HÌNH THÁI BỜ BIỂN - CHƯƠNG 5

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:35

Thêm vào BST

Báo xấu

129
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

DIỄN BIẾN BỜ BIỂN 5.1 HÌNH DẠNG MẶT CẮT NGANG BỜ BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG GIỚI THIỆU Nghiên cứu diễn biến bờ biển luôn xem xét tới động lực của sóng và dòng chảy trên bãi biển, sự tương tác của các yếu tố động lực này đối với sự vận chuyển bùn cát ở ven bờ và ảnh hưởng của chúng tới sự thay đổi hình dạng mặt cắt ngang bãi biển. Ứng với những điều kiện nhất định của sóng, mực nước và dòng chảy, sẽ tồn tại một hình dạng tương ứng...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: HÌNH THÁI BỜ BIỂN - CHƯƠNG 5

CH ƯƠ NG 5 DIỄN BIẾN BỜ BIỂN 5.1 HÌNH DẠNG MẶT CẮT NGANG BỜ BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG GIỚI THIỆU Nghiên cứu diễn biến bờ biển luôn xem xét tới động lực của sóng và dòng chảy trên bãi biển, sự tương tác của các yếu tố động lực này đối với sự vận chuyển bùn cát ở ven bờ và ảnh hưởng của chúng tới sự thay đổi hình dạng mặt cắt ngang bãi biển. Ứng với những điều kiện nhất định của sóng, mực nước và dòng chảy, sẽ tồn tại một hình dạng tương ứng của mặt cắt ngang bãi biển, mặt cắt này được gọi là "mặt cắt ngang ở trạng thái cân bằng". Trong nghiên cứu hình thái bờ biển, khái niệm mặt cắt ngang bãi biển "cân bằng" là một công cụ có giá trị, trong phân tích diễn biến bờ biển, vận chuyển bùn cát ngang bờ . Trong phòng thí nghiệm, khi chiều cao và chu kỳ sóng được khống chế thì hình dạng mặt cắt ngang của bãi biển có thể đạt tới trạng thái cân bằng "tĩnh", khi các điều kiện biên được duy trì; ngược lại, trong điều kiện tự nhiên, khi các điều kiện biên như sóng, mực nước, dòng chảy,.. liên tục thay đổi thì hình dạng mặt cắt ngang bãi biển cũng sẽ thay đổi một cách tương ứng, và rất ít khi đạt tới trạng thái cân bằng, hoặc nếu có thì trạng thái này cũng chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, cách tốt nhất để hiểu được quá trình diễn biến bờ biển và sự thành tạo mặt cắt ngang bãi biển cân bằng là xem xét các tác động của sóng, thủy triều và dòng chảy đối với mặt cắt ngang bãi biển. Các tác động này có liên hệ chặt chẽ với hiện tượng vận chuyển bùn cát theo phương ngang, vuông góc với đường bờ và "phản ứng" của bờ biển với các tác động trên.Có thể nói rằng, những hiểu biết đầy đủ về quá trình diễn biến bờ biển phụ thuộc rất nhiều vào các kết quả nghiên cứu quá trình vận chuyển bùn cát theo phương ngang, một trong những lĩnh vực còn nhiều mới mẻ trong nghiên cứu hình thái bờ biển và hết sức phức tạp, và nó còn phụ thuộc vào khả năng mô hình hóa, mô phỏng các hiện tượng diễn ra trên bãi biển sát với những gì diễn ra trong tự nhiên. Chương 5 sẽ giới thiệu một số khái niệm cơ bản về hình dạng mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng, xem xét mối liên hệ giữa mặt cắt ngang cân bằng với quá trình vận chuyển bùn cát ngang bờ, đánh giá ảnh hưởng của sự biến đổi mực nước trong thời đoạn ngắn (như hiện tượng nước dâng) và trong thời đoạn dài (hiện tượng dâng cao mực nước biển) đối với diễn biến bờ biển và hình dạng mặt cắt ngang bãi biển. Một số mô hình mô phỏng diễn biến bờ biển và các nghiên cứu thực nghiệm về vận chuyển bùn cát theo phương ngang cũng sẽ được xem xét nhằm làm sáng tỏ các quá trình vật lý có liên 129
quan trong sự phát triển của hình dạng bờ biển. Cũng cần lưu ý rằng, vì đây là một vấn đề phức tạp và trong khuôn khổ của môn học, các nghiên cứu diễn biến bờ biển chỉ được xem xét trong không gian hai chiều, với giả thiết mặt cắt ngang bãi biển có hình dạng đơn giản và vận chuyển bùn cát theo phương ngang là nguyên nhân chính gây ra diễn biến bờ biển. Như đã đề cập tới ở trên, hình dạng mặt cắt ngang bãi biển là một tham số quan trọng trong trong nghiên cứu diễn biến bờ biển vì nó có liên quan chặt chẽ tới hiện tượng sóng đổ và quá trình tiêu tán năng lượng sóng trong vùng sóng vỡ. Hình dạng mặt cắt ngang bãi biển vừa chịu ảnh hưởng của hiện tượng sóng đổ và tiêu tán năng lượng sóng làm thay đổi độ dốc, xắp xếp lại bùn cát thành những doi cát cồn ngầm trên bề mặt bãi biển. Nhưng nó cũng có tác động trở lại đối với sự tiêu tán năng lượng sóng và vị trí xuất hiện sóng đổ. Có thể minh họa sự tương tác trên qua phân tích dưới đây. Giả sử bãi biển chịu tác dụng của sóng có năng lượng sóng lớn (xuất hiện trong bão), gây phá hoại đường bờ. Lúc này bờ biển sẽ phản ứng lại bằng cách giảm độ dốc của mặt cắt ngang, làm dịch chuyển vùng sóng vỡ ra phía ngoài khơi, và qua đó phân phối lại năng lượng sóng bị tiêu tán trên một vùng rộng hơn, năng lượng sóng vì vậy sẽ bị tiêu tán nhiều hơn trước khi chúng tiến tới bờ. Tác động của sóng trong bão đã làm thay đổi hình dạng mặt cắt, hay nói cách khác, bãi biển đã tự điều chỉnh lại hình dạng của nó để cân bằng lại năng lượng sóng tác động tới bờ. Hiện tượng thay đổi độ dốc bãi biển dưới tác động của sóng hình thành trong bão vừa nêu ở trên cần phải được phân biệt rõ với hiện tượng xói lở bờ biển, vì hai hiện tượng này có bản chất hoàn toàn khác nhau. Hiện tượng xói lở bờ biển sẽ dẫn tới sự thiếu hụt các vật liệu bùn cát ở bãi trước trong thời đoạn dài, và gây nên hiện tượng suy thoái đường bờ biển. Còn hiện tượng thay đổi độ dốc bãi biển tương ứng với năng lượng sóng lại tạo thành vùng đệm ở phía trước bờ biển, nhằm bảo vệ các đường bờ trước tác dụng của sóng và do đó mà nó sẽ ngăn ngừa và giảm bớt tác dụng xói lở do sóng lớn gây ra. ĐẶC TRƯNG VÀ TƯƠNG QUAN HÌNH DẠNG BÃI BIỂN Hình (5-1) minh họa các thành phần thường có trên mặt cắt ngang bãi biển, nó bao gồm mặt dốc bãi biển, thềm bãi (có thể có hoặc không), và chân bãi. Trên thềm bãi có thể có một hoặc nhiều dải cát ngầm nằm xen kẽ với các cồn ngầm. Các cồn ngầm, dải cát ngầm này ít nhiều có liên quan tới dao động theo mùa của sóng và dòng chảy. Một số nơi, chúng xuất hiện và tồn tại gần như lâu dài. Trong chương này sẽ giới thiệu một số tham số có ảnh hưởng tới hình thái của mặt cắt ngang bãi biển, như đường kính trung bình của bùn cát trên bãi biển, độ dốc mặt bãi, phân tích tương quan giữa hình dạng bãi biển với các tham số trên. Mặc dù hình dạng mặt cắt ngang bãi biển có thể rất phức tạp khi có mặt các dải cát, cồn ngầm trên thềm bãi, nhưng nhìn chung, chúng đều có cùng 130
