn từ điểm có độ sâu h > L0/2, trong trường hợp này, sai số tính toán sẽ nhỏ hơn 5% so với tính toán trong phương trình (2.3). Thế vào phương trình cơ bản C = L/T, sẽ thu được vận tốc pha C0 tương ứng ở vùng nước sâu như sau: g C= T (2.5) 0 2π Đối với vùng nước nông, khi độ sâu h < L/20 (với sai số là 5%), có Hình 2-2 Các giá trị của hàm hyperbolic thể lấy gần đúng phương trình (2.1), trong đó tanh(2πh/L) ≈ 2πh/L (hình 2-2), từ đó phương trình (2.1) được rút gọn lại còn Ls =Tgh (2-6) 21
28. và vận tốc pha tương ứng Cs là Cgs = h (2-7) Chỉ số s trong các phương trình (2-6) và (2-7) được dùng để chỉ các tham số sóng được lấy gần đúng ở vùng nước nông. Trái ngược với vùng nước sâu, nơi có chiều dài sóng và vận tốc pha chỉ phụ thuộc vào chu kỳ sóng; thì ở vùng nước nông, các tham số này lại phụ thuộc chủ yếu vào độ sâu nước. Tóm lại, phạm vi ứng dụng các tính toán gần đúng như sau: Vùng nước sâu h > 1 L0 2 Vùng chuyển tiếp (phương trình tổng quát) 11>>h (2.8) 42L0 0 Vùng nước nông h > 1 L0 20 Hình 2-3. Sự biến đổi của sóng theo lý thuyết Airy là hàm của tỷ số giữa độ sâu nước, h, với chiều dài sóng ở vùng nước sâu L , trong đó L là hàm của chu kỳ sóng Tại độ sâu chuyển tiếp, khi không thể lấy gần đúng các tính toán như đối với vùng nước sâu và vùng nước nông với sai số tính toán nhỏ hơn 5%, thì các tính toán phải sử dụng phương trình tổng quát (2.3). Các bảng biểu được xây dựng và triển khai từ việc giải phương trình trên có thể tham khảo của Wiegel (1954,1964) hay Sổ tay Kỹ thuật Bờ biển (Coastal Engineering Manual - CEM, 2002). Sự biến thiên của L/L và C/C theo h/Lcó thể tra từ hình (2-3). Ngoài ra có thể tính gần đúng phương trình tổng quát (2.3), thay thế cho các bảng biểu tính, bằng triển khai của Eckart (1952) như sau: 0,5 ⎡ ⎛⎞2π h ⎤ LL= 0 ⎢tanh ⎜⎟⎥ (2.9) ⎣ ⎝⎠L0 ⎦ 22
29. Phương trình này có thể được dùng ở vùng chuyển tiếp, và có thể được giải trực tiếp từ chiều dài sóng L và độ sâu h, sau khi đã tính toán được chiều dài sóng L0 ở vùng nước sâu từ phương trình (2.4). Phương trình 2.9 của Eckart cho thấy rõ hơn rằng khi độ sâu nước tăng lên lúc sóng tới gần bờ thì chiều dài sóng L và vận tốc pha tương ứng C = L/T sẽ giảm so với giá trị ban đầu của chúng ở vùng nước sâu. NĂNG LƯỢNG SÓNG Như vậy chúng ta đã xét qua các phương trình cơ bản của sóng tuyến tính Airy biểu thị chuyển động trên mặt nước. Lý thuyết của Airy cũng đưa ra các phương trình năng lượng sóng và phương trình truyền năng lượng sóng qua đại dương. Mặc dù không có sự chuyển động thực của nước khi sóng truyền qua, vì theo lý thuyết của Airy thì các chất điểm nước chỉ dao động lên xuống xung quanh vị trí của nó, nhưng bản thân chuyển động của sóng cũng sinh tác dụng truyền năng lượng trên mặt biển. Sự dịch chuyển mặt nước biển khỏi trạng thái mặt nước tĩnh, phẳng tạo cho sóng một thế năng. Tại cùng thời điểm đó, chuyển động theo quỹ đạo của các chất điểm nước ở bên dưới sóng sẽ tạo nên một động năng. Kết hợp cả thế năng và động năng dọc theo toàn bộ chiều dài sóng sẽ thu được tổng năng lượng sóng E trên một đơn vị diện tích (1m2) của theo lý thuyết sóng Airy như sau: 1 E = ρgH 2 (2.10) 8 E có tương quan trực tiếp tới chiều cao sóng H và trọng lượng riêng của nước biển ρ. Tương quan này biểu diễn “mật độ” của năng lượng được tổng hợp và tích hợp trên một đơn vị diện tích, và là tổng năng lượng trên một đơn vị chiều dài đỉnh sóng. Trong hệ mét, các thứ nguyên và đơn vị của năng lượng sóng E được biểu diễn bằng Newtons/m hay June/m2 (thứ nguyên là năng lượng/chiều dài 2). Khi sóng đi qua thềm lục địa và tiến sâu dần vào trong vùng nước nông, do ảnh hưởng của địa hình đáy, chiều cao sóng H sẽ thay đổi, thường là chiều cao sóng sẽ tăng lên cho tới khi sóng tiến tới gần bờ và vỡ. Điều này cũng có nghĩa là năng lượng sóng E cũng sẽ biến đổi khi có hiệu ứng nước nông làm thay đổi chiều cao sóng, và năng lượng sóng sẽ không được bảo tồn như thường được xét (không phải là năng lượng đơn thuần mà là mật độ năng lượng). Năng lượng sóng tổng cộng (E) được thay thế bằng đại lượng thông lượng năng lượng sóng (P) - được gọi tắt là thông lượng sóng (flux of energy). P được lấy xấp xỉ bằng hằng số. Thông lượng sóng được định nghĩa là mật độ năng lượng sóng bị dịch chuyển dọc theo hướng truyền sóng và được được biểu thị bằng công thức sau: P = E × C × n = E × Cg (2.11) Trong đó C là vận tốc của một sóng đơn ( hay còn gọi là vận tốc pha), và 23
30. 12⎡⎤kh n =+⎢⎥1 (2.12) 2sinh2⎣⎦()kh Vận tốc Cg = C×n là vận tốc truyền năng lượng sóng, vận tốc này được gọi là vận tốc nhóm, nó biểu thị tốc độ chuyển động của một nhóm các sóng. Vận tốc này được phân biệt rất rõ so với vận tốc của một sóng đơn chuyển động với tốc độ pha C. Đồ thị giá trị n biến thiên theo h/L được mô tả trong hình (2-3). Tại vùng nước sâu (n = ½), giá trị n sẽ tăng khi sóng chuyển động dần vào vùng chuyển tiếp và giá trị n = 1 khi vào đến vùng nước nông. Điều này có nghĩa là, tại vùng nước sâu, các con sóng đơn lẻ dịch chuyển về phía trước với tốc độ pha C chuyển động với tốc độ gấp đôi của cả nhóm sóng, nhanh hơn vận tốc truyền của năng lượng sóng. Hiệu ứng của sự khác biệt này có thể quan sát thấy tạo các máng sóng trong phòng thí nghiệm, khi tạo ra một số hữu hạn các sóng ở vùng nước sâu. Có thể quan sát thấy rằng, sự suy