Trường Đại học Thuỷ lợi Hà nội
SÓNG GIÓ
Vũ Thanh Ca
Tháng 4 năm 2005
Lời giới thiệu
Giáo trình này được viết chung cho sinh viên năm thứ ba của khoa kỹ thuật bờ biển
Trường đại học Thuỷ lợi. Giáo trình này cũng có thể được dùng để giảng dạy cho các
chương trình sau đại học của các ngành liên quan. Ngoài ra, nó còn có thể được dùng làm
sách tham khảo trong việc nghiên cứu sóng gió phục vụ cho việc khai thác và bảo vệ
nguồn lợi biển. Giáo trình này được viết với tài trợ của Chính phủ Hà lan trong khuôn
khổ dự án HWRU/CE. Tác giả xin chân thành cảm ơn GS J. A. Battjes về những ý kiến
đề xuất cải tiến nội dung cho giáo trình. Lời cảm ơn cũng xin được gửi đến nhiều người
khác như GS-TS Lê Minh Truyền, Hiệu trưởng Trường Đại học Thuỷ lợi, PGS-TS Vũ
Minh Cát, GS K. d’Angremond, TS Van de Graaf, Ông C. Pilarczyc, TS J. Van Dijk, cô
Van der Vast và nhiều đồng nghiệp khác tại Trường Đại học Thuỷ lợi Hà nội về sự giúp
đỡ nhiệt tình của họ trong thời gian tác giả viết và chỉnh lý giáo trình.
MỤC LỤC
Trang
1 LỜI GIỚI THIỆU 1
1.1 Mục đích và nội dung của bài giảng 1
1.2 Sóng đại dương 1
1.3 Các định nghĩa cơ bản 3
1.4 Sóng ngắn và sóng dài 5
2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA CƠ HỌC CHẤT LỎNG 7
2.1 Các phương pháp mô tả dòng chảy của chất lỏng 7
2.2 Đạo hàm thời gian 7
2.3 Phương trình thể tích kiểm tra 7
2.4 Định luật bảo toàn vật chất và phương trình liên tục 10
2.5 Định luật bảo toàn động lượng và phương trình chuyển động 10
2.5.1 Phương trình chuyển động của Cauchy 11
2.5.2 Chuyển dịch, quay và vận tốc biến dạng 13
2.5.3 Mối liên hệ giữa vận tốc biến dạng và ứng suất – Phương trình
Navier-Stokes
17
2.5.4 Chất lỏng lý tưởng 18
3 LÝ THUYẾT TUYẾN TÍNH VỀ SÓNG BỀ MẶT TRONG VÙNG NƯỚC CÓ
ĐỘ SÂU KHÔNG ĐỔI 21
3.1 Các phương trình cơ bản và điều kiện biên 21
3.1.1 Các giả thiết trong lý thuyết sóng tuyến tính 21
3.1.2 Điều kiện không nén được – Phương trình liên tục 22
3.1.3 Các phương trình động lượng 22
3.2 Lời giải giải tích của bài toán sóng trọng lực bề mặt 24
3.3 Mối liên hệ phân tán của chuyển động sóng 29
3.4 Chuyển động của hạt nước và áp suất 30
3.5 Vận tốc nhóm và năng lượng sóng 34
3.6 Năng lượng của sóng phức hợp 38
4 NHỮNG LÝ THUYẾT SÓNG PHI TUYẾN CHO VÙNG NƯỚC CÓ ĐỘ SÂU
KHÔNG ĐỔI 41
4.1 Giới thiệu chung 41
4.2 Lý thuyết Stokes 41
4.2.1 Mặt cắt bề mặt nước 42
4.2.2 Vận tốc và quỹ đạo hạt nước 45
4.2.3 Mối liên hệ phân tán và vận tốc pha 46
4.2.4 Hàm lượng năng lượng và sự vận chuyển năng lượng 46
4.3 Lý thuyết Cnoidal 46
4.3.1 Mặt cắt bề mặt nước 48
4.3.2 Vận tốc và quỹ đạo hạt nước 48
4.3.3 Vận tốc pha 49
4.3.4 Hàm lượng năng lượng và sự vận chuyển năng lượng 49
4.4 Các lý thuyết số trị 49
4.5 Giới hạn áp dụng của các lý thuyết khác nhau 50
i
5 CÁC ĐẶC TRƯNG DO SÓNG GIÓ TẠO TA 52
5.1 Cơ chế tạo sóng do gió 52
5.1.1 Profile vận tốc gió và ứng suất gió trên mặt biển khơi 52
5.1.2 Các lý thuyết và cơ chế tạo sóng gió 53
5.1.3 Sóng gió và sóng lừng 57
5.2 Mô tả sóng gió 61
6 CÁC ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CỦA SÓNG GIÓ 66
6.1 Các phương pháp thống kê dùng mô tả sóng ngẫu nhiên 66
6.1.1 Sóng mặt đại dương như là một hàm thống kê 66
6.1.2 Các định nghĩa và khái niệm cơ bản của phân tích chuỗi thời gian 69
6.1.3 Các cơ sở của việc mô tả phổ sóng đại dương 75
6.2 Mô tả sóng gió bằng phổ 76