một đặc điểm. Đó là dốc ở đoạn sát bờ, sau đó độ dốc giảm dần khi độ sâu nước tăng theo hướng từ trong bờ ra phía ngoài khơi. Đặc điểm hình dạng này chính là cơ sở cho việc xây dựng các biểu thức toán học mô tả hình dạng chung của mặt cắt ngang bãi biển. Các biểu thức toán học mô tả hình dạng mặt cắt ngang bãi biển này sau đó được dùng để phân tích sự thay đổi động năng sóng trong quá trình xuất hiện hiệu ứng nước nông, được sử dụng trong khảo sát sự hình thành dòng chảy ven bờ và vận chuyển bùn cát dọc và đặc biết là được dùng để mô hình hóa sự diễn biến hình thái bãi biển và sự biến đổi của đường bờ. Biểu thức toán học mô tả hình dạng bãi biển được sử dụng phổ biến nhất trong các nghiên cứu diễn biến bờ biển từ trước tới nay là biểu thức do Bruun và Dean xây d ựng (còn gọi là mặt cắt ngang dạng Bruun/Dean), có dạng như sau: 2 h = Ax Hình 5-1 Ví dụ về các hình dạng mặt cắt (5.1) 3 ngang bãi biển tại nhiều vị trí bờ biển trong đó h là độ sâu nước tại điểm khác nhau và từ phòng thí nghiệm cách bờ theo phương ngang một khoảng là x, và A là hệ số kinh nghiệm thứ nguyên của hình dạng mặt cắt (thứ nguyên = L1/3). Có thể thấy tương quan giữa độ sâu (h) và khoảng cách (x) của mặt cắt ngang trong công thức (5-1) có dạng hàm mũ và khá phù hợp với hình dạng của mặt ngang bãi biển trong thực tế, có thể thấy điều này khi so sánh đường tương quan của Bruun với mặt cắt ngang thực đo ở hình (5-2). 131
Hình 5-2 Ví dụ về hình dạng mặt cắt của Bruun và Dean x2/3 trong công thức (5.1), so sánh với hình dạng mặt cắt ngang thực đo . Biểu thức ban đầu của Bruun chỉ giới hạn cho phần mặt cắt ngang từ vùng sóng vỡ ra phía biển. Dean đã phát triển ứng dụng cho toàn bộ mặt cắt ngang bãi biển và rút ra rằng, chỉ số mũ n=2/3 là khá phù hợp cho 504 mặt cắt ngang bãi biển dọc bờ biển tây nước Mỹ và bờ biển vùng vịnh do Hayden et al. (1975) đo đạc và chỉnh lý. Chỉ số mũ (n=2/3) trong công thức (5.1) khẳng định hình dạng phổ biến của mặt cắt ngang bãi biển có dạng hàm mũ và chiều lõm của đường tương quan có hướng đi vào phía trong bờ. Mặc dù n=2/3 là giá trị chỉ số mũ phù hợp nhất (qua phân tích và lựa chọn n bằng phương pháp sai số bình phương tối thiếu của hơn 500 mặt cắt ngang thực đo trong tự nhiên), nhưng cũng cần lưu ý rằng, hệ số mũ trong tương quan hàm mũ nêu trên có dải giá trị khá rộng, chúng dao động trong khoảng t ừ 0,2 đến 1,2. Một cơ sở khác được dùng để lựa chọn chỉ số mũ n =2/3 là sử dụng phân bố thống kê của Gauss. Các thống kê về tương quan giữa độ sâu (h) và khoảng cách (x) của các mặt cắt ngang đo đạc trong tự nhiên đều có xu thế nằm trong phân bố thống kê với khoảng lệch là 2/3. Giá trị này cũng tương ứng với sự tiêu tán đồng đều năng lượng sóng trên một đơn bị thể tích sóng khi chúng di chuyển qua mặt cắt ngang bãi biển. Trong nghiên cứu về hình dạng các mặt cắt ngang bãi biển trên các đảo ở vùng Caribbean, Boon và Green (1988) đã phát hiện ra một giá trị trung bình của chỉ số mũ xấp xỉ bằng ½ và đi đến kết luận rằng, giá trị này là kết quả của đặc tính phản xạ tự nhiên của các mặt ngang ở vùng này so với mức độ phản xạ sóng của các mặt cắt ngang có hình dạng cong lõm ở bờ biển miền Tây nước Mỹ nh ư trong phân tích của Dean (1977) . Nghiên cứu của Boon và Green đã làm củng cố thêm các nhận định ban đầu của Dean cho rằng, khi độ cong lõm của mặt cắt ngang bãi biển biến đổi từ phản xạ - trung gian - tới tiêu tán năng lượng sóng, thì chỉ số mũ n trong biểu thức (5.1) sẽ phải thay đổi chứ không còn có giá trị bằng 2/3 nữa. 132
Hình 5-3 Sự phụ thuộc của hệ số tỷ lệ A trong công thức (5.1) của Bruun/Dean với đường kính trung bình hay tốc độ chìm đều của hạt bùn cát trên bãi biển Theo Moore(1982) và Dean (1987), hệ số kinh nghiệm A trong công thức (5.1) có tương quan với đường kính trung bình của hạt bùn cát trên bãi biển, và độ thô thủy lực- hay là tốc độ lắng chìm tương ứng của hạt bùn cát. Có thể thấy từ hình (5-3) rằng, khi giá trị của A là hàm số của đường kính hạt cát hay độ thô thủy lực của hạt cát. Kết quả của xu thế này phản ánh vai trò chi phối của A đối với độ dốc trung bình bãi biển và tương quan với đường kính hạt.Đồng thời như đã đề cập ở chương 3, chúng ta đã biết độ dốc của bãi biển có tương quan chặt chẽ với đường kính trung bình của hạt cát có trên mặt bãi. Độ dốc bãi biển cũng phụ thuộc vào trạng thái sóng, độ dốc sóng và chiều cao sóng (hay năng lượng sóng), điều này cũng có nghĩa là hệ số A cũng sẽ phụ thuộc vào những yếu tố trên. Pruszak (1993), trên cơ sở các số liệu đo đạc mặt cắt ngang bãi biển trong thời đoạn dài tại hai bờ biển có vị trí khác nhau, đã chứng minh rằng, hệ số A có sự biến thiên trong thời đoạn dài. Sử dụng chuỗi số liệu thực đo hình dạng mặt cắt ngang bãi biển trong 27 năm tại một vị trí trên bờ biển Baltic, Pruszak đã phát hiện thấy rằng, A biến đổi trong phạm vi từ 0.05 to 0.10 (m1/3) trong một chu kỳ đều đặn có độ dài khoảng từ 25-30 năm. Tại vị trí thứ hai trên biển Đen, các hình dạng mặt cắt trung bình tháng được thu thập từ năm 1972 đến 1978, các số liệu đo đạc đã cho thấy giá trị của A biên thiên theo một một chu kỳ hàng năm một cách rõ rệt do có sự biến đổi của các trạng thái sóng theo mùa, đồng thời các số liệu này cũng đã bộc lộ một xu thế dài hạn trong đó giá trị trung bình của A tăng từ 0.15 đến 0.25 (m1/3) trong thời đoạn 6 năm. Sự biến đổi của A một lần nữa cho thấy rằng giá trị này phụ thuộc vào trạng thái sóng cũng như vào đường kính của hạt bùn cát hay độ thô thủy lực của bùn cát và các thông số này có thể có xu thế biến đổi trong thời đoạn dài do sự biến đổi hình thái bãi biển. 133