giảm dần chiều cao của các sóng dẫn đầu, thậm chí là các sóng này bị biến mất khi nó vượt qua tốc độ truyền của năng lượng sóng của nhóm, trong khi đó các sóng mới được hình thành ở cuối nhóm sóng. Đại lượng thông lượng sóng trong phương trình (2.11) được ký hiệu là P vì nó đặc trưng cho năng lượng của sóng, hay nói chính xác hơn là năng lượng trên một đơn vị chiều dài đỉnh sóng. Snyder, Wiegel, and Bermel (1957) thông qua việc xác định năng lượng sóng tại một đầu của máng sóng trong phòng thí nghiệm và năng lượng sóng được truyền tới đầu kia của máng đã chứng tỏ rằng công thức (2.11) là hoàn toàn phù hợp khi biểu diễn suất chuyển năng lượng sóng. Cùng với sự dịch chuyển sóng còn có suất chuyển năng lượng hoặc truyền động lượng. Longuet Higgins and Stewart (1960,1964) đã đưa ra định nghĩa về “ứng suất tỏa” (radiation stress) là sự gia tăng động lượng dòng chảy do sự có mặt của sóng. Ứng suất tỏa chính là phần động lượng “gia tăng” thêm, trong đó có xét tới áp suất thủy động, tổng áp suất mang giá trị tuyệt đối trừ đi áp suất thủy tĩnh. Điều này khẳng định rằng, động năng chỉ có liên quan trực tiếp tới sự xuất hiện của sóng. Nếu trục x được đặt ngược với hướng truyền sóng và trục y lấy song song với đỉnh sóng thì có 2 thành phần khác không của ứng suất tỏa (radiation stress): thành phần mạch động theo phương x, y của động năng -x và động năng y. Ứng suất tỏa hay sự biến thiên của động năng chuyển qua mặt phẳng (x = hằng số và có hướng song song với bờ) theo hướng dịch chuyển sóng (hướng x) được xác định bằng công thức sau ⎡⎤21kh ⎛⎞1 SExx =+=⎢⎥En⎜⎟2 − (2.13) ⎣⎦sinh(2kh ) 2⎝⎠ 2 Mặc dù, thành phần có quỹ đạo chuyển động song song với đỉnh sóng bằng không, nhưng mạch động của mô men theo phương y vẫn có giá trị khác không do khi có sóng, 24
31. áp lực mạch động sẽ được hình thành. Mạch động mô men theo phương y khi chuyển qua mặt phẳng y= hằng số là ⎡⎤kh ⎛⎞1 SEyy ==⎢⎥ En⎜−⎟ (2.14) ⎣⎦sinh(2kh )⎝⎠ 2 Tại vùng nước sâu, khi n=1/2; Sxx = E/2, và Syy = 0; tại vùng nước nông khi n = 1, Sxx = 3E/2, và Syy = E/2. Ứng suất tỏa là một công cụ mạnh để phân tích các trạng thái khác nhau của các hiện tượng có liên quan tới sóng. Trong nhiều trường hợp, ứng suất tỏa sẽ được dùng để dự báo sự biến đổi mực nước biển (do hiện tượng dâng, hạ mực nước) kết hợp với các sóng chuyển động tới gần bờ. Thành phần theo hướng dọc bờ của ứng suất tỏa được xem như là nguyên nhân tạo nên dòng chảy theo hướng dọc bờ. Một ứng dụng khác là xét sự hình thành của sóng vỗ bờ (surf beat), tương tác giữa sóng với dòng chảy ổn định, và độ dốc của các sóng ngắn trọng lực trên đỉnh các sóng dài hơn (Longuet-Higgins and Stewart,1964). PHẠM VI ÁP DỤNG CỦA LÝ THUYẾT SÓNG Lý thuyết sóng của Airy chỉ là một trong số nhiều lý thuyết sóng đã được nghiên cứu, và là lý thuyết sóng đơn giản nhất như đã đề cập ở phần đầu của chương 2. Các lý thuyết sóng này đều có phạm vi áp dụng khác nhau, phụ thuộc vào mức độ sát thực của chúng khi biểu diễn các hiện tượng sóng trong tự nhiên. Phạm vi áp dụng của các sóng được đề cập ở đây được chỉ ra cụ thể trên hình (2-4), trong đó phạm vi áp dụng của từng loại sóng sẽ làm hàm của tỷ số H/h và h/L. Có thể nhận ra rằng, lý thuyết sóng của Airy là có vùng áp dụng rộng nhất, trong khi lý thuyết sóng Stoker có vùng áp dụng hẹp hơn nhiều Hình 2-4. Phạm vi áp dụng của các lý thuyết sóng khác nhau, là hàm của tỷ số H/h và h/L 25
32. Giới hạn sóng đổ, hay còn gọi là giới hạn về độ dốc sóng của lý thuyết sóng đơn được chỉ ra trên hình (2-4) là γ b = Hb/hb = 0.78. Giới hạn áp dụng lý thuyết sóng Airy là 1 ()ug22+<w0.05H (2.15) 2 trên cơ sở giả thiết đơn giản hóa phương trình sóng của Euler, trong đó chỉ ra rằng, vận tốc quỹ đạo của các chất điểm nước theo phương u và w tại mặt nước là nhỏ (nhỏ hơn 5% của tích số g×H). Muir Wood (1969) đã chỉ ra rằng, giới hạn trên tương đương với H12⎛π h⎞ < tanh ⎜⎟ (2.16) LL16 ⎝⎠ Giới hạn này chính là đường ranh giới giữa lý thuyết sóng Airy và lý thuyết sóng Stokes như trên hình (2-4). Sử dụng đường giới hạn HL2232π = (2.17) h3 3 là ranh giới giữa lý thuyết sóng cnoidal và lý thuyết sóng Airy, do Keller (1948) và Littman (1957) phát triển. 2.3 HIỆN TƯỢNG TRUYỀN SÓNG VÀ BIẾN DẠNG SÓNG Khi chuyển động từ ngoài khơi vào gần bờ, sóng trải qua rất nhiều quá trình biến đổi (biến dạng) khi lan truyền. Quá trình biến dạng sóng này tương ứng với sự biến đổi của địa hình đáy biển hoặc khi sóng gặp phải các chướng ngại vật trên đường truyền sóng như các công trình ở ven bờ. Như vậy, khi tính toán các diễn biến của địa hình đáy biển ở vùng gần bờ hay tính toán thiết kế cho các công trình ven bờ, các kỹ sư cần phải nắm được các hiện tượng này và biết cách tính toán các thông số sóng. Ở phần trước, chúng ta đã được biết các phương trình mô tả năng lượng và sự chuyển động sóng, thông qua các phương trình này có thể tính toán được sự biến dạng sóng khi sóng truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông trước khi nó chuyển động vào bờ. HIỆN TƯỢNG TRUYỀN SÓNG Ở VÙNG NƯỚC SÂU Khi sóng di chuyển ra khỏi nơi hình thành và không chịu ảnh hưởng của gió thì chúng tự xắp xếp thứ tự theo sự phân rã của sóng và trở nên đều hơn. Tốc độ truyền năng lượng sóng và tốc độ dịch chuyển của nhóm sóng được xác định bằng vận tốc nhóm sóng theo công thức như sau: Cg1 T CCn===. (2.18) g 222π Theo công thức (2.18) thì tốc độ chuyển động của nhóm sóng chỉ phụ thuộc vào chu kỳ sóng, do vậy mà các sóng có chu kỳ dài sẽ di chuyển nhanh hơn các sóng có chu kỳ 26
