CHƯƠNG 5 - DỰ BÁO SÓNG BIỂN
Tính và dự báo sóng ở biển và đại dương cần thiết cho những lĩnh vực kinh tế
như hàng hải, đóng tàu và khai thác tàu, cảng, các thủy công trình trên bờ và thềm
lục địa, bảo vệ bờ. Trong ho ần biết thông tin
về sóng biển, những đặcau. Trong số những đặc
trưng của sóng biển thì quan trọng nhất là những độ cao sóng cực đại, vì những
sóng l
ỹ đã
lập các b
độ dài sóng thì người ta xét sóng nước
sâu, nếu độ sâu biển nhỏ hơn nửa độ dài sóng − sóng nước nông.
sóng lừng. Sóng gió là sóng gây bởi gió và
chịu
và sóng lừng gọi
là sóng h
ạt động đa dạng của các ngành này c
trưng sóng ở những vùng khác nh
ớn luôn luôn là mối nguy hiểm nhất đối với tàu và các thủy công trình.
Các ngành kinh tế cần những loại dự báo sóng khác nhau: có thể là những đặc
trưng xác suất (chế độ) của sóng trong thời kỳ dài và cũng có thể là những yếu tố
sóng trong một thời điểm cụ thể hàng ngày. Hình thức tiện dụng nhất để thể hiện
dự báo sóng là những bản đồ sóng, trên đó các độ cao sóng và chu kỳ sóng được
biểu diễn bằng các đường đẳng trị. Đã vài thập kỷ nay các nước như Nga và M
ản đồ dự báo sóng cho các vùng đại dương. Những bản đồ này có giá trị
to lớn đối với ngành hàng hải, đặc biệt từ khi xuất hiện dịch vụ đảm bảo những
đường bơi tối ưu cho các tàu viễn dương.
5.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ SÓNG BIỂN
Sự phát triển, lan truyền và tắt dần của sóng ở nước sâu và nước nông diễn ra
khác nhau và các phương pháp dự báo sóng cũng được xây dựng riêng cho từng
trường hợp. Nếu độ sâu biển lớn hơn nửa
Trong biển phân biệt sóng gió và
tác động của gió. Sóng lừng là sóng lan truyền trong vùng tạo sóng sau khi
gió yếu đi hoặc gió thay đổi hướng hoặc sóng đi từ vùng tạo sóng đến vùng khác,
nơi có các đặc trưng gió khác. Có thể có sóng lừng lan truyền trong khi hoàn toàn
không có gió. Hệ thống sóng hình thành do tổng hợp các sóng gió
ỗn hợp.
Trong tính toán và dự báo sóng cũng phân biệt sóng ba chiều và sóng hai
chiều. Thực tế dự báo sóng thường đề cập đến sóng hai chiều. Những đặc trưng cơ
bản được dự báo của sóng hai chiều gồm độ cao h, chu kỳ
T
, độ dài
λ
, tốc độ
truyền C, hướng truyền
ψ
.
Độ cao sóng là độ cao của đỉnh sóng so với đáy sóng. Chu kỳ − khoảng thời
gian hai đỉnh sóng kế tiếp đi qua một điểm cố định trên biển. Trên băng ghi sóng
(hình 5.1) chu kỳ xác định bằng khoảng thời gian trên trục hoành giữa hai đỉnh
sóng kế tiếp nhau. Độ dài − khoảng cách ngang giữa hai đỉnh sóng kế tiếp trên trắc
60
diện sóng vẽ theo hướng ruyt ền sóng. Tốc độ truyền sóng - quãng đường di chuyển
đỉnh sóng hay đáy sóng theo hướng truyền sóng trong một đơn vị thời gian khi
sóng tiến lan truyền trên biển. Hướng truyền sóng - hướng trung bình lan truyền
sóng xác định theo nhiều sóng.