Hình 5-4 Mặt cắt ngang hỗn hợp của Inman. Trong đó hình dạng mặt cắt ngang của Bruun/Dean (h= Axn) đ ượ c b ố trí sao cho trùng kh ớp vớ i từ ng đo ạ n bãi bi ển trên toàn bộ mặ t cắ t ngang, đồ ng th ờ i mô tả đ ượ c sự c ó m ặ t củ a các d ả i cát và c ồn ngầ m ở th ềm bãi. Biểu thức quan hệ hình dạng mặt cắt ngang bãi biển của Bruun/Dean là công cụ đơn giản nhưng lại rất có giá trị khi mô tả tương quan giữa độ sâu (h) với thay đổi độ dốc đáy theo khoảng cách ra ngoài khơi. Tuy vậy, nó lại không thể dùng để giải thích được sự có mặt của các dải cát hay cồn ngầm xuất hiện ở thềm bãi. Để khắc phục hạn chế này, Inman, Elwany, và Jenkins (1993) đã xây dựng một dạng mặt cắt ngang hỗn hợp, như minh họa trong hình (5-4), trong đó hình dạng mặt cắt ngang của Bruun/Dean (h = Axm) được lấy trùng khớp với từng đoạn bãi biển trên toàn bộ mặt cắt ngang. Trong mặt cắt ngang của Inman, chỉ số mũ m được dùng để điều chỉnh sự phù hợp giữa mặt cắt lý thuyết với mặt cắt thực tế. Inman và các cộng sự đã xác định được rằng với m=0,4 thì cả hai đoạn bờ biển trên mặt cắt ngang khảo sát phù hợp với mặt cắt đo đạc nhất. Đồng thời Inman cũng dịch chuyển điểm gốc của đường tương quan hình dạng mặt cắt ngang ở sát bờ, được biểu thị bằng dấu “+” trong hình (5-4), lên vị trí phía trên cao trình bãi, để tránh cho độ dốc tại đoạn này không có giá trị vô cùng lớn. Đoạn bờ biển ở gần bờ được gọi là đoạn "thềm của cồn ngầm”, còn đoạn bờ biển ở phía ngoài khơi được gọi là đoạn "bãi biển nâng”. Việc phân chia mặt cắt ngang của Inman được thực hiện trên cơ sở là trong tự nhiên, quá trình diễn biến bờ biển ở hai phần bờ biển này là khác nhau. Cụ thể là hiệu ứng nước nông xảy ra ở đoạn "bãi biển nâng" và còn hiện tượng sóng đổ và vỗ bờ lại chủ yếu diễn ra ở đoạn "thềm của cồn ngầm" ở gần bờ. Việc sử dụng hình dạng mặt cắt ngang phức hợp gồm nhiều đoạn bờ biển thành phần như đề xuất của Inman phần nào đã giải thích được sự xuất hiện và tồn tại của dải cát hay cồn ngầm ở vùng thềm bãi, và đặc biệt là sự có mặt của cồn ngầm ở rìa ngoài của thềm bãi trong vùng sóng vỗ. Tuy nhiên cách tiếp cận theo phương pháp đường cong thích hợp cho từng đoạn bờ biển vẫn không thể giải thích được sự có mặt của các rãnh sâu dọc bờ. 134
Một hạn chế khác trong tương quan hình dạng mặt cắt ngang của Bruun/Dean là độ dốc bãi biển ở điểm sát bờ sẽ có giá trị S = +∞. Nếu lấy đạo hàm tương quan ở biểu thức (5.1) theo khoảng cách (x), ta sẽ được độ dốc bãi biển S có dạng như sau: dh 2 A S= = (5.2) dx 3x 13 Từ công thức (5.2) có thể thấy rằng độ dốc S = +∞ khi x=0 tại điểm ở trên bờ. Điều này cũng đúng cho tất cả các mô hình hình dạng đường bờ có sử dụng công thức (5.1) với điều kiện là hệ số mũ trong biểu thức trên là nhỏ hơn 1 (điều này đồng nghĩa với bờ biển có đỉnh cong hướng về phía bờ). Như vậy, có thể thấy rằng mô hình hình dạng mặt cắt ngang đơn giản của Bruun/Dean rất phù hợp với mặt cắt ngang ở vùng nước sâu, như Bruun (1954) đã tính toán, càng vào gần bờ, khi xuất hiện các dải cát và cồn ngầm thì mức độ phù hợp của hình dạng mặt cắt ngang sẽ giảm dần và nó hoàn toàn không phù hợp đối với đoạn mặt cắt ngang ở sát b ờ. TƯƠNG QUAN GIỮA ĐỘ DỐC BÃI BIỂN VỚI ĐƯỜNG KÍNH HẠT CÁT Độ dốc bề mặt bãi biển bị khống chế bởi sự tính không đối xứng giữa của cường độ của sóng vỗ vào bờ với sóng rút từ trong bờ ra ngoài khơi và từ đó dẫn tới sự không cân xứng của lượng vận chuyển bùn cát theo phương ngang. Do nước biển một phần bị thấm vào bên trong bãi cát và do tác dụng của lực kéo do ma sát tại vùng sóng vỗ bờ mà các sóng rút thường có khuynh hướng nhỏ hơn so với sóng vỗ vào bờ. Sự không đối xứng này làm dịch chuyển bùn cát theo phương ngang cho đến khi một độ dốc cân bằng mới được hình thành, lúc này trọng lực làm nước rút ra biển mạnh hơn và làm gia tăng sự vận chuyển bùn cát ra vùng ngoài khơi. Khi lượng bùn cát vận chuyển ra ngoài khơi cân bằng với lượng bùn cát vận chuyển vào trong bờ, thì độ dốc trên bề mặt bãi có giá trị không đổi và đây là trạng thái "cân bằng động lực" của bãi biển theo phương ngang. Độ dốc của bề mặt bãi biển ở trạng thái cân bằng động lực phụ thuộc một phần vào lượng nước biển bị thất thoát do hiện tượng thấm vào bên trong bãi biển. Hiện tượng thấm chủ yếu bị khống chế bởi kích thước của hạt bùn cát trên bãi biển - nước sẽ thấm với tốc độ nhanh hơn rất nhiều trên bờ biển có cấu tạo là bùn cát thô so với bờ biển có cấu tạo là bùn cát mịn. Kết quả là ở bãi biển có cấu tạo bùn cát thô, dòng rút sẽ yếu hơn và do đó mà độ dốc mặt bãi sẽ lớn hơn nhiều so với bãi biển có cấu tạo là bùn cát mịn. Một loạt các nghiên cứu ngoài thực địa đã chứng tỏ về mặt định lượng rằng, bãi biển có cấu tạo từ các hạt thô sẽ có độ dốc mặt bãi lớn hơn (Bascom, 1951; Wiegel, 1964; McLean và Kirk, 1969; Dubois,1972), và điều này cũng đã được thấy rõ tại các bể sóng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm (Bagnold, 1940; Rector, 1954; Van Hijum, 1974). Hình (5-5) mô tả quan hệ giữa độ dốc với kích thước hạt tại một “điểm tham chiếu”, phần của bề mặt bãi biển chịu tác dụng của sóng tại vị trí triều trung bình. Việc sử dụng 135
Hình 5-5 Biểu diễn độ dốc mặt bãi biển là hàm của kích thước hạt bình quân của bùn cát trên bãi biển. Nó cũng chỉ ra sự khác biệt về độ dốc giữa bờ biển ở phía Tây và bờ biển ở phía đông nước Mỹ , điều này phản ánh mức độ quan trọng nói chung của năng lượng sóng, một yếu tố chi phối độ dốc bãi biển Tốc độ thấm trên mặt bãi cũng chịu ảnh hưởng của mức độ tuyển chọn vật liệu bùn cát trên mặt bãi cũng như kích thước hạt trung bình. Sự tuyển chọn vật liệu do đó cũng sẽ có ảnh hưởng nhất định tới độ dốc bãi. Điều này đã được chứng minh qua các nghiên cứu của Krumbein and Graybill (1965). Các nghiên cứu của hai ông đã phát hiện ra rằng bãi biển có thành phần là các hạt cát thô có mức độ đồng đều và tuyển chọn cao thì độ dốc bãi biển sẽ lớn hơn so với các bãi biển có thành phần là các hạt cát thô nhưng không đồng đều. Tầm quan trọng của mức độ tuyển chọn sau đó đã được McLean and Kirk (1969) khảo sát thêm trên các bãi biển có cấu tạo là hỗn hợp cát cuội sỏi tại New Zealand. Đường quan hệ do hai ông xây dựng đã được so sánh với đường cong của Shepard (1963) ở hình (5-6). Do mức độ tuyển chọn đồng đều của hạt bùn cát rất kém, nên bờ biển New Zealand có độ dốc nhỏ hơn so với bờ biển được đo đạc bởi Shepard, ngay cả khi chúng có cùng kích thước hạt trung bình. Cũng cần lưu ý rằng, đường quan hệ của McLean và Kirk có dạng gợn sóng. Đó là do nguồn gốc tự nhiên của bùn cát trên 136