33. Hình 2-5. Sự biến đổi phổ năng lượng sóng từ nơi sóng hình thành (với phổ sóng rộng) tới phổ của các sóng lừng bị thu hẹp lại trong quá trình phân tán và tiêu tán năng lượng sóng, và cuối cùng tại khu sóng vỡ có phổ sóng hẹp . Mỗi chu kỳ sóng trong phổ có một nhóm các sóng phối hợp với nó, di chuyển ra khỏi nơi sóng được hình thành, và được lấy xấp xỉ sơ bộ, chuyển động độc lập với các sóng có chu kỳ khác nhau. Các nhóm sóng khác nhau với chu kỳ riêng biệt có tốc độ chuyển động không xác định; do vậy mặc dù cùng bắt đầu xuất phát rời khỏi nơi hình thành sóng nhưng chúng sẽ nhanh chóng tách rời nhau trong quá trình chuyển động. Hình 2-6. Nhóm sóng có hình "chữ nhật" có cùng một chu kỳ sóng trong một phổ sóng hoàn chỉnh khi nó chuyển động từ nơi hình thành tới điểm quan trắc A trên bờ biển. 27
34. Xét một nhóm sóng riêng biệt có chu kỳ T khi nó chuyển động từ nơi hình thành sóng tới bờ biển như hình (2-6). Trong điều kiện lý tưởng, nhóm sóng này sẽ chiếm một vùng hình chữ nhật có chiều rộng bằng chiều rộng ảnh hưởng của cơn bão hình thành sóng và chiều dài xác định từ chu kỳ bão và tổng chiều dài đà gió. Coi biên của hình chữ nhật giả thiết tại điểm x=0 và sóng được hình thành tại thời điểm t=0. Nhóm sóng được bao bởi hình chữ nhật sẽ chuyển động theo hướng gió thổi theo chiều dương của trục x với vận tốc chuyển động mô tả trong phương trình (2.18). Nếu cơn bão kéo dài trong vòng 30 giờ, thì đường biên đáy của hình chữ nhật theo hướng gió thổi sẽ đi qua đường x = 0 chậm hơn sau khoảng 30 tiếng khi đường biên mặt trước của hình chữ nhật với chiều dài của hình chữ nhật sẽ là Cg × 30 tiếng. Thực tế, các cạnh của hình chữ nhật sẽ không duy trì được hình dạng ban đầu, một số con sóng sẽ bị xáo trộn và lọt ra khỏi hình chữ nhật đi vào vùng nước tĩnh bao quanh nó. Một số sóng thấp sẽ vượt lên cạnh bao ngoài của hình chữ nhật và năng lượng sóng sẽ bị khuyếch tán theo phương ngang, làm cho các cạnh của hình chữ nhật sẽ không còn sắc cạnh nữa mà chuyển thành góc tù. Các hiệu ứng này có thể nhỏ, tuy vậy các sóng sẽ không tới được điểm B trong hình (2-6) do quá trình này. Sau này, có thể thấy, tuy các sóng trong thực tế có thể đi tới điểm B từ nơi hình thành bão, nhưng điều này là là do góc khuyếch tán của các sóng, và không phải tất cả các sóng sau khi hình thành đều chuyển động theo hướng đà gió trung bình. Thậm chí với góc khuyếch tán sóng này các sóng được hướng vào một vùng hẹp ít gây ảnh hưởng tới khu vực lân cận. Hiện tượng hình thành sóng từ một trận bão cũng tương tự như hiện tượng tạo sóng khi ném một hòn đã xuống mặt ao, khi các sóng có hình tròn và khuyếch tán đi tất cả các hướng; năng lượng trên một đơn vị chiều dài đỉnh sóng sẽ giảm rất nhanh. Do sự lan tỏa của sóng trong đại dương là hữu hạn nên nhóm sóng sẽ vẫn duy trì hầu như toàn bộ năng lượng khi nó chuyển động tới bờ bên kia. Tóm lại, ngay khi sóng rời khỏi nơi vùng hình thành sóng, do hiệu ứng phân tán, chúng sẽ được xắp xếp lại thành các sóng có chu kỳ dài hơn chuyển động nhanh hơn theo phương truyền sóng. Kết quả là, tại các điểm quan trắc cách xa nhau, các sóng có chu kỳ dài hơn sẽ di chuyển tới trước, tiếp theo sau là các sóng có chu kỳ ngắn hơn. Hiệu ứng phân tán và tính nhớt của nước biển cùng làm cho phổ sóng thu hẹp lại và biến đổi trạng thái sóng phức tạp ở nơi hình thành thành các sóng lừng đều đặn. Năng lượng sóng cũng chịu ảnh hưởng của hiện tượng sóng vỡ và hiện tượng tương tác, phân tán giữa các sóng. Một khi các sóng đã phát triển hoàn toàn thành các sóng lừng đều, chúng có thể di chuyển hàng nghìn km qua đại dương mà chỉ tiêu hao một lượng năng lượng nhỏ. Các sóng hình thành do bão ở Thái Bình Dương có thể quan trắc thấy tại bờ biển Việt Nam, Indonexia một cách tương ứng. 28
35. SỰ BIẾN DẠNG SÓNG Ở GẦN BỜ Tại vùng nước sâu, các sóng lừng có dạng hình sin với đỉnh sóng thấp và tròn. Ngay khi sóng đi vào vùng nước nông, chúng sẽ trải qua một quá trình biến dạng có hệ thống, như được miêu tả ở hình (2-7). Hình 2-7. Mô tả sự biến dạng sóng khi chúng di chuyển dần vào trong vùng nước nông và tiếp cận tới bờ biển. Vận tốc và chiều dài sóng sẽ giảm dần khi chiều cao sóng tăng dần, chỉ có chu kỳ sóng là không thay đổi. Tại độ sâu nước gần vùng sóng vỡ, chuỗi sóng bao gồm một dãy các sóng có đỉnh nhọn được ngăn cách bởi các bụng sóng tương đối phẳng. Khi đỉnh sóng trở nên quá dốc, và mất ổn định, lúc này các sóng sẽ bị vỡ. Chiều cao sóng vỡ về cơ bản có thể lớn hơn chiều cao sóng ở nước sâu. Sự biến dạng sóng dễ nhận thấy nhất đối với những sóng lừng có chu kỳ dài, với hình dạng ban đầu của sóng gần với hình sin, khi các sóng này có sự ma sát với đáy trong quá trình di chuyển tới sát bờ. Các sóng có chu kỳ ngắn hình thành mang tính cục bộ, thường có độc dốc sóng lớn ngay khi nó hình thành, ở vùng nước sâu, do đó mà quá trình biến dạng sóng thường khó nhận thấy hơn. Hiện tượng thay đổi độ cao của sóng do có sự thay đổi độ sâu khi sóng biển truyền từ ngoài khơi vào ven bờ được gọi là hiệu ứng nước nông Mặc dù, lời giải về chuyển động sóng trên một mái dốc đã có (Stoker, 1957), nhưng chúng rất phức tạp và hiếm khi được sử dụng. Cách tiếp cận đơn giản nhất được dùng với trạng thái của sóng đã được nói tới ở trên là giả thiết trong điều kiện địa hình đáy biển là bằng phẳng (Rayleigh,1911). Áp dụng lý thuyết sóng biên độ nhỏ của Airy, rút ra phương trình sau: 1 LC⎛⎞22ππ h⎡ ⎛⎞ h⎤ 2 ==tanh⎜⎟ ≈⎢ tanh ⎜⎟⎥ (2.19) LC00 ⎝⎠ L⎣ ⎝⎠ L0⎦ Phương trình (2.19) đưa ra được sự biến thiên chiều dài sóng L và vận tốc pha C khi chiều sâu nước h thay đổi. Sự biến thiên của các yếu tố này cũng được mô tả ở hình (2.3), có thể thấy được chiều dài sóng và vận tốc pha giảm một cách có hệ thống khi chiều sâu nước giảm dần, khi sóng chuyển động tới gần bờ. Tượng tự như trên, giá trị 29