6.2.1 Phổ năng lượng của sóng gió 76
6.2.2 Chiều rộng của phổ và dạng phổ 81
6.2.3 Các phổ tần số điển hình 86
6.2.4 Các hàm phổ hướng 93
6.3 Mô hình pha ngẫu nhiên 98
6.4 Xác định các đặc trưng phổ của sóng đại dương từ các ghi chép sóng
ngoài hiện trường 110
7 CÁC QUÁ TRÌNH SÓNG VEN BỜ 110
7.1 Suy giảm sóng do ma sát đáy 110
7.2 Hiệu ứng nước nông 111
7.3 Khúc xạ sóng 117
7.3.1 Sự khúc xạ của sóng thường có đỉnh dài 117
7.3.2 Sự khúc xạ của sóng ngẫu nhiên 120
7.3.3 Tính sự khúc xạ của sóng ngẫu nhiên bằng phương trình thông
lượng năng lượng 122
7.3.4 Sự khúc xạ cúa sóng ngẫu nhiên tại vùng biển có các đường đẳng
sâu thẳng song song 124
7.4 Sự phản xạ sóng 126
7.4.1 Phân tích lý thuyết sự phản xạ sóng điều hoà 126
7.4.2 Sự phản xạ sóng ngẫu nhiên từ các công trình ven bờ 128
7.5 Sự nhiễu xạ sóng 132
7.5.1 Quá trình nhiễu xạ của sóng điều hoà 132
7.5.2 Nguyên lý Huygen 136
7.5.3 Đường xoắn ốc Cornu 136
7.5.4 Sự nhiễu xạ của sóng ngẫu nhiên 146
7.5.5 ứng dụng của giản đồ nhiễu xạ sóng điều hoà 153
7.6 Sóng có độ cao lớn nhất 153
7.7 Sóng vỡ 155
7.7.1 Sự vỡ của sóng điều hoà 155
7.7.2 Sự vỡ của sóng ngẫu nhiên 162
8 NƯỚC DÂNG VÀ DÒNG VEN DO SÓNG TẠO RA 173
8.1 Giới thiệu 173
8.2 Ứng suất bức xạ: trường hợp 1 chiều 173
8.3 Nước dâng do sóng: trường hợp 1 chiều 175
8.4 Ứng suất bức xạ: trường hợp hai chiều 180
ii
8.5 Dòng ven do sóng tạo ra 182
8.6 Nước dâng sóng gây ra do sóng vỡ 186
8.7 Dòng ven do sóng ngẫu nhiên gây ra trên một bãi phẳng 188
9 LỰC SÓNG LÊN CÁC CÔNG TRÌNH 191
9.1 Giới thiệu chung 191
9.2 Các thông số và chế độ dòng chảy 192
9.3 Lực sóng lên một bức tường 196
9.4 Lực sóng lên một công trình có thể tích lớn 199
9.5 Lực sóng lên một công trình nhỏ gọn 199
9.5.1 Giới thiệu chung 202
9.5.2 Lực của chất lỏng tác dụng lên các vật thể trong một dòng chảy đều
và ổn định 202
9.5.3 Lực của chất lỏng tác dụng lên các vật thể trong một dòng chảy đều
và không ổn định 205
9.5.4 Lực của chất lỏng tác dụng lên các vật thể nhỏ gọn khi có sóng 210
9.6 Tổng kết về các chế độ dòng chảy 212
9.7 Thí dụ 214
10 ĐO ĐẠC VÀ DỰ BÁO SÓNG ĐẠI DƯƠNG 217
10.1 Các kỹ thuật đo đạc sóng đại dương 217
10.1.1 Các kỹ thuật đo đạc tại chỗ 218
10.1.2 Các kỹ thuật viễn thám 221
10. Các phương pháp dự báo sóng cho FAS 224
10.2.1 Các đặc trưng thống kê của sóng ngoài hiện trường 225
10.2.2 Dự báo sóng cho FAS 228
10.3 Các phổ trung bình của sóng gió 235
10.4 Các phương pháp đơn giản để dự báo cho một vùng có độ sâu giới hạn 237
10.5 Sóng trong khu vực dự báo 242
10.6 Sóng trong khu vực phân tán 245
10.7 Các mô hình số trị để dự báo sóng 249
10.7.1 Các mô hình phân giải pha 250
10.7.2 Các mô hình tính pha trung bình cho vùng nước sâu 254
10.7.3 Các mô hình tính pha trung bình cho vùng nước nông 261
11 CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÓ TRONG VÙNG BIỂN VIỆT NAM 265
11.1 Chế độ gió vùng biển nước ta 265
11.1.1 Những nhận xét chung 265
11.1.2 Vùng khí hậu biển miền Bắc và Bắc Trung bộ 266
11.1.3 Vùng khí hậu biển miền Trung và Nam Trung bộ 269
11.1.4 Vùng khí hậu biển miền đồng bằng miền Nam 270
11.1 Chế độ sóng vùng biển nước ta 272
11.2.1 Sóng tại Miền Bắc và Bắc Trung bộ 272
11.2.2 Các đặc trưng sóng gió ngoài khơi và duyên hải miền Trung 273
11.2.3 Các đặc trưng sóng gió ngoài khơi và duyên hải miền Nam 274
Tài liệu tham khảo 275
iii