Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu động lực học của sóng sau đới sóng đổ tại bãi biển Nha Trang

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn này trình bày những tổng quan cơ bản về các quá trình vật lý của hiện tượng sóng tràn sau quá trình tiêu tán năng lượng do sóng đổ. Luận văn đã thu thập số liệu đo đạc trong vùng sóng tràn bằng thiết bị đo đạc quy mô nhỏ, tần số cao Vectrino ADV tại bãi biển Nha Trang và đưa ra các phân tích đặc trưng của quá trình lan truyền sóng trên bãi biển.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu động lực học của sóng sau đới sóng đổ tại bãi biển Nha Trang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Văn Mỹ NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Trần Văn Mỹ NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60440228 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Kim Cương TS. Jean-Pierre Lefebvre Hà Nội - 2015
LỜI CẢM ƠN Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Kim Cương và TS. Jean-Pierre Lefebvre đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian em thực hiện luận văn. Các thầy đã chỉ dạy cho em những kiến thức quý báu và giúp đỡ em về số liệu và công cụ tính toán. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS. TS. Đinh Văn Ưu và PGS. TS. Nguyễn Trung Việt chủ nhiệm đề tài: “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển Vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” – Chương trình KH&CN nghị định thư cấp Nhà nước đã cung cấp cho em những số liệu và những kiến thức bổ ích. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Khoa học và công nghệ biển nói riêng và trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học nói chung, ban giám đốc và các cán bộ Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn. Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để em có thể bổ sung và hoàn thiện hơn cho các nghiên cứu tiếp theo. Em xin chân thành cảm ơn! i
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i MỤC LỤC .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................v MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN ..2 1.1. Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone) ................................................2 1.1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................2 1.1.2. Các khu vực gần bờ .............................................................................4 1.1.3. Sóng và sóng gây ra sóng tràn ............................................................5 1.1.4. Chu kỳ sóng tràn..................................................................................7 1.1.5. Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn ...................................10 1.2. Tình hình nghiên cứu ...............................................................................11 1.3. Mục tiêu luận văn .....................................................................................13 Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN ...................................................................................................................................14 2.1. Phương pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sát .....................................14 2.1.1. Khảo sát thực địa...............................................................................14 2.1.2. Phương pháp xử lý số liệu Vectrino ..................................................15 2.1.3. Phương pháp đồng bộ số liệu Vectrino và số liệu Video ..................18 2.2. Mô hình Dam-Break ................................................................................22 2.2.1. Lý do chọn mô hình Dam-break ........................................................22 2.2.2. Giới thiệu mô hình Dam-break .........................................................22 2.2.3. Mô hình dòng chảy nước nông ..........................................................24 2.3. Tổng quan khu vực vịnh Nha Trang ........................................................29 ii
2.3.1. Vị trí địa lí .........................................................................................29 2.3.2. Đặc điểm gió .....................................................................................29 2.3.3. Đặc điểm dòng chảy ..........................................................................30 2.3.4. Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước .....................................31 2.3.5. Đặc điểm chế độ sóng .......................................................................31 Chương 3 – KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG ....................34 3.1. Kết quả phân tích trường dòng chảy trong vùng sóng vỡ và sóng tràn ...34 3.2. Phân bố năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn .......................39 3.3. Mối quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi và chiều cao bore sóng tràn ..49 3.4. Mô phỏng vận tốc bore nước bằng mô hình số Dam-break .....................50 KẾT LUẬN ...............................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................57 iii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Khoảng tần số trong vùng sóng tràn [Short, 1999] ...................................7 Bảng 2. 1. Bảng tần suất hướng sóng khu vực nghiên cứu......................................32 Bảng 2. 2. Bảng tần suất độ cao sóng khu vực nghiên cứu.......................................33 Bảng 3. 1. Các trường hợp mô phỏng bore nước bằng mô hình Dam-break………51 iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào bờ. ............................. 