36. Sự biến thiên chiều cao sóng khi gặp hiệu ứng nước nông có thể được tính toán từ nghiên cứu về thông lượng sóng. Nếu coi tổn thất năng lượng do ma sát đáy và phản xạ sóng là không đáng kể, giả thiết này tương đối hợp lý khi xét các sóng ở bên ngoài vùng ven bờ, thì thông lượng sóng được coi là hằng số và thu được phương trình sau: P = ECn = (ECn)0 = hằng số (2.20) Trong đó (ECn)0 là thông lượng sóng xác định tại vùng nước sâu. Nếu không xét tới tổn thất năng lượng, thì thông lượng sóng khi sóng gặp hiệu ứng nước nông sẽ bằng với giá trị ban đầu của thông lượng sóng tại vùng nước sâu. Áp dụng biểu thức tương quan 1 năng lượng sóng theo lý thuyết sóng biên độ nhỏ của Airy, thì : E = ρgH 2 8 và tỷ số giữa chiều cao sóng H tại điểm có độ sâu nước h với chiều cao sóng tại vùng nước sâu H0 sẽ bằng: 1 2 H ⎛⎞1 C0 = ⎜⎟ (2.21) HnC0 ⎝⎠2 Cả n và tỷ số C/C0 đều là hàm số của độ sâu nước (theo phương trình 2.12) và (2.19)), tương ứng như vậy, tỷ số H/H0 cũng sẽ phụ thuộc vào độ sâu. Kết quả tính toán từ đường cong H/H0 thể hiện trên hình (2-3) đã cho thấy chiều cao sóng sẽ tăng khi sóng chuyển động vào vùng nước nông. Xem xét chi tiết hơn đường cong này, có thể thấy rằng, đường cong dự tính ban đầu sẽ giảm ngay khi sóng vào tới vùng nước nông, lúc này chiều cao sóng sẽ nhỏ hơn một chút so với chiều cao sóng ở vùng nước sâu (H/H0 < 1). Sự suy giảm tạm thời chiều cao sóng sẽ làm tăng vận tốc của nhóm sóng Cg = Cn. Do tích E.Cn luôn duy trì là hằng số nên khi vận tốc nhóm sóng Cg tăng, mà với vận tốc này năng lượng sóng sẽ được dịch chuyển về phía trước , thì mật độ năng lượng E sẽ giảm khi chiều cao sóng giảm. Các hiện tượng biến đổi chiều cao sóng và tăng vận tốc nhóm sóng đã được quan trắc trong phóng thí nghiệm và trên các máng sóng, và đôi khi có thể thấy được trong tự nhiên khi gặp phải các sóng lừng rất đều cho chu kỳ của các con sóng xấp xỉ nhau. Độ dốc sóng H/L cũng biến đổi khi sóng gặp hiệu ứng nước nông. Độ dốc sóng giảm tạm thời bên dưới giá trị độ dốc sóng ở vùng nước sâu khi sóng truyền qua vùng nước có độ sâu trung bình và sau đó đột ngột tăng khi chiều cao sóng H tăng và chiều dài sóng L giảm. Độ dốc sóng tăng đột ngột tương ứng với sự gia tăng chiều cao sóng là đặc điểm nổi bật của hiệu ứng sóng nước nông. Độ dốc sóng tiếp tục tăng nhanh tới điểm khi sóng mất ổn định và bị vỡ. 30
37. Các phân tích ở trên về sự biến dạng sóng ngay khi chúng đi vào vùng nước nông hoàn toàn được xây dựng trên cơ sở lý thuyết sóng tuyến tính của Airy, mà trong thực tế thì lý thuyết sóng này không áp dụng được đối với vùng nước nông. Bằng việc đơn giản hóa các phương trình, lý thuyết của Airy đã đưa ra các phân tích rõ ràng, dễ hiểu và dự báo đúng xu thế chung sự biến đổi của vận tốc pha, chiều cao sóng, vv của hiệu ứng sóng nước nông. Tuy nhiên cũng phải nhấn mạnh rằng, trong thực tế thì mức độ biến đổi các đặc trưng sóng sẽ khác với kết quả dự đoán bằng lý thuyết Airy, làm tăng thêm sai số khi sóng chuyển động tới vùng sóng vỡ. Tóm lại, khi các sóng lừng chuyển động từ vùng nước sâu vào vùng nước nông và khi sóng tiếp cận bờ biển, chúng trải qua một quá trình biến dạng có hệ thống, nhìn chung quá trình biến dạng này làm tăng chiều cao sóng và giảm chiều dài sóng cũng như gia tốc sóng, dẫn tới làm tăng độ dốc sóng cho tới khi độ dốc sóng vượt quá điểm giới hạn, lúc này sóng mất ổn định và vỡ. Khi ứng dụng các lý thuyết để mô tả các chuyển của sóng đã nêu ở trên thì lý thuyết sóng tuyến tính của Airy, mô tả các sóng có hình sin và độ dốc sóng nhỏ, nhìn chung có phạm vi ứng dụng tương đối hạn chế, lý thuyết này chỉ áp dụng được trong điều kiện nước nông, trong khi lý thuyết sóng của Stokes hay của Cnoidal được yêu cầu áp dụng tại vùng chuyển tiếp và vùng nước nông, khi độ dốc sóng tăng. HIỆN TƯỢNG KHÚC XẠ SÓNG VÀ NHIỄU XẠ SÓNG Khi các sóng chuyển động tới gần bờ theo hướng xiên góc với các đường đồng mức ở đáy biển, với giả thiết là các đường đồng mức là sóng song với đường bờ, chúng sẽ bị uốn gần như vuông góc với đường bờ tại thời điểm sóng vỡ và chiều cao sóng cũng sẽ thay đổi một cách tương ứng. Hiện tượng này được gọi là khúc xạ sóng. Sự biến đổi của vận tốc truyền sóng gây ra do sự thay đổi độ sâu sẽ làm cho sóng thay đổi độ lớn và hướng truyền sóng gọi là quá trình khúc xạ sóng. Hình 2-8. Hiện tượng khúc xạ sóng. Tại thời điểm t1, đỉnh sóng tại điểm B ở vùng nước sâu sẽ chuyển động nhanh hơn đỉnh sóng tại điểm A nằm trong vùng nước nông làm cho đường đỉnh sóng bị uốn theo phương song song với đường bờ 31