Mùc sãng trung b×nh
§Ønh sãng
Ngän sãng
§¸y sãng Ch©n sãng
1 phót
Hình 5.1. Hình dạng một đoạn băng ghi sóng
Chu kỳ, độ dài và tốc độ truyền sóng liên hệ với nhau bằng những biểu thức
T
g
T
C56,1
2===
π
λλ
,
222 56,1
2g
2g
π
TTC ===
π
λ
, (5.1)
C4C
gg
T6,0
22 ===
ππλ
Năng lượng toàn phần của sóng
2
8
1ghW
ρ
= (5.2)
trong đó −
g
gia tốc trọng lực, −
ρ
mật độ nước.
Các sóng của một hệ bão có đặc điểm rất đa
dạng. Bên cạnh nhữnh sóng rất nhỏ có những sóng lớn (hình 5.1). Sự đa dạng của
các yếu tố sóng trong những giai đoạn phát triể
thống kê nhất định. Bằng con đường lý thuyết hoặc thực nghiệm xử lý những băng
ã ph độ đảm bảo các yếu tố sóng. Nhờ
nhữn
sóng ở biển trong gió mạnh và
n sóng tuân theo những quy luật
ghi sóng đnhận được các hàm ân bố hay hàm
g hàm phân bố, có thể xác định trị số của một yếu tố sóng với độ đảm bảo bất
kỳ, nếu biết trị số trung bình của nó.
5.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SÓNG BIỂN VÀ CÁC YẾU TỐ TẠO SÓNG
Do tác động của dòng không khí trên mặt biển lúc đầu phẳng lặng hình thành
dao động của các hạt nước. Trên mặt biển xuất hiện những sóng nhỏ hình dạng đều
61
đặn - gọi là các sóng mao dẫn vì vai trò quyết định đối với hình thành các sóng
này là lực căng bề mặt của nước. Những sóng này không ổn định và sau khi ngừng
c truyền động năng cho
sóng th
ất pháp tuyến của gió
lên s
nh lên, năng lượng của các thành phần phổ tăng tuyến
tính v
ồa
ời gian
đủ dài, thì sóng s
ri
ó
gió chúng tắt nhanh do độ nhớt của nước. Nếu gió tiếp tụ
ì dưới tác động của trọng lực và lực căng bề mặt các sóng phát triển dần và
chuyển thành sóng trọng lực. Năng lượng tổng cộng của sóng liên tục tăng. Hình
thành chuyển động sóng phức tạp. Xuất hiện những sóng với chu kỳ, độ cao, độ dài
và tốc độ truyền rất khác nhau, tức hình thành phổ sóng gió.
Cơ chế truyền năng lượng gió cho sóng được các nhà nghiên cứu quan niệm
rất khác nhau [18]. V. M. Makaveev cho rằng gió truyền năng lượng cho sóng nhờ
ứng suất tiếp tuyến của gió. Iu. M. Krưlov giải thích cơ chế truyền năng lượng
bằng ứng suất pháp tuyến và tiếp tuyến của gió. V. V. Shuleikin bằng thực nghiệm
đã chỉ ra rằng năng lượng truyền cho sóng chủ yếu nhờ áp su
ườn đón gió của sóng.
Theo lý thuyết của Phillips và Miles thì sự phát triển phổ sóng gió diễn ra do
hai cơ chế vật lý ứng với những giai đoạn phát triển sóng. Cơ chế cộng hưởng của
Phillips giải thích sự phát sinh các sóng gió. Nhờ những tính chất rối của gió,
những kích thước của những cuộn xoáy trong gió trùng với độ dài sóng thì xảy ra
sự cộng hưởng làm sóng mạ
ới thời gian cho đến khi sự bất đồng đều của mặt nước dậy sóng tác động trở
lại trường áp suất trong lớp không khí sát mặt nước. Sự tăng trưởng tiếp theo của
sóng, khi bắt đầu có sự phản ứng lại của sóng đối với những thăng giáng áp suất
không khí được giải thích bằng lý thuyết Miles. Theo Miles áp suất không khí tỷ lệ
với năng lượng sóng và sự tăng trưởng sóng diễn ra theo quy luật hàm mũ. Sự
chuyển hoá từ tăng trưởng tuyến tính sang tăng trưởng theo quy luật hàm mũ được
quyết định bởi tương quan giữa vận tốc đối lưu của gió v∗ và tốc độ pha sóng C.