bờ biển New Zealand, nguồn gốc bùn cát trong tự nhiên cấu tạo nên bãi biển bao gồm các hạt cuội có kích thước từ 4-16mm hay cát có đường kính trung bình khoảng 0.5 mm hoặc là hỗn hợp của hai vật liệu này. Ở dạng thứ nhất, khi bãi biển có cấu tạo chỉ là cuội sỏi hay chỉ là cát riêng lẻ, thì mức độ đồng đều của vật liệu trên mặt bãi sẽ tốt hơn và dẫn tới bờ biển sẽ dốc hơn, nhưng ở dạng thứ 2, khi các vật liệu lẫn lộn với nhau, thì sự đồng đều và mức độ tuyển chọn vật liệu sẽ kém đi, tốc độ thấm và cả độ dốc bãi biển cũng sẽ giảm theo tương ứng. Vì vậy, đường cong của McLean và Kirk ở hình 5-6 sẽ có hướng đi lên ( tương ứng với độ dốc lớn hơn) đối với dạng bãi biển thứ 1 có cấu tạo là cát có đường kính 0.5 mm và cấu tạo là cuội sỏi đơn lẻ, nhưng lại có hướng đi xuống (độ dốc giảm) đối với dạng bờ biển thứ 2 đối các hạt có kích thước trung gian Hình 5-6 Độ dốc mặt bãi biến thiên theo kích thước hạt theo Shepard (1963) và McLean &Kirk (1969). Đường gợn sóng tự nhiên trên đường cong McLean & Kirk đã chứng tỏ mức độ quan trọng của bùn cát được tuyển chọn trên bãi biển. TƯƠNG QUAN GIỮA ĐỘ DỐC BÃI BIỂN VỚI NĂNG LƯỢNG SÓNG Một số nghiên cứu đã xây dựng tương quan kinh nghiệm giữa độ dốc bãi biển với độ dốc sóng, điều này cũng có nghĩa là xác định sự phụ thuộc của độ dốc bãi biển đối với chu kỳ sóng cũng như chiều cao sóng hay năng lượng sóng. Trong các nghiên cứu thực nghiệm trên một máng sóng có bùn cát với đường kính hạt bằng 0.22 mm, Rector (1954) đã phát hiện ra rằng, độ dốc của bãi trên (foreshore), phần bên trên mực nước biển trung bình, phụ thuộc vào độ dốc sóng ở vùng nước sâu theo quan hệ sau −0.30 ⎛H ⎞ S0 = 0.30 ⎜ 0 ⎟ (5.3) ⎝ L0 ⎠ Điều này chỉ ra rằng, độ dốc sóng càng lớn thì độ dốc bãi biển càng nhỏ. Sự biến đổi này phản ánh sự biến thiên hình dạng bãi biển theo mùa, giữa điều kiện thời tiết bình thường và khi xảy ra bão (với độ dốc sóng thay đổi rất nhiều so với điều kiện bình thường). Sự phụ thuộc của độ dốc bãi biển vào độ dốc sóng có liên quan tới sự phân tán 137
tăng dần của chuỗi điểm khi độ dốc bãi biển giảm dần ở hình (5-5). Điều này được chứng minh bằng cặp điểm đo đạc tại Fort Ord và Landing Barge. Dải độ dốc tại hai vị trí này phản ánh sự biến thiên của độ dốc sóng giữa các tháng mùa hè khi sóng lặng với các tháng mùa đông khi có sóng bão, trong đó bãi biển có độ dốc nhỏ hơn tương ứng với các tháng mùa đông, khi độ dốc sóng lớn hơn. Mặc dù, tương quan giữa độ dốc bãi biển với độ dốc sóng phần nào đã giải thích được sự biến thiên của độ dốc bãi biển đã được quan trắc, nhưng đây chưa phải là lời giải hoàn chỉnh. Độ dốc sóng có thể là như nhau đối với các sóng tự nhiên ngoài đại dương hay các sóng nhân tạo được tạo ra trong phòng thí nghiệm hay sóng tại các hồ, đầm có kích thước nhỏ, tuy nhiên độ dốc bãi biển nhân tạo trong phòng thí nghiệm có giá trị lớn hơn so với độ dốc của bãi biển ngoài tự nhiên, mặc dù chắn chắn rằng năng lượng sóng tạo ra trong phòng thí nghiệm nhỏ hơn nhiều với năng lượng sóng ngoài tự nhiên. Như vậy có thể kết luận rằng bên cạnh ảnh hưởng của độ dốc sóng, thì độ dốc bãi biển cũng còn phụ thuộc vào chiều cao sóng thực tế hay chính là năng lượng sóng. Đã có rất nhiều nghiên cứu có liên quan tới vấn đề này, chứng minh độ dốc bãi biển có tương quan tới hệ số không thứ nguyên phụ thuộc chặt chẽ vào chiều cao và chu kỳ sóng cũng như kích thước hạt cát trên bãi biển. Ví dụ như Dalrymple and Thompson (1976) đã sử dụng hệ số không thứ nguyên có liên quan tới độ thô thủy lực (hay còn gọi là số Dean), H0/ωsT, trong đó ωs là độ thô thủy lực của hạt cát trung bình trên bãi biển. Từ các vấn đề do Dean đặt ra, tỷ số này được dùng là cơ sở để đánh giá xem hạt bùn cát được nâng lên và nổi lơ lửng do tác dụng của sóng có thể chìm xuống đáy trong thời gian, khi bản thân nó bị dịch chuyển theo hướng ra ngoài khơi, dưới tác dụng của dòng chảy theo phương ngang của quỹ đạo của chất điểm nước. Trong hình (5-7), Dalrymple và Thompson đã tập hợp số liệu từ một số nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, và chỉ ra sự suy giảm chung của độ dốc bãi khi độ thô thủy lực không thức nguyên (H0/ωsT) tăng. Thành phần (H0/T) trong số Dean gần như tương đương với "độ dốc sóng" ở vùng nước sâu, do vậy mà xu thế phát hiện thấy trên hình (5-6) là phù hợp với công thức (5.3). Sự phụ thuộc vào số Dean tạo ra sự tương quan nghịch với ωs; khi kích thước hạt bùn cát tăng, độ thô thủy lực ωs tăng thì giá trị của số Dean giảm và dẫn tới độ dốc bãi tăng (hình 5-6). Điều này tất nhiên phụ thuộc vào các quan trắc trên một loạt các khảo sát ngoài thực địa và trong phòng thí nghiệm, nhưng nó vẫn còn được thiết lập hoặc thông qua độ thô thủy lực của hạt cát (tốc độ chìm của hạt cát trong 1 đơn vị thời gian là 1 giây), là yếu tố quan trọng chi phối độ dốc bãi, hoặc nó đóng vai trò như một đại lượng đại diện cho độ thấm nước và mức độ ghồ ghề của hạt cát trên bề mặt bãi biển. 138