38. Khi đi từ vùng chuyển tiếp vào vùng nước nông, sóng sẽ chịu tác động của hiện tượng khúc xạ làm thay đổi hướng truyền sóng khi độ sâu nước giảm dần và đường đỉnh sóng có xu thế trở nên song song với các đường đồng mức ở đáy. Đối với đường bờ biển thẳng có các đường đồng mức song song với nhau, do hiện tượng khúc xạ nên các đường đỉnh sóng sẽ có hướng song song với nhau và song song với đường bờ. Hiện tường khúc xạ sóng được xem như là kết quả của sự phụ thuộc của vận tốc pha vào độ sâu nước, khi sóng di chuyển từ vùng chuyển tiếp vào vùng nước nông, độ sâu nước càng nhỏ thì tốc độ truyền sóng cũng nhỏ tương ứng. Như mô tả trong hình (2-8), điều này dẫn tới hiện tượng quay của đường đỉnh sóng tương ứng với đường đồng mức ở đáy. Trong biểu đồ này, phần đỉnh sóng tại điểm B có độ sâu nước lớn hơn điểm A, và do vậy nó chuyển động nhanh hơn, tới điểm B’, biểu diễn sự dịch chuyển lớn hơn so với khoảng cách từ điểm A đến điểm A’, nơi vận tốc truyền sóng chậm hơn. Xu thế này tiếp tục xảy ra cho đến khi đường đỉnh sóng xoay dần và trở nên gần như song song với đường bờ. Hiện tượng khúc xạ sóng cũng tương tự như hiện tượng uốn cong của các tia sáng, và sự biến đổi hướng do hiện tượng khúc xạ gây ra có liên quan tới sự biến đổi vận tốc pha của sóng cùng tuân theo định luật của Snell's: sinα sinα 12==constant (2.22) CC12 Khi hai tia sóng truyền tới đường thẳng có sự thay đổi đột ngột độ sâu, sau khi vượt qua đường này hướng truyền sóng sẽ thay đổi từ α1 sang α2 , trong đó α1 và α2 là các góc giữa các đường đỉnh sóng và đường đồng mức tương ứng tại đáy biển, C1 và C2 là vận tốc pha của sóng tại hai độ sâu tương ứng. Trong trường hợp đơn giản, khi đường bờ biển thẳng có các đường đồng mức song song, góc truyền sóng tại độ sâu bất kỳ sẽ có tương quan tới góc truyền sóng tại vùng nước sâu α0 như sau: C sinα = sinα0 (2.23) C0 Khi mà vận tốc pha C giảm so với giá trị của nó ở vùng nước sâu khi sóng đến gần bờ, góc truyền sóng α sẽ giảm theo tương ứng so với giá trị của góc truyền sóng tại vùng nước sâu. Trong trường hợp đáy biển không đồng đều, hiện tượng khúc xạ sóng có thể gây ra phân kỳ hoặc hội tụ năng lượng sóng. Hiệu ứng này có thể thấy được rất rõ khi quan sát các tia sóng, là các đường vuông góc với đường đỉnh sóng có có hướng dương theo chiều chuyển động của sóng hay chiều truyền năng lượng sóng như hình (2-9). Trên bờ biển thẳng có các đường đồng mức song song với nhau, hiện tượng khúc xạ sóng sẽ làm cho các tia sóng bị khuyếch tán, điều này cũng có nghĩa là năng lượng sóng sẽ bị 32
39. khuyếch tán và do vậy mà chiều cao sóng sẽ giảm đi so với trường hợp sóng không bị khúc xạ Năng lượng sóng bị giảm do hiện tượng khúc xạ sóng có thể được giải thích như sau: do suất chuyển năng lượng sóng hay năng lượng nằm trong khoảng 2 tia sóng kế tiếp nhau là hằng số (bỏ qua ma sát đáy) và sự khuyếch tán sóng do hiện tượng khúc xạ sóng cần có năng lượng tương ứng để mở rộng trên chiều dài đỉnh sóng lớn hơn. Điều ngược lại cũng đúng đối với các tia sóng hội tụ. Nếu gọi s0 là khoảng cách giữa các tia sóng ở vùng nước sâu và s là khoảng cách của các tia sóng trong vùng nước nông (như hình 2-9), thì P = ECns = (ECns)0 = hằng số (2-24) Hình 2-9 Sự bảo toàn suất chuyển năng lượng sóng ECns giữa hai tia sóng trên đường đỉnh sóng Triền khai phương trình (2.24) giống như phương trình hiệu ứng nước nông (2.21) nhưng không xét tới hiện tượng khúc xạ sóng, thu được 11 22 H ⎡⎤⎡1 Cs00⎤ = ⎢⎥⎢⎥ (2.25) HnCs0 ⎣⎦⎣2 ⎦ Sự khúc xạ sóng được xét tới trong phương trình thông qua tỷ số s0/s, tỷ số này hoàn toàn không được xét tới trong (2.21). Trong thực tế, các bảng tra hiện tượng biến dạng sóng cho biết tỷ số của H/H0, sẽ không xét tới hiện tượng khúc xạ sóng, đây cũng là tỷ số được biểu đồ hóa trong hình (2-3). Tỷ số này được gọi là hệ số khúc xạ sóng 1 2 ⎛⎞s0 Kr =⎜⎟ (2.26) ⎝⎠s Đối với bờ biển thẳng có các đường đồng mức song song, có địa hình đáy đơn giản và đồng nhất thì tỷ số có thể lấy bằng: 33
40. scosα 00= (2.27) scosα Trong trường hợp này hệ số khúc xạ sóng K được tính toán khá đơn giản. Trong trường hợp bờ biển có địa hình đáy phức tạp và có hiện tượng khúc xạ sóng thì cần xây dựng một biểu đồ khúc xạ sóng và để xác định trực tiếp sự biến thiên của s dọc theo bờ biển so với khoảng cách ở ngoài khơi. Sau khi xác định được s, có thể dùng giá trị này để tính hệ số K, dọc theo bờ biển và dùng phương trình (2.25) để xác định sự biến thiên của chiều cao sóng. Trường hợp địa hình đáy biển không đều có thể làm sóng bị khúc xạ rất phức tạp và dẫn đến sự biến thiên đáng kể của chiều cao và năng lượng sóng dọc theo bờ biển. Sóng sẽ bị khúc xạ và phân kỳ tại những nơi có vực biển sâu hoặc những nơi đáy biển bị sụt lún, do vậy sóng trên bãi biển phần phía trong bờ của các vực biển sâu sẽ giảm chiều cao trong khi ở phía hai cạnh của vực sâu có hiện tượng hội tụ sóng làm chiều cao sóng tại các điểm này tăng lên (như hình 2-10) Hình 2-10. Sự hội tụ và phân kỳ của các tia sóng trên một vực biển sâu và tại các mũi đất nhô ra biển gây nên hiện tượng khúc xạ sóng Cả hai trường các tia sóng và trường đỉnh sóng được bao gồm trong biểu đồ, nhưng các tia sóng không có khoảng cách bằng nhau ở vùng nước sâu. Các tia sóng tiến đến gần các vực sâu ban đầu có khoảng cách gần nhau sau đó năng lượng của chúng bị phân kỳ và lan tỏa rất lớn khi đi vào phần vực sâu làm giảm chiều cao sóng tại mặt khuất của mỗi vực sâu. Ngược lại, ở hai bên cạnh của vực sâu hoặc tại vùng nước nông chuyển tiếp nằm giữa hai vực sâu kế tiếp nhau theo chiều ngang lại có sự hội tụ của các tia sóng do ảnh hưởng của địa hình. Hiện tượng này dẫn tới sự gia tăng chiều cao sóng và năng lượng sóng dọc theo dải bờ biển. Sóng cũng bị khúc xạ và uốn cong về phía đầu của các mũi đất hướng ra biển do phần nước nông ở phía ngoài khơi kết hợp với mũi đất (như hình 2-10). Năng lượng 34
