intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Bài giảng Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển - Phần 4

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST
Báo xấu
82
lượt xem 8
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

TÍNH TOÁN NƯỚC DÂNG DO BÃO Cơ sở tính toán Phương trình cơ bản Các quá trình thuỷ động lực học của nước vùng ven biển trong đó có thuỷ triều, nước dâng do bão, v.v… có thể được mô tả bởi hệ phương trình sóng nước nông 2 chiều: Phương trình liên tục

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển - Phần 4

  1. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão TÍNH TOÁN NƯỚC DÂNG DO BÃO Nghiêm Tiến Lam Khoa Kỹ thuật Biển, Đại học Thuỷ lợi Cơ sở tính toán Phương trình cơ bản Các quá trình thuỷ động lực học của nước vùng ven biển trong đó có thuỷ triều, nước dâng do bão, v.v… có thể được mô tả bởi hệ phương trình sóng nước nông 2 chiều: Phương trình liên tục ∂η ∂ ( uh ) ∂ ( vh ) + + =0 (1) ∂t ∂x ∂y Phương trình cân bằng động lượng theo phương x ∂η 1 ∂Pa τ wx − τ bx ∂u ∂u ∂u + τ ix +u + v − fv = − g − + (2) ∂x ρ ∂x ρh ∂t ∂x ∂y Phương trình cân bằng động lượng theo phương y ∂η 1 ∂Pa τ wy − τ by ∂v ∂v ∂v + τ iy + u + v + fu = − g − + (3) ∂y ρ ∂y ρh ∂t ∂x ∂y Các thành phần ngoại lực chính Ma sát đáy Ứng suất do ma sát đáy 1 τb = ρ g (4) UU C2 U = u 2 + v2 (5) Các thành phần ứng suất do ma sát đáy ) ( 1 1 τ bx = ρ g U u = ρg 2 u 2 + v2 u (6) 2 C C ) ( 1 1 τ by = ρ g U v = ρg 2 u 2 + v2 v (7) 2 C C Tác động của gió Ứng suất gió tác động lên mặt nước τ w = ρ a Cd W W (8) 1 28/08/2008
  2. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão W = W +W 2 2 với (9) x y Các thành phần ứng suất gió τ wx = ρ a Cd W Wx = ρ a Cd W W cos θ = τ w cos θ (10) τ wy = ρ a Cd W Wy = ρ a Cd W W sin θ = τ w sin θ (11) Trong nhiều công thức về hệ số ma sát gió như giới thiệu trong phần Phụ lục 3, công thức được sử dụng rất rộng rãi có thể áp dụng là công thức (59) của Van Dorn (1953) Trong các mô hình thuỷ động lực học, các thành phần chính gây nên nước dâng do bão là trường gió và trường khí áp trong bão có thể được xác định như trong phần Phụ lục 1 và 2. Khí áp Xem phần sau và Phụ lục 1. Tính toán sơ bộ nước dâng do bão Đối với tính toán nước dâng trong trạng thái ổn định, có thể bỏ qua các thành phần biến đổi của vận tốc, lực Coriolis, nội ma sát v.v…, khi đó từ (2) có phương trình tính toán nước dâng theo phương x vuông góc với bờ 1 dPa τ wx − τ bx dη = + (12) dx ρ g dx ρ gh Để ước lượng nước dâng do bão từ phương trình (12), có thể tính toán riêng từng thành phần của nước dâng do gió và nước dâng do giảm khí áp sau đó cộng lại. Nước dâng do bão ở các vùng nước