Hình 5-7 Tập hợp các số liệu trong phòng thí nghiệm mô tả tương quan giữa độ dốc bãi với H0/ωsT, trong đó ωs là độ thô thủy lực của bùn cát. Các đo đạc của Dubois (1972) về độ dốc trên bãi biển có thành phần hạt được làm giàu bằng các khoáng vật nặng, phản ánh xu thế tăng lên của độ dốc bãi khi kích thước hạt tăng lên, điều hoàn toàn trái ngược với những phát hiện trước đó. Ông cho rằng, nếu như vậy thì độ dốc bãi chủ yếu bị khống chế bởi mức độ thấm nước trên bãi biển, chứ không phải là kích thước của đường kính hạt. Tương quan mạnh nhất được Dubois tìm thấy là tương quan giữa độ dốc bãi với phần trăm của khoáng vật nặng có trong bùn cát trên bãi biển. Điều này đã dẫn đến một giả thiết là có sự tương quan trực tiếp với độ thô thủy lực như Dean (1973) đã đề xuất, nếu tỷ trọng của khoáng vật nặng lớn hơn sẽ dẫn tới tốc độ chìm của các hạt này lớn lên (hay độ thô thủy lực lớn hơn) và độ dốc bãi biển do vậy sẽ lớn hơn , đúng như tương quan tại các bãi biển được Dubois nghiên cứu. Tuy nhiên, từ các nghiên cứu tương tự của McLean & Kirk (1969) trên các bãi biển New Zealand, với mức độ đồng đều của bùn cát trên bãi biển có ảnh hưởng tới độ thấm nước trên bãi biển và do vậy mà nó có ảnh hưởng tới độ dốc, thì kích thước hạt và các ảnh hưởng trực tiếp của nó tới độ thấm nước sẽ là các thông số quan trọng liên quan tới độ dốc bãi biển. Nghiên cứu của Kemp và Plinston (1968),về tương quan giữa độ dốc bãi với tỷ số (Hb/D1/2T) và Sunamura (1984) cũng sử dụng cùng một dạng tỷ số, biểu diễn dưới dạng không thứ nguyên (Hb/g1/2D1/2T). Từ một số lượng lớn các số liệu trong phòng thí nghiệm và thực đo, Sunamura đã thiết lập tương quan kinh nghiệm cho độ dốc bãi biển. Trong đó các số liệu thu thập từ phòng thí nghiệm có tương quan kinh nghiệm với độ dốc bãi biển theo công thức sau: 139
0.013 S0 = + 0.15 (5.4) ) ( 2 1 1 Hb / g D 2T 2 đây là tương quan của độ dốc So đối với phần bãi biển ở gần bờ. Tương quan xây dựng từ các số liệu thực đo có sự phân tán cao nhưng vẫn có thể được mô tả bằng công thức 0.12 S0 = (5.5) ) ( 1 1 1 2 Hb / g D 2T 2 Theo những tương quan kinh nghiệm trên, có thể thấy độ dốc trung bình của bãi biển trong phòng thí nghiệm có giá trị lớn hơn so với độ dốc trung bình của bãi biển tự nhiên với cùng một giá trị của (Hb/g1/2D1/2T). Lý do dẫn tới sự khác biệt trên vẫn chưa hoàn toàn sáng tỏ, nhưng nhìn chung, đó có thể là do sự vắng mặt của thành phần năng lượng do lực hút trọng trường tạo ra tại các bãi biển nhân tạo trong phòng thí nghiệm, sự có mặt của thành phần năng lượng này trên bãi biển tự nhiên sẽ có tác động làm giảm độ dốc bãi như đã đề cập ở trên. Sử dụng biểu thức L0 = (g/2π)T2 và tương quan của Komar & Gaughan (1972) cho chiều cao sóng vỡ là hàm của tham số sóng vùng nước sâu [Hb =0.39g1/5(TH02)2/5], công thức (5.5) có thể được biến đổi dưới dạng tích của tỷ số (D/H0) và (H0/L0) như sau −0.15 0.25 ⎛D⎞ ⎛ H0 ⎞ S0 = 0.25 ⎜ (5.6) ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ H0 ⎠ ⎝ L0 ⎠ Như vậy, độ dốc So sẽ tỷ lệ nghịch với độ dốc sóng ở vùng nước sâu(H0/L0), điều này giống với kết quả mà Rector (1954) đã phát hiện thấy trong công thức (5.3). Độ dốc S0 cũng còn phụ thuộc vào vào đường kính của hạt bùn cát (D) và chiều cao sóng (H0). Công thức (5.6) đã được dùng để tạo ra một loạt các được cong trong hình (5-8). Hình 5-8 Độ dốc bãi biển là hàm của D/H0 và độ dốc sóng H0/L0 theo phương trình (6.6) các sử đổi từ công thức (6.5), do Sunamura (1984) thu được từ số liệu thực Formatted: Font: 13 pt đo 140
Nhìn chung, sự phụ thuộc của độ dốc bãi vào kích thước hạt và điều kiện sóng là rất rõ ràng, và điều này hoàn toàn phù hợp với xu thế phản ánh qua các số liệu đo đạc độ dốc bãi biển trong tự nhiên và các số liệu đo đạc trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các tương quan nêu trên vẫn còn những điểm chưa hoàn toàn phù hợp với các số liệu đo đạc, mặc dù các nghiên cứu đã lựa chọn và xây dựng được các hệ số không thứ nguyên được xem như là thích hợp nhất khi dự báo hoặc giải thích các quá trình vật lý quan trọng có vai trò chi phối độ dốc bãi biển. Ở đây cũng có sự tương ứng giữa các dạng khác nhau của các hệ số không thứ nguyên được sử dụng trong các nghiên cứu khác nhau. Điều được thấy trong công thức (5.5), trên cơ sở các phân tích của Sunamura (1984) với biểu thức (Hb/g1/2D1/2T), tương đương các thành phần trong công thức (5.6) phụ thuộc vào tỷ số (D/H) và độ dốc sóng (H0/L0). Tỷ số (Hb/g1/2D1/2T) cũng có mối quan hệ gần với số Dean (H0/ωs T), trong đó độ thô thủy lực ωs ~ (g×D)1/2 đối với kích thước và độ thô của hạt cát. Việc lựa chọn các hệ số như đã đề cập tới ở trên cần bao hàm các quá trình vật lý chủ yếu có vai trò khống chế độ dốc bãi biển. Nếu độ dốc bãi biển chủ yếu được thiết lập bởi sự vận chuyển bùn cát lơ lửng theo phương ngang, như được hình dung trong mô hình do Dean (1973) tìm ra, thì một hệ số có chứa thành phần (ωs) sẽ là lựa chọn thích hợp nhất. Mặt khác, nếu mức độ thấm nước trên bề mặt bãi biển lại có vai trò quan trọng hơn, thì đường kính hạt (và dải đường kính hạt) sẽ thông số thích hợp. Nếu cả hai quá trình thấm và vận chuyển bùn cát lơ lửng theo phương ngang đều quan trọng, thì độ dốc bề mặt bãi biển sẽ có thể phụ thuộc vào cả độ thô thủy lực lẫn kích thước trung bình của hạt bùn cát cũng như mức độ tuyển chọn đồng đều của bùn cát, mà yếu tố này lại khống chế một phần tốc độ thấm trên mặt bãi biển. Như vậy để có thể giải quyết được những đề nêu trên trên thì điều quan trọng là phải tập trung vào các quá trình vật lý diễn ra ở bãi biển hơn là chú trọng tới các phân tích kinh nghiệm có sử dụng các hệ số kinh nghiệm không thứ nguyên. 5.2 MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂN Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG GIỚI THIỆU CHUNG Như đã đề cập ở đầu chương 5 về đặc điểm chung của hình dạng mặt cắt ngang bãi biển, chúng ta đều biết tồn tại tương quan giữa độ sâu (h) và khoảng cách (x) tới bờ biển như trong công thức (5.1). Trong nội dung này, sẽ giới thiệu khái niệm hình dạng mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái "cân bằng". Khái niệm này tuy gây nhiều tranh cãi, nhưng bản thân nó là một công cụ mạnh để mô tả các quá trình vật lý có liên quan tới sự phát triển và biến đổi mặt cắt ngang bãi biển, cũng như vận chuyển bùn cát ngang bờ. Hình dạng mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng được xem như là kết quả của sự cân bằng giữa các lực phá hoại và lực thành tạo nên mặt cắt ngang bãi biển. Hay nói một cách khác là nếu xét trên quan điểm vận chuyển bùn cát theo phương vuông góc với 141