41. sóng do vậy sẽ hội tụ tại phần mũi đất hướng ra biển, làm cho chiều cao sóng về cơ bản có thể lớn hơn ở các vùng lân cận, nơi các tia sóng phân kỳ làm giảm năng lượng sóng. Có thể thấy trong một số trường hợp các tia sóng có thể giao nhau, đây là vấn đề thường hay gặp khi tính toán khúc xạ sóng bằng phương pháp biểu đồ với điều kiện địa hình đáy biển phức tạp. Đối với trường hợp này, khoảng cách giữa hai tia sóng kế tiếp sẽ giảm tới giá trị 0, và theo phương trình (2.25) thì chiều cao sóng tính toán sẽ tăng tới giá trị vô cùng lớn tại điểm hai tia sóng giao nhau. Tấy nhiên trong thực tế không xảy ra điều này. Thay vì chiều cao sóng sẽ tăng lên giá trị vô cùng lớn thì khi chiều cao sóng tăng, độ dốc sóng tăng gần điểm giao nhau giữa hai tia sóng, năng lượng sẽ truyền sang bên dọc theo đường đỉnh sóng và có thể tạo thành con sóng thứ 2. Hình 2-11. Hiện tượng nhiễu xạ sóng khi sóng tới gặp vật cản là đập phá sóng xa bờ Liên quan tới hiện tượng khúc xạ sóng là hiện tượng nhiễu xạ sóng (hình 2-11). Khi sóng biển gặp phải một chướng ngại vật ví dụ như một đê chắn sóng trên đường lan truyền của mình, vật gây cản một phần đỉnh sóng sẽ làm tiêu tán năng lượng sóng hoặc gây phản xạ năng lượng sóng, phần còn lại của con sóng sẽ truyền qua vật cản và bị uốn cong vào vùng khuất sóng phía sau. Khi các sóng truyền qua vật cản giao thoa với các sóng tới sẽ tạo thành hiện tượng nhiễu xạ sóng. Các công trình này phân chia một phần năng lượng sóng, tạo thành một vùng khuất phía sau công trình, thường là nơi để neo đậu tàu thuyền. Quá trình nhiễu xạ sóng có gây nên hiện tượng thoát năng lượng sóng vào trong vùng khuất sau công trình, lúc này nó sẽ tạo nên những điều kiện sóng không mong muốn bên trong cảng. Hiện tượng nhiễu xạ sóng có thể cũng là một yếu tố rất quan trọng có ảnh hưởng tới hình dạng đường bờ biển, phần lớn hình dạng chính xác của các bãi biển hình túi (pocket beach), bãi biển chỉ có duy nhất một phần nhỏ tiếp giáp với biển , và tương tự đối với các bãi biển có hình cong, nơi bị chắn bởi các công trình phá sóng hoặc các đập chắn sóng xa bờ. 35
42. 2.5 THỦY TRIỀU VÀ SỰ DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC Trong tính toán thiết kế các công trình bờ biển, bên cạnh tính toán sóng, thì tính toán mực nước là một nội dung tính toán thiết kế quan trọng. Giả thiết có một công trình đơn giản, được đặt gần bờ và chịu tác dụng của sóng. Khi mực nước tăng lên, công trình sẽ chịu tác dụng trực tiếp của các sóng lớn hơn so với khi mực nước ở trạng thái trung bình. Đó là do khi mực nước tăng lên, nó tạo điều kiện cho các sóng có xâm nhập sâu hơn vào trong bờ, và quan trọng hơn là khi mực nước tăng lên thì ảnh hưởng của ma sát đáy đối với các sóng sẽ giảm đi, năng lượng sóng khi vỡ sẽ tập trung vào vị trí sát công trình. Điều này dẫn tới các lực tác dụng lên công trình cũng tăng lên và sóng tràn qua đỉnh công trình sẽ gây hư hại cho công trình và vùng bên trong bờ được công trình bảo vệ. Ngược lại, khi mực nước hạ thấp, công trình sẽ không còn chịu tác dụng trực tiếp của sóng và do đó mà các hư hại của công trình sẽ chủ yếu xảy ra tại thời điểm mực nước cao. Tương tự như vậy, hiện tượng dâng cao mực nước biển gây nên sự suy thoái của bờ có cấu tạo cát. Tương tự như đã giải thích ở trên, khi mực nước biển dâng cao sẽ tạo điều kiện cho các sóng lớn hơn xâm nhập vào gần bờ. Các sóng này sẽ gây xói lở đụn cát và phần phía trên của bãi biển và đưa bùn cát lắng đọng ở phía ngoài khơi. Sự dâng cao mực nước trong thời đoạn dài sẽ dẫn tới hiện tượng mất bùn cát vĩnh viễn. Bờ biển bao gồm các mũi đá, vách đá có cấu tạo bằng các vật liệu dễ bị xói lở thành tạo trong kỷ băng hà hoặc là đá trẻ, mềm sẽ liên tục bị xói lở do tác dụng của sóng. Mực nước cao, do vậy, sẽ cho phép các sóng lớn hơn tác dụng trực tiếp vào các vách đã gây nên hiện tượng xói lở nhanh và liên tục bờ biển trong thời đoạn dài. Sự dao động mực nước có thể phân thành một số loại và chúng được chia thành các hình thức khác nhau tùy thuộc vào tần suất lặp lại của các hiện tượng : Chu kỳ rất ngắn - Sóng gió và sóng biển (sóng lừng) Chu kỳ ngắn - Thủy triều - Nước dâng do bão và do sự biến đổi khí áp - Sự dao động mực nước do biến đổi khí áp Thời đoạn mùa, hoặc thời đoạn dài - Sự dao động mực nước mang tính mùa - Sự gia tăng của mực nước biển - Sự nâng, hạ của lục địa - Sự biến đổi khí hậu toàn cầu Trong phần tiếp theo sẽ trình bày các nội dung liên quan tới sự dao động mực nước do tác dụng của thủy triều, hiện tượng nước dâng do bão (sự dao động mực nước trong 36