nông ven bờ chịu ảnh hưởng rất lớn của địa hình đáy và hình dạng đường bờ nên các công thức tính toán giới thiệu ở đây chỉ nên coi là các ước lượng gần đúng. Tính toán nước dâng do gió Gió thổi sẽ dồn nước vào bờ và sau một khoảng thời gian thì dòng chảy theo phương vuông góc với bờ sẽ dừng lại khi đạt trạng thái cân bằng giữa ứng suất gió với ma sát đáy và chênh lệch áp suất thuỷ tĩnh. Khi đó từ (12) có phương trình ổn định mô tả nước dâng do gió dη nτ wx = (13) dx ρ gh với hệ số n xét đến ảnh hưởng của ma sát đáy τ bx n = 1− (14) τ wx Giá trị của n thường được chọn trong khoảng n = 1.15 – 1.30 (SPM, 1977) 2 28/08/2008
  3. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão Hướng gió z hw x d h d F Hình 1: Sơ đồ tính toán nước dâng do gió Để giải bài toán nước dâng cho khoảng đà gió F như Hình 1, sai phân phương trình (13) nτ wx hw = (15) ⎛ 1⎞ F ρ g ⎜ d + hw ⎟ 2⎠ ⎝ Nhận được phương trình bậc hai của nước dâng do gió nτ wx hw 2 + 2d ⋅ hw − 2 F =0 (16) ρg Nghiệm của phương trình (16) là nτ wx hw = − d + d 2 + 2 F (17) ρg Sử dụng ứng suất gió theo phương vuông góc với bờ ở (10) sẽ cho công thức tính toán nước dâng do gió như (18) 1 ⎛ ρ nCd 2 ⎞2 W F cos θ + d 2 ⎟ − d hw = ⎜ 2 a (18) ⎝ρg ⎠ Tính toán nước dâng do giảm khí áp Từ phương trình (12) chỉ xét riêng cho thành phần khí áp dη 1 dPa = (19) dx ρ g dx 1 hp = Δη = ΔP (20) ρg a Nếu lấy mật độ của nước biển ρ = 1025 kg/m³, g = 9.81 m/s² thì công thức tính độ cao nước dâng do giảm khí áp trong bão khi biết độ giảm áp ΔPa (tính theo mbar) tại điểm tính toán như sau hp = 0.01× ΔPa (21) 3 28/08/2008
  4. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão Độ giảm khí áp được tính theo (22) ΔPa = pn − pa (22) với pa là khí áp tại điểm tính toán (mbar) và pn là áp suất không khí tại mặt biển trong điều kiện bình thường, pn ≈ 1013 mbar. Khí áp tại điểm tính toán pa được tính toán bằng một trong nhiều mô hình khác nhau ở Phụ lục 1. Tính toán nước dâng do bão tổng cộng Nước dâng do bão bao gồm cả ảnh hưởng do gió và hạ khí áp trong bão có thể tính toán theo công thức JMA (Cục Khí tượng Nhật Bản) H nd = a (1010 − p0 ) + bW 2 cos θ (23) Các hằng số a và b tính toán cho nhiều vùng khác nhau của Nhật Bản cho giá trị a trong khoảng (0.02167 – 0.04304), trung bình a = 0.03, giá trị của b trong khoảng (-0.00167 – 0.00181), trung bình b = 0.2×10-6. Tài liệu tham khảo Atkinson, G.D. and Holliday, C.R., 1977. Tropical cyclone minimum sea level pressure/maximum sustained wind relationship for the western North Pacific. Monthly Weather Review, 105: 421–427. Banton, J.D., Smith, D.A.Y. and Warner, P.S., 2002. Long term variability of hurricane trends and a Monte Carlo approach to design, International Conference on Coastal Engineering 2002. CERC, 1984. Shore Protection Manual. 