đường bờ, thì mặt cắt ngang bãi biển sẽ đạt tới trạng thái cân bằng khi lượng vận chuyển bùn cát "tịnh" theo phương ngang trên bãi biển bằng không. Các lực phá hoại và thành tạo nên bãi biển được xét tới ở đây là các lực đối nghịch nhau có hướng ra phía ngoài khơi và có hướng vào bờ tương ứng với các tác dụng phá hoại hay thành tạo bờ biển do chúng gây ra. Nếu vì một nguyên nhân nào đó mà các lực này thay đổi, dẫn tới sự mất cân bằng về lực thì trước tiên sẽ xảy ra hiện tượng vận chuyển bùn cát ngang bờ theo hướng của lực chiếm ưu thế và tiếp sau đó, mặt cắt ngang bãi biển sẽ được xắp xếp lại để đạt tới trạng thái cân bằng mới. Như vậy, có thể thấy rằng, trong điều kiện tự nhiên, khi các điều kiện biên như sóng, mực nước và dòng chảy, vv liên tục thay đổi theo thời gian, thì các ảnh hưởng do chúng tạo nên đối với bãi biển (thông qua các lực tác động tới bãi biển) cũng sẽ liên tục biến đổi và do vậy bãi biển sẽ rất khó đạt tới trạng thái cân bằng "tĩnh" (trạng thái cân bằng cố định theo thời gian), mà nó chỉ có thể đạt tới trạng thái cân bằng "động" (trạng thái cân bằng tương đối trong một khoảng thời gian xác định) tương ứng với từng thời kỳ trong năm. Trong phòng thí nghiệm, việc tạo nên một mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng "tĩnh" là tương đối dễ dàng khi các điều kiện biên hoàn toàn có thể được khống chế ví dụ như cho các chuỗi sóng đều tác dụng lên bãi biển nhân tạo trong một thời gian đủ dài. Xem xét quá trình hình thành một mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng "động", có thể mô tả quá trình này một cách vắn tắt như sau: mặt cắt ngang ban đầu, sau khi có sự biến đổi của các điều kiện biên, sẽ có sự thay đổi về hình dạng. Trải qua một thời đoạn xác định, một hình dạng mặt cắt “cuối cùng” sẽ được xác lập với sự biến đổi rất nhỏ theo thời gian. Đây là hình dạng mặt cắt ở trạng thái "cân bằng động" được xác lập nên tương ứng với tính chất của bùn cát có trên bãi biển và điều kiện sóng xác định trong thời đoạn xem xét. Trong tự nhiên, có thể coi trạng thái cân bằng này là trạng thái cân bằng về mặt động lực của các lực tác dụng, đối với trường sóng ngẫu nhiên và sự biến thiên liên tục của mực nước trong tự nhiên. Bằng cách lấy trung bình hóa các hình dạng mặt cắt trên trong một thời đoạn xác định, một hình dạng mặt cắt trung bình ở trạng thái cân bằng có thể được xác lập. Khi áp dụng khái niệm hình dạng mặt cắt ngang cân bằng để giải các bài toán có liên quan tới diễn biến bờ biển (bờ biển tiến hoặc bị suy thoái theo thời gian) thì khái niệm về nguyên lý bảo toàn bùn cát trong thể tích "khống chế" trên toàn bộ mặt cắt ngang bãi biển cần được xét tới. Với giải thiết cơ bản là trên bãi biển nghiên cứu không có gradient về vận chuyển bùn cát dọc bờ, các vận chuyển bùn cát theo phương ngang ra phía ngoài khơi hay vào trong bờ chỉ có tác dụng phân phối lại bùn cát trên mặt cắt ngang bãi biển mà không làm mất đi hay tiếp nhận bùn cát thêm vào thể tích khống chế trên mặt cắt ngang xem xét. Hầu hết các ứng dụng sau này khi dự đoán dự biến đổi hình dạng mặt cắt ngang bãi biển đều sử dụng giả thiết trên với tổng lượng bùn cát được bảo toàn trên 142
toàn bộ mặt cắt ngang nghiên cứu, bùn cát xói lở từ bờ biển sẽ tương ứng với lượng bùn cát lắng đọng ở phần ngoài khơi, hay bùn cát bồi tụ trên thềm bãi sẽ tương ứng với bùn cát bị xói lở ở vùng sóng vỗ. Mặc dù, như đã giới thiệu ở trên, các nghiên cứu hình dạng mặt cắt ngang ở trạng thái cân bằng trong không gian hai chiều giả thiết bỏ qua quá trình diễn biến dọc bờ, nhưng những hiểu biết chung về quá trình diễn biến bờ biển theo phương ngang có liên quan tới hình dạng mặt cắt ngang ở trạng thái cân bằng là rất quan trọng trong phân tích và diễn giải các quá trình diễn biến bờ biển trong tự nhiên và trong các ứng dụng có liên quan tới kỹ thuật bờ biển. Trong phần này cũng sẽ đề cập tới các quá trình diễn biến bờ biển trong tự nhiên dưới các ảnh hưởng của sự dâng cao mực nước biển toàn cầu hay hiện tượng xói lở bờ biển sau một trận bão. Hầu hết những nội dung trong phần này được tham khảo và tóm tắt từ các kết quả nghiên cứu của Dean (1991) và từ Sổ tay Kỹ thuật Bờ biển (Coastal Engineering Manual, 2002). CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂN CÂN BẰNG Các nghiên cứu về hình dạng mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng thực sự mới phát triển trong khoảng 10 năm gần đây. Do đây là một vấn đề phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều tác động biến đổi theo cả thời đoạn ngắn và dài nên các kết quả nghiên cứu còn nhiều hạn chế. Một măt khác là các đo đạc diễn biến mặt cắt ngang bãi biển tự nhiên và đo đạc sóng, dòng chảy, vận chuyển bùn cát trong khu vực này hết sức phức tạp nên độ tin cậy của các số liệu đo đạc còn thấp. Ít nhất có ba hướng chính trong nghiên cứu hình dạng mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng, bao gồm: Phương pháp tiếp cận theo quan điểm động học. Phương pháp này xem xét sự chuyển động của một hạt cắt đơn lẻ (ở trạng thái lơ lửng hay di đáy) chịu ảnh hưởng các lực tác dụng lên bãi biển và xem xét quá trình thành tạo mặt cắt ngang bãi biển, với giả thiết rằng không có sự dịch chuyển bùn cát tịnh trên toàn bộ mặt cắt (Eagleson, Glenne, và Dracup 1963). Mặc dù, đây là một hướng nghiên cứu rất có triển vọng vì nó có thể xem xét được một cách thấu đáo và hoàn chỉnh quá trình vận chuyển bùn cát, nhưng hướng tiếp cận này vẫn còn ở quá xa so với những kiến thức và hiểu biết hiện tại về quá trình bờ biển. Vì ở đây hướng nghiên cứu xem xét trên một đơn vị vật chất rất nhỏ có mặt trên bãi biển là một hạt cát nên sẽ có vô vàn những biến và quá trình ảnh hưởng tới hạt cát này trong quá trình thành tạo mặt cắt, điều mà cho tới này chưa ai đề cập tới! Phương pháp tiếp cận theo quan điểm động lực Phương pháp này xây dựng trên cơ sở thừa nhận rằng, hình dạng mặt cắt ngang bãi biển sẽ đạt tới trạng thái cân bằng "động lực" khi các lực phá hoại và các lực thành tạo 143