43. thời đoạn ngắn) và sự dâng lên của mực nước biển (sự biến đổi mực nước trong thời đoạn dài) A-THỦY TRIỀU VÀ DÒNG TRIỀU NGUỒN GỐC THỦY TRIỀU Triều thiên văn thường được hạn chế trong sự chuyển động của nước ở vùng ven biển. Chúng gây nên sự nâng hạ mực nước và tạo thành các trường dòng chảy có quy mô lớn, đôi khi xuất hiện với vận tốc dòng chảy tương đối lớn. Thủy triều có ảnh hưởng trực tiếp hình thái bờ biển, vận tải thủy, thủy sản, và sự cư trú của các loài và các hoạt động giải trí, du lịch. Do tính chất quan trọng của các vấn đề này nên trong phần này sẽ giới thiệu kỹ về thủy triều và chế độ thủy triều ở Việt Nam. Năm 1687, Niutơn đã khám phá ra bí mật từ hàng ngàn năm nay về hiện tượng thủy triều. Thủy triều lên xuống hàng ngày trên trái đất, khi yếu, khi mạnh, xảy ra một cách tuần hoàn, đều đặn là do nguyên nhân nào ? Khoa học đã trả lời rằng nguyên nhân sinh ra thủy triều là do lực hấp dẫn vũ trụ vũ trụ, chủ yếu từ Mặt trăng và Mặt trời. Trong hình (2-12), thủy triều được gọi là triều thiên văn vì nó là kết quả của giả thiết lực thủy triều tác dụng lên nước biển trong thời gian dài là cân bằng với lực hút thiên thể và lực thủy triều. Thủy triều là kết quả của sự kết hợp của các lực tác dụng lên một chất điểm nước riêng lẻ, chúng bao gồm: - Lực hút hấp dẫn tác dụng lên quả đất, - Lực ly tâm phát sinh do chuyển động quay của tổ hợp quả đất và mặt trăng, - Lực hút của mặt trăng cho các chất điểm nước trên quả đất, - Lực hút của mặt trời lên quả đất. Equilibrium Tide (Mặt trăng) Hình 2-12 Triều thiên văn 37
44. Trước tiên, giả thiết rằng bỏ qua lực của mặt trời và toàn bộ trái đất được bao phủ bởi nước. Lực cản tác dụng lên các chất điểm nước là một thành phần lực nhỏ theo phương nằm ngang. Lực này có tác dụng làm chuyển động chất điểm nước A trong hình (2-12) về hướng mặt trăng và chất điểm nước B ra khỏi mặt trăng, dẫn tới hai vùng lồi nước cao. Khi trái đất chuyển động quay với tốc độ góc ωE, quanh trục của mình tại CE theo hướng của mũi tên, điều này làm cho khối cầu nước bao bọc quanh trái đất bị biến dạng và tạo thành hai lần nước cao và hai lần nước thấp trong 1 ngày đêm. Kết quả là thủy triều sẽ có chu kỳ 12giờ, tuy nhiên, do hệ thống mặt trăng - mặt trời cũng chuyển động quay quanh CME với vận tốc ωME theo cùng 1 hướng quay với trái đất. Hai vùng nước lồi sẽ đi theo vị trí của mặt trăng và vì thế chu kỳ của thủy triều là 12giờ 42 phút. Equilibrium Tide (Mặt trời và Mặt trăng) Hình 2-13 Triều thiên văn và lực tương tác của Mặt trời và Mặt trăng Lực hấp dẫn của mặt trời tạo thành một vùng nước trồi thứ hai, nhỏ hơn vùng nước lồi đầu tiên có hướng về phía mặt trời và theo hướng ngược lại. Chu kỳ triều hình thành do lực hấp dẫn mặt trời sẽ là 12 giờ, tương ứng với thời gian trái đất chuyển động quay quanh mặt trời. Cả hai chế độ triều cân bằng này đều xảy ra tại cùng 1 thời điểm và chúng sẽ được tính gộp lại khi mặt trăng, mặt trời nằm trên một đường thẳng (vào ngày 1 và 15 âm lịch tương ứng với thời điểm trăng non và trăng tròn). Tại các thời điểm này, thủy triều sẽ có biên độ cao hơn mức trung bình. Tại ¼ mặt trăng, lực hấp dẫn của mặt trăng và mặt trời lệch pha nhau 90° và lực thủy triều sẽ triệt tiêu nhau tại các thời điểm này, lúc này thủy triều có biên độ nhỏ hơn mức trung bình. Thời điểm thủy triều lớn nhất gọi là nước lớn (spring tides) và thủy triều nhỏ nhất gọi là nước ròng (neap tides). Sự lên xuống không đều của Thủy triều 38
45. Trong trường hợp lý tưởng, nếu trục lớn của hình bầu dục của màng nước biển luôn luôn trùng với mặt phẳng xích đạo và chuyển động của mặt trời rất đều đặn theo đường tròn thì triều dâng và triều rút ở các nơi trên trái đất có cùng vĩ độ sẽ hết sức đều đặn. Như vậy sẽ thấy hai lần nước lớn cao như nhau, hai lần nước ròng cũng tương tự nhau và thời gian triều dâng cũng như triều rút đều bằng nhau. Nhưng trong thực tế ta lại thấy chúng chênh lệch nhau. Trước hết là do lỗi của độ xích vĩ, tức độ nghiêng của mặt trăng. Khi mặt trăng nằm trong mặt phẳng xích đạo, ta sẽ có độ xích vĩ cực tiểu bằng không. Trong các trường hợp khác, quỹ đạo của Mặt trăng cắt mặt phẳng xích đạo một góc nhọn mà giá trị cực đại của độ xích vĩ là 27-28° (về phía Bắc hay về phía Nam). Giả sử Mặt trăng ở vị trí có độ xích vĩ cực đại như ở hình 2-14. Theo lý thuyết tĩnh học về thủy triều, màng nước biển có hình bầu dục hướng về Mặt trăng như trong hình vẽ. Sự chênh lệch không đều của thủy triều ngày càng nhỏ nếu độ xích vĩ càng nhỏ và khi mặt trăng nằm trong mặt phẳng xích đạo, theo lý thuyết, sự chênh lệch này sẽ biến mất. Thủy triều ứng với trường hợp Mặt trăng có độ xích vĩ lớn nhất là thủy triều tropic hay thủy triều chí tuyến với sự chênh lệch triều hàng ngày đạt giá trị cực đại. Thủy triều vào thời kỳ Mặt trăng có độ xích vĩ bằng không là thủy triều phân điểm hay xích đạo. Tương tự như vậy ta sẽ có sự chênh lệch thủy triều hàng tháng do mặt trăng quay quanh trái đất không phải theo hình tròn mà là hình elíp với cận điểm và viễn điểm, tùy trường hợp mặt trăng ở gần hay xa nhất. Hình 2-14 Ảnh hưởng của độ xích vĩ Vào thời kỳ trăng tròn hoặc trăng non (giữa hoặc đầu và cuối tháng) ta có hiện tượng giao hội hoặc xung đối : Mặt trăng, mặt trời và Trái đất ở vị trí thẳng hàng với 39