4th ed., 2 Vol. U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, U.S.Government Printing Office, Washington, D.C., 1088 pp. DeMaria, M., Aberson, S.M., Ooyama, K.V. and Lord, S.J., 1992. A nested spectral model for hurricane track forecasting. Monthly Weather Review, 120: 1628-1643. Depperman, C.E., 1947. Notes on the origin and structure of Philippine typhoons. Bull. Amer. Meteor. Soc., 28: 399-404. Dvorak, V.F., 1984. Tropical cyclone intensity analysis using satellite data. NOAA Tech. Rep. NESDIS 11. Fujita, T.T., 1971. Proposed characterization of tornados and hurricanes by area and intensity. SMRP Res. Paper No. 91, Dept. of Geophys. Sci., University of Chicago. Holland, G.J., 1980. An Analytic Model of the Wind and Pressure Profiles in Hurricanes. Monthly Weather Review, 108: 1212-1218. Hughes, L.A., 1952. On the low level wind structure of tropical cyclones. Journal of Meteorology, 9: 422-428. Jelesnianski, C.P., Chen, J. and Shaffer, W.A., 1992. SLOSH: Sea, Lake and Overland Surges from Hurricanes, NOAA Technical Report NWS 48. Johns, B. and Ali, M.A., 1980. The numerical modelling of storm surges in the Bay of Bengal. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 106: 1-18. 4 28/08/2008
  5. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão Schloemer, R.W., 1954. Analysis and synthesis of hurricane wind patterns over Lake Okeechobee, Florida. Hydrometeorological Report, USWB, 31: 1-49. van Dorn, W.G., 1953. Wind stress on an artificial pond. Journal of Marine Research, 12: 249-276. Young, I.R., 1999. Wind Generated Ocean Waves. Elsevier. Phụ lục 1: Mô hình trường khí áp trong bão Phân bố khí áp trong bão Các mô hình phân bố khí áp trong bão mô tả sự biến đổi của khí áp cách tâm bão bán kính r phụ thuộc vào bán kính gió lớn nhất R và độ giảm áp trung tâm ΔP ΔP = pn − p0 (24) Mô hình Bierknes (1921) −1 ⎡ ⎛ r ⎞2 ⎤ pa ( r ) = pn − ΔP ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ (25) ⎢ ⎝R⎠ ⎥ ⎣ ⎦ Mô hình Takahashi (1939) −1 ⎡ r⎤ pa ( r ) = pn − ΔP ⎢1 + ⎥ (26) ⎣ R⎦ Mô hình Fujita (1952) 1 − ⎡ ⎛ r ⎞2 ⎤ 2 pa ( r ) = pn − ΔP ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ (27) ⎢ ⎝R⎠ ⎥ ⎣ ⎦ Mô hình Mayers (1954) ⎡ ⎛ R ⎞⎤ pa ( r ) = pn − ΔP ⎢1 − exp ⎜ − ⎟ ⎥ (28) ⎝ r ⎠⎦ ⎣ Mô hình Jelesnianski (1965) ⎧ 3 R ⎪ pn − 4 ΔP r , r≥R ⎪ pa ( r ) = ⎨ (29) 2 ⎪ p + 1 ΔP ⎛ r ⎞ , r