mặt cắt ngang bãi biển ở đáy là cân bằng nhau. Mặc dù, cách tiếp cận này chưa phản ánh một cách đầy đủ và thấu đáo quá trình diến biến bờ biển như phương pháp động học, nhưng ở một chừng mực nào đó, chắc chắn rằng nó sẽ khả thi hơn và có thể áp dụng được cho các vấn đề về kỹ thuật bờ biển trong thực tế. Phương pháp tiếp cận kinh nghiệm Phương pháp tiếp cận này hoàn toàn là mô tả và tái tạo hình dạng mặt cắt ngang dưới dạng biểu thức toán học sao cho phù hợp nhất với một hình dạng mặt cắt ngang đặc trưng nhất có trong tự nhiên. Phương pháp này sẽ đưa ra các tương quan giữa đặc trưng hình dạng của mặt cắt ngang với các thông số kinh nghiệm như có liên quan tới kích thước bùn cát, các đặc trưng sóng hoặc với cả hai. Các kết quả nghiên cứu theo phương pháp kinh nghiệm đã được nêu ở phần đầu của chương này. Dưới đây sẽ chủ yếu tập trung xem xét phương pháp tiếp cận động lực vì hiện tại, đây là phương pháp phù hợp với khả năng và hiểu biết hiện tại của chúng ta về diễn biến bờ biển, mặt khác đây cũng là phương pháp cho kết quả tốt nhất khi ứng dụng nó để giải thích cho các quá trình diễn biến bờ biển quan trọng. Cuối cùng, đây cũng là công cụ để giải quyết một số bài toán thực tế trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển (ví dụ như tính toán lượng bùn cát nuôi bãi, xác định vị trí nuôi bãi, đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng dâng cao mực nước biển hay tác động của bão đối với hình dạng bãi biển...) CÁC LỰC TÁC DỤNG Ở VÙNG VEN BỜ Như đã giới thiệu trong phương pháp tiếp cận theo quan điểm "động học", mặt cắt ngang bãi biển sẽ đạt tới trạng thái "cân bằng" khi các lực pháp hoại và các lực thành tạo tác dụng lên bãi biển cân bằng nhau. Nếu hai loại lực đối nghịch trên bị thay đổi do sự thay đổi các đặc trưng sóng hoặc các đặc trưng mực nước, thì sẽ xảy ra sự mất cân bằng, lực lớn hơn sẽ chiếm vai trò chủ đạo cho đến khi sự phát triển của mặt cắt ngang bãi biển làm cho các lực này trở lại trạng thái cân bằng. Có rất nhiều lực phá hoại và lực thành tạo ảnh hưởng tới hình dạng mặt cắt ngang bãi biển. Hiện tại, chưa thể xác định được một cách đầy đủ cũng như chưa thể xác định được số lượng các lực đơn lẻ này cũng như hiểu biết hoàn toàn về chúng; tuy nhiên có thể xác định được các thành phần lực chính, có tác dụng chi phối quá trình phá hoại và thành tạo bãi biển thông qua các quan sát, nghiên cứu trên bãi biển tự nhiên và nhân tạo, và có thể lượng hóa được vai trò của các thành phần lực này trong quá trình thành tạo cũng như phá hoại mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng. Dưới đây sẽ lần lượt giới thiệu các lực tác dụng ở vùng ven bờ 144
CÁC LỰC GÂY PHÁ HOẠI BÃI BIỂN a) Trọng lực Trong tất cả các lực gây phá hoại bãi biển thì trọng lực là lực phá hoại dễ nhận thấy nhất, nó tác động trên mái dốc bờ biển và thường có hướng từ trong bờ ra phía biển trên mặt cắt có 1 độ dốc duy nhất. Tuy nhiên trong trường hợp hợp mặt cắt ngang có dạng cồn cát ngầm chắn giữ trên thềm bãi thì trọng lực các thể tác dụng theo hướng đi vào trong bờ đối với phần mái trước của cồn cát ngầm. Trọng lực luôn có xu thế làm trơn các điểm bất thường trên mặt cắt ngang và giảm độ dốc của mặt cắt ngang "cân bằng" về phương nằm ngang. Trong một số trường hợp, trọng lực lại có vai trò như lực ổn định, có tác dụng hạn chế sự dịch chuyển bùn cát khỏi đáy, chống lại tác dụng khuyết tán làm bùn cát nổi lơ lửng. b) Lực phản hồi ở đáy Một lực phá hoại khác có liên quan tới cấu trúc theo phương ngang của dòng chảy theo phương vuông góc với đường bờ, đó là lực phản hồi ở đáy (undertow). Lực phản hồi, do dòng chảy hồi quy có hướng ra phía biển tạo thành sau khi sóng vỗ bờ, sẽ tạo nên ứng suất ở đáy có hướng từ bờ ra phía biển . Xét trong trường hợp sóng tuyến tính, lưu lượng trung bình của dòng chảy hồi quy ra biển theo Dean và Dalrymple, 1991 là E Q= ρC trong đó: E là mật độ năng lượng sóng và C là vận tốc sóng. Giả sử dòng chảy hồi quy được phân bố đều trên toàn bộ độ sâu nước, theo lý thuyết sóng tuyến tính ở vùng nước nông, vận tốc trung bình của dòng chảy hồi quy sẽ là gH2 V= 3 8h 2 Lưu ý rằng, công thức này chỉ áp dụng đối với vùng nước nông, và vận tốc trung bình bằng khoảng 2/3 vận tốc lớn nhất của dòng chảy phản hồi. c) Lực phá hoại do tác dụng rối động trong vùng sóng đổ Một lực phá hoại khác nữa, cũng được xem là rất đáng chú ý, là lực do rối động ở mức cao tồn tại trong dải sóng vỡ. Sóng vỡ chuyển hóa năng lượng sóng thành các dao động rối hỗn loạn ở mức cao. Các dao động rối này có tác dụng đánh bật các hạt bùn cát mà trước đó đang ở trạng thái ổn định, ra khỏi đáy, sau đó kết hợp với trọng lực để tác dụng lên các hạt bùn cát này, vận chuyển chúng theo hướng từ trong bờ ra ngoài biển. Hiện tượng rối động này có thể thấy rất rõ đối với người bơi trong vùng sóng vỗ trên các mặt cắt ngang bãi biển có hình dạng khác nhau. Nếu mặt cắt ngang có độ dốc bãi biển nhỏ thì trạng thái rối động sẽ ở mức thấp do quá trình sóng vỡ được phân bố trên toàn bộ chiều rộng của dải sóng vỡ, và trong một số trường hợp, nó không còn có tác dụng rõ rệt khi làm các hạt bùn cát nổi lơ lửng trong 145