Sự tăng trưởng theo hàm mũ diễn ra cho đến khi những hiệu ứng phi tuyến do sóng
đổ bắt đầu đóng vai trò chủ yếu. Cơ chế Miles tỏ ra hiệu quả nhất với những tần số
sóng cao. Với những tần số sóng trung bình và thấp, tức khi suy giảm tương tác
giữa rối khí quyển và sóng thì lý thuyết Miles khác nhiều so với quan trắc.
Những nhân tố chính quyết định sự phát triển sóng g m: tốc độ gió, thời gi n
hoạt động của gió, đà − độ dài khoảng không gian kể từ điểm tính sóng về phía
ngược chiều gió tác động cho tới nơi gió thay đổi đáng kể về hướng hoặc tới
đường bờ khuất gió, và độ sâu biển nơi tính sóng. Nếu gió cường độ và hướng
không đổi tác động trên khoảng không gian rất lớn trên đại dương trong th
ẽ tăng trưởng cho đến khi đạt trạng thái phát triển hoàn toàn ứng
với tốc độ gió đang xét. Khi đó phổ sóng sẽ bao gồm toàn dải chu kỳ, độ dài và tốc
độ sóng (về lý thuyết từ 0 đến ∞). Độ cao, chu kỳ, độ dài và tốc độ sóng sẽ chỉ
phụ thuộc vào một tham số − tốc độ gió v. Trong trường hợp này tốc độ gió càng
lớn thì thời gian cần để sóng phát triển hoàn toàn càng lớn. Vì vậy với những tốc
độ gió rất lớn, sóng rất ít khi đạt sự phát triển hoàn toàn bởi các gió lớn thường
không kéo dài.
Nếu sóng chưa đạt sự phát t ển hoàn toàn thì ngoài tốc độ gió, sự tăng trưởng
sẽ phụ thuộc vào thời gian tác động của gi và đà, và xảy ra ba tình huống chính:
62
1. Gió cường độ và hướng không đổi tác động trên khoảng không gian lớn,
nhưng thời gian hoạt động nhỏ. Sự phát triển của sóng bị hạn chế bởi thời gian
hoạt động của gió.
5.3. T
triển sóng với các yếu
tố tạ
2. Gió cường độ và hướng không đổi hoạt động trong khoảng thời gian đủ dài,
nhưng đà nhỏ, thì sự phát triển của sóng bị hạn chế bởi đà.
3. Nếu cả thời gian tác động của gió và đà đều có hạn, thì sự phát triển của
sóng phụ thuộc vào yếu tố nào hạn chế sự tăng trưởng của sóng nhiều hơn.
ÍNH CÁC YẾU TỐ SÓNG GIÓ BIỂN SÂU VÀ VÙNG NƯỚC NÔNG
Phương trình cân bằng năng lượng sóng liên hệ sự phát
o sóng có dạng
Dv EMEU
xt
E−=+ )(
∂
∂ ∂
∂
(5.3)
trong đó −
năng lượng sóng trên một đơn vị diện tích mặt biển có sóng, tốc
độ v
tản mát, i gian,
−U
ận chuyển năng lượng sóng, −
v
M năng lượng sóng nhận được từ gió, −
D
E
năng lượng mất do −t thờ−
x
đà. Phương trình cân bằ
lượng sóng dưới dạng như trên gọi là phương trình Maka
Kết quả giải phương trình cân bằng năng lượng sóng dẫn tới những biểu thức
ữa
dự
lượng sóng dẫn đến
nhữn
(5.4)
và bi
ng năng
veev.
liên hệ gi các tham số sóng với các yếu tố tạo sóng như tốc độ gió, đà và thời
gian hoạt động của gió. Từ đó xây ng thành phương pháp tính và dự báo sóng
trong thực hành.
Một trong những kết quả giải phương trình cân bằng năng
g biểu thức liên hệ các tham số sóng và các yếu tố tạo sóng thuộc về V. V.