  6. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão Mô hình Schloemer (1954), Harris (1958), Mayers và Malkin (1961) ⎛ R⎞ pa ( r ) = p0 + ΔP ⋅ exp ⎜ − ⎟ (31) ⎝ r⎠ Mô hình Johns et al. (1980) ⎛ r⎞ pa ( r ) = pn − ΔP ⋅ exp ⎜ − ⎟ (32) ⎝ R⎠ Chuyển đổi khí áp Chuyển đổi khí áp đo tại độ cao z về khí áp tại mặt biển 0.014837⋅z pa = pz × 10 273+ z 400+30 (33) Phụ lục 2: Mô hình trường gió trong bão Trường gió trong bão Các thành phần vân tốc gió theo các phương bao gồm thành phần vận tốc gió do bão di chuyển Wf và thành phần vận tốc gió do chênh lệch khí áp Wr ⎧Wx = W fx + Wrx = W f cos ϕ + C2Wr cos ( 90 +ψ + β ) ⎪ (34) ⎨ ⎪Wy = W fy + Wry = W f sin ϕ + C2Wr sin ( 90 + ψ + β ) ⎩ Hệ số kinh nghiệm C2 có thể lấy trong khoảng 0.6 – 0.8. Góc lệch giữa thành phần gió địa chuyển và gió thực (Bretschneider) ⎧ ⎛ r⎞ ⎜1 + ⎟ , 0≤r < R ⎪10 ⎝ R⎠ ⎪ ⎪ ⎛r ⎞ β ( r ) = ⎨20 + 25 ⎜ − 1⎟ , R ≤ r < 1.2 R (35) ⎝R ⎠ ⎪ ⎪25 r ≥ 1.2 R , ⎪ ⎩ Thành phần vận tốc gió do bão di chuyển Masami (1962) ⎛ πr ⎞ W f = C1exp ⎜ − ⎟V f (36) ⎝ 500 ⎠ Hệ số kinh nghiệm C1 lấy phụ thuộc vào bán kính R. Nếu R khá lớn thì C1 = 4/7, nếu R nhỏ thì lấy C1 = 6/7. Jelesnianski (1962) Rr Wf = Vf (37) R + r2 2 6 28/08/2008
  7. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão Phân bố vận tốc gió do chênh lệch khí áp Mô hình Fujita 1 ⎡ ⎤2 2 r 2 ⋅ R ⋅ ΔP ⎥ ⎢ ⎛ fr ⎞ ⎛ fr ⎞ W ( r ) = ⎢⎜ ⎟ + −⎜ ⎟ (38) 3⎥ 2 ⎝2⎠ ⎢⎝ ⎠ ρ a ( R 2 + r 2 ) 2 ⎥ ⎣ ⎦ Mô hình Dube et al. ⎧ ⎛r−R⎞ r
  8. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão với B là thông số trong khoảng 1 < B < 2.5 và được xác định như sau p0 − 900 B = 2− (44) 160 980 − p0 B = 1.5 − (Young, 1999) (45) 120 Mô hình DeMaria et al. (1992) ⎧ 1 ⎡ ⎛ r ⎞b ⎤ ⎫ ⎪ ⎪ ⎛r⎞ W ( r ) = Wmax ⎜ ⎟ exp ⎨ ⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥ ⎬ (46) ⎝R⎠ ⎩b ⎢ ⎝ R ⎠ ⎥⎭ ⎪⎣ ⎦⎪ với thông số b trong khoảng 0.2 < b < 0.8. Mô hình SLOSH (Jelesnianski et al., 1992) ⎛ 2 Rr ⎞ W ( r ) = Wmax ⎜ 2 2 ⎟ (47) ⎝ R +r ⎠ Bán kính gió lớn nhất Banton et al. (2002) R = 3 ×10−6 ⋅ exp ( 0.017 ⋅ p0 ) (48) Vận tốc gió lớn nhất trong bão Fujita (1971) Wmax = 4.89 ⋅ (1010 − p0 ) 0.577 (49) Atkinson và Holiday (1977) Wmax = 3.45 ⋅ (1010 − p0 ) 0.644 (50) Holland (1980) 1 ⎧ ΔP ⎫ 2 = ⎨B Wmax e⎬ (51) ⎩ ρa ⎭ Dvorak (1984) Wmax = 3.4 ⋅ (1010 − p0 ) 0.648 (52) SPM 1984 (CERC, 1984) Wmax = 0.865 ⋅Wm + 0.5 ⋅ W f (53) trong đó Wm Vận tốc gió gradient lớn nhất ở độ cao 10 m so với mặt biển, 8 28/08/2008
  9. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão Wm = 0.447 ⎡14.5 ⋅ ΔP − R ( 0.31 f ) ⎤ (54) ⎣ ⎦ Wf Tốc độ di chuyển của cơn bão f Hệ số Coriolis f = 2ω sin ϕ (55) ω Vận tốc góc của Trái Đất (1 vòng trong 23 giờ 56 phút 4.09 giây) 2π ω= = 7.29 × 10−5 (s-1) (56) 23.93 φ Vĩ độ địa lý (rad) Phụ lục 3: Hệ số ma sát gió Các công thức hệ số kéo của gió thường có dạng tổng quát như (57) và có thể xây dựng cho từng khu vực. ⎧c1 W ≤ W1 ⎪ c −c ⎪ Cd = ⎨c1 + 2 1 (W − W1 ) W1 < W < W2 (57) W2 − W2 ⎪ ⎪c2 W ≥ W2 ⎩ Một số công thức đã được thiết lập như sau: Công thức IOS (Viện Hải dương học Anh) Cd = ( 0.63 + 0.066 ⋅ W ) × 10−3 (58) Công thức Van Dorn (1953) ⎧ 2 −3 ⎛ 5.6 ⎞ −3 ⎪1.2 ⋅10 + 2.25 ⋅10 ⎜1 − W > 5.6 ⎟, Cd = ⎨ (59) ⎝ W⎠ ⎪ −3 ⎩1.2 ⋅10 , W ≤ 5.6 Công thức Wilson (1960) ⎧1.1×10−3 , W ≤ 2.8 ⎪ Cd = ⎨( 0.9 + 0.08 ⋅ W ) × 10−3 , 2.8 < W < 20 (60) ⎪ −3 ⎩2.6 × 10 W ≥ 20 Công thức Heaps (1965) ⎧0.565 ×10−3 , W ≤5 ⎪ Cd = ⎨−0.12 + 0.137 ⋅ W , 5 < W < 19.22 (61) ⎪2.513 ×10−3 W ≥ 19.22 ⎩ 9 28/08/2008
  10. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão Công thức Garrat (1971) Cd = ( 0.75 + 0.067 ⋅ W ) ×10−3 (62) Công thức Rijswaterstaat ⎧1.7 × 10−3 , W ≤ 15 ⎪ Cd = ⎨−0.7 + 0.16 ⋅ W , 15 < W < 20 (63) ⎪2.5 ×10−3 W ≥ 20 ⎩ Các ký hiệu β góc giữa hướng gió tạo thành do chênh lệch khí áp và đường đẳng áp (độ) hệ số nhám de Chézy (m½/s) C Cd hệ số kéo của gió d độ sâu nước từ mực chuẩn xuống đến đáy (m) ΔP độ giảm áp của tâm bão (mbar) F đà gió (m) f thông số Coriolis (1/s) φ góc giữa trục x và hướng bão di chuyển (độ) ψ góc giữa trục x và đường thẳng nối từ điểm tính toán đến tâm bão (độ) g gia tốc trọng trường (m/s²) h độ sâu tổng cộng, h = d + η (m) hp độ cao nước dâng do giảm khí áp (m) hw độ cao nước dâng do gió (m) η mực nước phía trên mực chuẩn (m) θ góc giữa hướng gió thổi và đường vuông góc với bờ (rad) n hệ số xét đến ảnh hưởng của ma sát đáy Pa áp suất không khí (N/m²) p0 áp suất không khí tại tâm bão (mbar) pn áp suất không khí tại vùng ngoại vi không bị ảnh hưởng bởi cơn bão (mbar) pa(r) áp suất không khí tại điểm cách tâm bão bán kính r (mbar) R bán kính từ tâm bão đến vùng xuất hiện gió lớn nhất (km) r bán kính của điểm tính toán tính từ tâm bão (km) ρ mật độ của nước (kg/m³) ρa mật độ của không khí (kg/m³) t thời gian (s) τwx,τwy các thành phần ứng suất ma sát đáy theo phương x và y (kg/m/s²) 10 28/08/2008
  11. Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính toán nước dâng do bão τwx,τwy các thành phần ứng suất gió theo phương x và y (kg/m/s²) τix,τiy các thành phần nội ứng suất theo phương x và y (m/s²) U vận tốc dòng chảy (m/s) u, v vận tốc dòng chảy bình quân độ sâu theo phương x và y (m/s) W vận tốc gió ở độ cao 10 m so với mặt biển (m/s) Wx,Wy các thành phần vận tốc gió theo các phương x và y (m/s) Wf thành phần vận tốc gió do sự di chuyển của cơn bão (m/s) Wr vận tốc gió do chênh lệch khí áp tại khoảng cách r từ tâm bão (m/s) Wmax vận tốc gió lớn nhất xuất hiện trong bão (m/s) x, y khoảng cách theo các phương của hệ toạ độ Descartes trên mặt phẳng ngang (m) z độ cao so với mặt biển (m) 11 28/08/2008
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2