nước. Trong vùng sóng vỡ với mặt cắt ngang bãi biển dốc, sóng sẽ tiêu tán các năng lượng của nó trong một phạm vi tương đối hẹp ở vùng sát bờ, và do vậy mà cường độ của các dao động rối tất nhiên sẽ lớn hơn nhiều và cũng sẽ mở rộng xuống sâu hơn vào trong cột nước. Chúng ta có thể phát hiện thấy điều này vì khả năng các bãi biển vẫn giữ trạng thái ổn định dưới các mức độ khác nhau của năng lượng rối, bãi biển có thành phần là các hạt mịn và các hạt thô sẽ tương ứng có độ dốc tương ứng từ nhỏ đến lớn. d) Lực do ứng suất tiếp đáy có hướng ra biển Theo (Longuet-Higgins and Stewart 1964), khi truyền vào bờ, sẽ xuất hiện thành phần mạch động có hướng vào bờ của mô men tuyến tính năng lượng sóng. Khi sóng vỡ, mô men này được truyền vào trong cột nước, tạo thành lực đẩy có hướng vào bờ làm dâng cao mực nước trong vùng sóng vỗ bờ. Chênh lệch mực nước do hiện tượng này gây ra sẽ tỷ lệ với độ dốc cục bộ ở đáy. Mô men này được phân bố theo độ sâu như hình minh họa ở bên. Trong vùng nước nông, theo lý thuyết sóng tuyến tính, 1/3 mô men mạch động sóng hình thành trong vùng từ chân sóng tới đỉnh sóng và trọng tâm của nó nằm tại chính mực nước biển trung bình. 2/3 mô men còn lại hình thành trong vùng từ đáy tới mặt nước biển trung bình, và phân phối đều theo độ sâu, có trọng tâm của mô men nằm ở giữa cột nước. Khi sóng vỡ, nó sẽ tạo ra ứng suất tiếp đáy có hướng ra biển trong vùng sóng đổ, tương đương với mô men mạch động hướng bờ của năng lượng sóng đổ. Độ lớn của ứng suất tiếp đáy sẽ tương ứng với tốc độ tiêu tán năng lượng sóng. Ứng suất tiếp hiệu dụng do tác dụng truyền mô men sẽ cân bằng với ứng suất tiếp đáy và thành phần áp lực sinh do hình thành độ dốc trên mặt nước biển. e) Lực phá hoại do gió sinh ra Thông thường, trong khi xảy ra các trận bão lớn, sẽ xuất hiện gió mạnh thổi từ ngoài biển vào bờ ở vùng lân cận bão. Gió trong bão tạo thành dòng chảy trên mặt có hướng từ biển vào trong bờ và dòng chảy đáy có hướng ngược lại (xem hình bên). Dòng đáy do gió sẽ có tác dụng phá hoại khi gió thổi từ biển vào bờ, trong trường hợp gió thổi 146
theo hướng ngược lại thì nó sẽ sinh ra dòng chảy hướng vào bờ và tạo thành lực thành tạo bãi biển. CÁC LỰC CÓ TÁC DỤNG THÀNH TẠO BÃI BIỂN Các lực các tác dụng thành tạo bãi biển, như đã đề cập ở phần đầu ở nội dung này, thường có xu thế gây ra vận chuyển bùn cát có hướng vào bờ. Dưới đây sẽ đề cập tới các lực thành tạo bãi biển sau a) Lực thành tạo bãi biển do tính bất đối xứng của sóng sinh ra Lực tạo thành bãi biển do ứng suất tiếp đáy có hướng từ biển vào trong bờ, hình thành từ hình dạng phi tuyến (không đối xứng)của sóng nước nông . Cả hình dạng sóng và vận tốc của chất điểm nước ở bên dưới một sóng phi tuyến tuần hoàn đều đối xứng qua đỉnh sóng, nhưng xét trong thời đoạn ngắn hơn 1 chu kỳ sóng thì vận tốc dương bên dưới đỉnh sóng sẽ lớn hơn so với vận tốc âm xuất hiện tại chân sóng. Mặc dù, theo lý thuyết vận tốc trung bình có giá trị bằng không tại đáy (xét vận tốc của các sóng hình sin hay cosin, có tổng giá trị vận tốc trung bình trong một chu kỳ sóng bằng 0), nhưng ứng suất biến dạng trung bình (τb ) có tương quan bậc hai với vận tốc sát đáy Ub theo công thức sau ρf τb = Ub Ub 8 và tạo thành ứng suất tiếp trung bình có hướng từ biển vào bờ. Trong đó f là là hệ số ma sát của Darcy-Weisbach, được lấy bằng hằng số trong một chu kỳ sóng, Ub là vận tốc tức thời (do sóng sinh ra) của chất điểm nước tại đáy. b) Lực thành tạo bãi biển tại lớp biên của đáy Lực thành tạo bãi biển thứ 2 được hình thành ở lớp biên của đáy, gây ra vận tốc trung bình "tịnh" theo hướng truyền sóng từ biển vào bờ. Vận tốc trung bình này được hình thành từ sự tiêu tán năng lượng bên trong lớn biên của đáy và dẫn tới sự chuyển hóa mô men cục bộ. Hiện tượng này, có thể xảy ra cả bên trong vùng sóng vỡ cũng như bên ngoài vùng sóng vỡ, về phía biển. Bagnold (1947) là người đầu tiên phát hiện ra dòng chảy trong lớp biên ở đáy khi quan sát hiện tượng sóng trong phòng thí nghiệm, như ở hình (5-9). Hình 5-9 Mô tả vận tốc "tĩnh" của dòng chảy trung bình tại lớp biên của đáy 147
Longuet-Higgins (1953), qua phân tích sự chuyển hóa mô men cục bộ kết hợp với sự tổn thất năng lượng do ma sát đáy, đã lượng hóa vận tốc "tĩnh" của dòng chảy trung bình có hướng vào bờ tại lớp biên của đáy, đối với chất lỏng lý tưởng tuân theo định luật Newton, bằng công thức sau (Ub không phụ thuộc vào độ nhớt của chất lỏng) 3σkH 2 Ub = 16 sinh 2 kh trong đó σ là tần số góc của sóng, k là số sóng, H là chiều cao sóng và h là độ sâu nước. Trong trường hợp tại vùng nước nông, khi chiều cao sóng tỷ lệ với độ sâu sóng vỡ, Ub có giá trị bằng 1,5 lần độ lớn của dòng phản hồi ở đáy c) Lực thành tạo bãi biển do rối động bên dưới đỉnh sóng Lực thành tạo bãi biển sinh ra do hiện tượng nổi lơ lửng gián đoạn và sự vận chuyển tuyển chọn của các hạt cát do vận tốc đỉnh sóng tạo nên (có hướng vào trong bờ). Khi sóng vỡ, có thể quan sát được sự phát sinh rối động mạnh nhất xảy ra bên dưới đỉnh sóng. Nếu rối động này kết hợp với vận tốc chuyển động của chất điểm nước, đạt tới giá trị đủ mạnh, bùn cát sẽ bị khuấy động lơ lửng trong nước và tham gia vào quá trình đối lưu dưới tác dụng của vận tốc thịnh hành cho đến khi nó bị lắng đọng. Vì vậy, một hạt bùn cát nổi lơ lửng tại vùng đỉnh sóng trước tiên sẽ chịu tác động bởi các vận tốc có hướng vào trong bờ và nếu thời gian chìm của hạt cát này nhỏ hơn ½ chu kỳ sóng thì vận chuyển bùn cát tịnh theo hướng vào trong bờ sẽ xảy ra. Nhưng nếu thời gian chìm của hạt cát lại nằm trong khoảng từ 1/2 đến 1 lần chu kỳ sóng thì lúc này hạt cát sẽ bị dịch chuyển ra phía biển. Dean (1973) đã nhận xét rằng, bùn cát lơ lửng có thể bị dịch chuyển vào bờ (thành tạo bãi biển) hay dịch chuyển ra phía biển (phá hoại bãi biển) tùy thuộc vào vị trí nổi lơ lửng của hạt cát so với đáy và thời gian nó chìm lắng tới đáy so với chu kỳ sóng. Do hiện nay chúng ta đủ khả năng xác định một cách định lượng từng giá trị của lực phá hoại cũng như lực thành tạo nên mặt cắt ngang bãi biển, các bước được trình bày dưới đây sẽ tập trung vào xác định mức độ ảnh hưởng của các lực phá hoại có thể nhận biết được; thông qua việc so sánh với các hình dạng mặt cắt ngang trong thức tế, có thể định lượng được phần nào những ảnh hưởng của các lực nêu trên MÔ HÌNH MẶT CẮT CÂN BẰNG XÂY DỰNG TRÊN QUAN ĐIỂM CÂN BẰNG LỰC Có rất nhiều mô hình đã được xây dựng để mô tả hình dạng mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng. Một số mô hình xây dựng trên cơ sở khảo sát đặc tính hình học của một mặt cắt ngang cân bằng trong tự nhiên, từ đó tìm ra tương quan giữa các tham số hình học, một số mô hình khác lại mô tả tương quan hình dạng với các lực tác dụng 148