46. nhau tựa như một xâu táo. Màng nước bao quanh trái đất bị cả hai lực hấp dẫn vũ trụ cùng kéo về một hướng nên hình bầu dục trở nên nhọn hơn. Đó là thời kỳ triều cường, lên đẫy và xuống kiệt hơn các ngày khác trong chu kỳ nửa tháng. Trái lại trong những ngày trăng thượng huyền hoặc hạ huyền, Mặt trăng, Mặt trời và Trái đất ở thế vuông góc với nhau khiến cho lực hấp dẫn vũ trụ bị phân tán về hai hướng vuông góc. Trường hợp này gọi là trực thế, dạng bầu dục của màng nước kém nhọn, trục lớn và trục nhỏ của bầu dục ít chênh lệch nhau, do đó triều lên xuống yếu. Đó là thời kỳ nước kém. Như vậy, ăn nhịp với các tuần trăng trong vòng nửa tháng (chính xác là 14.77 ngày) triều biến thiên từ cường sang kém rồi từ kém lớn dần thành nước cường. Các ảnh hưởng khác Như trên chúng ta đã biết rằng đặc tính của thủy triều được xây dựng trên cơ sở 4 yếu tố chính là lực hấp dẫn thiên thể của mặt trăng, mặt trời và góc xích vĩ của mặt trăng và mặt trời. Ngoài ra còn có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng khác như quỹ đạo chuyển động của mặt trăng và mặt trời với trái đất, vì trong thực tế các quỹ đạo chuyển động này là hình elíp chứ không phải là hình tròn. Mỗi một ảnh hưởng do các sóng triều thứ cấp gây ra đều có độ lớn, chu kỳ và góc pha riêng biệt so với các thành phần khác. Do vậy mà thủy triều thực tế sẽ phức tạp hơn nhiều so với tính toán trên các sóng triều chính tạo bởi ảnh hưởng của mặt trăng và mặt trời PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO THỦY TRIỀU Để phân tích thủy triều người ta chia một con triều thực đo thành nhiều thành phần thủy triều khác nhau và chúng được gọi là các sóng triều, các sóng triều này hoàn toàn có thể xác định được khi chúng ta có số liệu đo đạc thủy triều tương đối dài. Độ lớn thủy triều được giả thiết là bằng tổng của các hàm điều hòa theo công thức sau: I ηTi()tac=∑ os()ωαii t+ (2-28) i=1 trong đó ηT(t) là mực nước triều tại thời điểm t, ai và αi là biên độ và góc pha của các sóng triều; ωi là tần số góc của chúng. Ví dụ sóng bán nhật triều mặt trăng, được ký hiệu là M2, có chu kỳ là 12.42 giờ và do vậy mà ωM2 = 2π/(3600 × l2.42) = 1.405x10-4 giây-1. Như vậy các phân tích thủy triều thực chất là việc đi xác định giá trị của các thành phần ai và αi. Những thành phần quan trọng nhất tạo nên thủy triều trên trái đất bao gồm các sóng bán nhật triều mặt trăng (M2) và mặt trời (S2) có chu kỳ 12.42 giờ và 12 giờ, và các sóng nhật triều hay bán nhật triều không đều có chu kỳ là 24.48 giờ và 24 giờ. Ngoài ra còn có rất nhiều sóng khác cũng cần được xét tới trong tính toán phân tích thủy triều như các sóng nhật triều O1,K1,P1,Q1 và các sóng do ảnh hưởng của nước 40
47. nông hay ảnh hưởng độ lệch quỹ đạo chuyển động của mặt trăng, mặt trời. Mỗi một sóng triều được đặc trưng bởi các hàm điều hòa khác nhau. Số liệu đo đạc thủy triều trong một năm hoàn toàn có thể dùng để tính toán phân tích biên độ và góc pha của hơn 60 loại sóng triều khác nhau. Một sóng triều quan trọng có chu kỳ là 18.6 năm. Nó không thể tính toán được từ các số liệu đo đạc với độ dài chuỗi số liệu đo đạc hợp lý và do vậy mà sẽ được tính toán theo công thức. Các thông số được tính toán điều chỉnh ai và αi theo hàm thời gian tương ứng với chu kỳ 18.6 năm nói trên. Với số liệu đo đạc ngày càng dài hơn, chúng ta càng có thể phân tích tỷ mỉ với nhiều sóng hợp thành hơn trong tính toán phân tích thủy triều. Ví dụ như, sau khi phân tích hàm điều hòa thủy triều, ta biết rằng tại cảng Hòn dấu, sóng nhật triều có độ lớn tới 74cm (sóng O1), 72cm (sóng K1) trong khi đó các sóng bán nhật triều lại nhỏ hơn rất nhiều: 5 cm (sóng M2) và 4 cm (sóng S2). Từ các số liệu gốc là các hằng số điều hòa về biên độ và góc pha, ta chỉ cần đưa thêm các điều kiện thiên văn tương ứng với thời gian cần tính là có thể tính toán ra được độ cao thủy triều vào ngày cần tìm. Quá trình tính toán hằng số điều hòa khá công phu, phức tạp. Các phép tính trong dự tính thủy triều với hàng chục sóng hợp thành cũng là công việc rất công phu. Nếu chỉ tính bằng tay với máy tính cá nhân cũng phải có hai người tính thạo trong nửa tháng để có thể dự tính thủy triều của một tháng. Đến những năm sau này, khi máy tính điện tử trở nên phổ biến và ngày càng phát triển mạnh với hàng triệu phép tính một giây thì việc tính toán thủy triều với kết quả chính xác tại nhiều nơi, hầu hết là các cảng biển trên thế giới đã trở nên phổ biến. Nhiều phần mềm và website về tính toán thủy triều được xây dựng và phổ biến một cách rộng rãi trên internet. Nhưng đối với nhiều dự án xây dựng các công trình ven biển thì các thông tin về thủy triều ở vị trí xây dựng công trình nhiều khi lại không có và do vậy mà các phân tích tính toán và đo đạc thủy triều tại vị trí dự án là rất cần thiết. Thông thường người ta thường đo đạc thủy triều trong thời gian khoảng 1 tháng và từ đó tính toán ra các hằng số điều hòa chính như sóng bán nhật triều mặt trăng, mặt trời, và nhật triều không đều. Tất nhiên là các kết quả tính toán trên chỉ mang tính sơ bộ, các phân tích tính toán chi tiết luôn cần có số liệu đo đạc đủ dài như đã nói ở trên. DÒNG TRIỀU Sự nâng hạ của mực nước dưới tác dụng của thủy triều thường xuất hiện cùng dòng triều. Do sóng triều thường có chiều dài sóng rất lớn (vào khoảng 100 km) so với chiều cao của sóng (khoảng vài mét), nên vận tốc truyền sóng triều trong vùng nước nông có thể được tính theo công thức sau: Cgd= (2.29) Trong đó C là tốc độ truyền sóng triều, g là gia tốc trọng trường và d là độ sâu nước. 41