Shuleikin. Ông nhận được biểu thức tăng độ cao sóng theo thời gian tác động của
gió đối với sóng phát triển
τ
η
−
−= e1 ,
ểu thức liên hệ giữa độ cao sóng và đà đối với sóng ổn định
2
1
2
12arcth2
ηηξ
−= , (5.5)
trong đó −
η
độ cao sóng không thứ nguyên bằng
∞
h, −
h
τ
tham số thời gian không
thứ nguyên bằng
∞
T
t, −
ξ
tham số khoảng cách không thứ nguyên
∞
vT
x
bằng . Những
tham số ứ nguyên này liên hệ với những giá
sóng và các đặc trưng sóng theo những biểu thức sau:
không th trị cụ thể của các yếu tố tạo
.,, 21
∞∞∞ hvT
x
T
t
−
∞
h độ cao tới hạn của sóng ứng với tốc độ gió đã cho, −
∞
T chu kỳ tới hạn của
=== h
kk
ηξτ
(5.6)
Trong các công thức trên đã dùng các ký hiệu: độ cao sóng tính bằng mét,
−h
63
sóng ứng với tốc độ gió đã cho, −v tốc độ gió tính bằng m/s, thời gian tác
động của gió tính bằng giờ, −
−t
x
đà sóng tính bằng km, nhữ ệ số.
Các độ cao và chu kỳ t ạn c a sóng tính th
ợc xây
dựng t
Để tính các yếu tốương pháp S
, thời gian tác động của gi đ
− , kk
eo các cô
ng thứ
21
ng thức:
ng h
ới h
sóng theo ph
ó t,
ủ
∞
à sóng
2
0205,0 vh =
∞ (5.7)
vT 526,0=. (5.8)
Trong thực hành tính các yếu tố sóng những cô c trên đây đư
hành các toán đồ (các hình 5.2−5.5).
huleikin cần cho trước tốc độ gió
v
x
và độ sâu biển tại điểm tính sóng
H
.
Tính sóng đối với biểc hiện th
hình
n sâu thựeo trình tự sau [12,18]: Nhờ toán đồ
5.2 xác định ∞
h và ∞
T ứng với tốc độ gió v đã cho. Sau đó xác định thời gian
không thứ nguyên
∞
T
t và đà không thứ nguyên
∞
vT
ủa
x. Th ữ trị nhận được
c
eo nh ng giá
∞
T
t và
∞
vT
định). Sóng phát triển là sóng gió với những tham số sóng tăng theo thời gian, còn
sóng ổn định là sóng gió với các tham số sóng không biến đổi trong khoảng thời
gian đang xét. Nếu m
x nhờ toán đồ hình 5.3 xá định trạng thái sóng (phát triển hay ổcn
ểđi
tx , nằm thấp hơng cong trên toán đồ hình 5.3
thì só đang phát triển, khi đó theo giá trị
∞
đườ
ng
∞TvT n
∞
T
t xác định
η
trên toán đồ hình 5.4a,
còn nếu điểm nằm cao hơn đường cong trên toán đồ hình 5.3 thì sóng ổn định và
theo giá trị
∞
vT
x xác định
η
trê
đại l
n
sóng: độ cao són the ượ
t
ng
oán đồ hình 5.4b. Cuối cùng tính các đặc trưng
g ho
η
nhận ỳước sóng được, còn chu k sóng và b
tìm theo toán đồ hình 5.5.
Tính các đặc trưng sóng trên vùng nước nông tương tự như trình tự trên, tuy
nhiên trong trường hợp này khi tìm
η
trên các toán đồ hình 5.4 phải căn cứ vào chỉ
tiêu nước nông
gH
v
K=, (5.9)
với −v tốc độ gió (m/s), −g gia tốc trọng lực (m/s2), −
H
độ sâu biển tại điểm
tính sóng (m).
Trong thực hành cũng s ụ ột phương pháp khá đặc trưng sóng
gió dựa theo những công t hự nghiệm c
nghiên cứu thiết kế công trình bi n Liên bang (L ng công thức
ử d
hức t
ng m
c
ể
c tính
iên bang Nga). Nh
các
ữ
ủa Viện hải dương quốc gia và Viện
này có dạng:
64