2 Hình 1. 2. Đặc điểm chính của một bãi biển (bên trái) và của phần đất bồi ở biển (bên phải) (Masselink & Hughes 2003). ................................................... 3 Hình 1. 3. Phân loại các khu vực sóng gần bờ. ................................................. 4 Hình 1. 4. Đại diện của dao động sóng tần số cao. ........................................... 6 Hình 1. 5. Đại diện của một sóng dài cưỡng bức bởi hai thành phần sóng của nhóm sóng ngắn. ............................................................................................... 6 Hình 1. 6. Sơ đồ mô phỏng chu kỳ sóng tràn trên bãi biển bằng mô hình Xbeach ........................................................................................................................... 8 Hình 1. 7. Đo đạc thực địa của vận tốc dòng chảy ngang bờ (đường nét liền) và độ sâu của nước (đường nét đứt) cho một chu kỳ sóng tràn, đo ở vị trí nửa giữa giới hạn đi lên và đi xuống của nước [Hughes cùng cộng sự, 1997]................ 9 Hình 1. 8. Hình thái bãi biển. .......................................................................... 11 Hình 2. 1. Triển khai đo Vectrino II (Nortek) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và sơ đồ nguyên tắc đo……………………………………………………………...........14 Hình 2. 2. Biểu đồ tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam cao và thấp trong quá trình đo. .16 Hình 2. 3. Lựa chọn một đoạn dữ liệu (đoạn màu đỏ) trong chuỗi dữ liệu. .............16 Hình 2. 4. Độ lớn vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) trung bình trên 1 micro-profile (đồ thị trên cùng), biểu diễn dao động của vận tốc (đồ thị giữa), khoảng cách sensor – đáy (đồ thị phía dưới). ...........................................................17 Hình 2. 5. Năng lượng rối TKE ước tính trong micro-profile. .................................18 Hình 2. 6. Đo đồng bộ máy Vectrino và máy quay Video. .......................................19 Hình 2. 7. SNR (màu đen), dữ liệu được lựa chọn trước (màu xanh) và cực tiểu của SNR (màu đỏ). ..........................................................................................................19 Hình 2. 8. Lựa chọn một đoạn dữ liệu tốt (màu đỏ) trong một chuỗi dữ liệu. ..........20 Hình 2. 9. Đồ thị 1: Vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) của dòng chảy; đồ thị 2: Thành phần ngang của dòng chảy (hướng lên trên bờ); đồ thị 3: độ sâu v
đo được từ các cảm biến (đường màu đỏ tương ứng với vị trí của các cell đo được); đồ thị 4: Năng lượng rối trung bình các cell đo được. ..............................................21 Hình 2. 10. Năng lượng rối (TKE) trong 3,5cm micro-profile. ................................22 Hình 2. 11. Sơ đồ vecto thông lượng qua các bề mặt. ..............................................25 Hình 2. 12. Ngoại suy tuyến tính bên trái và bên phải. .............................................27 Hình 2. 13. Lưới Cartesian. .......................................................................................28 Hình 2. 14. Lưới Non-Cartesian................................................................................29 Hình 2. 15. Hoa gió tại trạm quan trắc khí tượng Nha Trang. ..................................30 Hình 2. 16. Hoa sóng khu vực ngoài khơi vùng biển Khánh Hòa. ...........................32 Hình 3. 1. Hình ảnh trường dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày 29/5/2013…………………………………………………………………………..34 Hình 3. 2. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày 29/5/2013 ..35 Hình 3. 3. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày 29/5/2013 ..36 Hình 3. 4. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày 29/5/2013 ..36 Hình 3. 5. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày 30/5/2013 ..37 Hình 3. 6. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày 30/5/2013 ..38 Hình 3. 7. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày 30/5/2013 ..38 Hình 3. 8. Hai dòng chảy với vận tốc trung bình theo thời gian khác nhau ( u i ) nhưng có thành phần rối tương đương (ui') ..........................................................................40 Hình 3. 9. Phổ năng lượng rối Kolmogorov-Obukhov .............................................40 Hình 3. 10. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày 29/5/2013 .........................................................................................41 Hình 3. 11. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày 29/5/2013 ...................................................................................................................42 Hình 3. 12. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày 29/5/2013 .........................................................................................42 Hình 3. 13. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày 29/5/2013 ...................................................................................................................43 vi
Hình 3. 14. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày 29/5/2013 .........................................................................................43 Hình 3. 15. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày 29/5/2013 ...................................................................................................................44 Hình 3. 16. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày 29/5/2013 .........................................................................................45 Hình 3. 17. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày 29/5/2013 ...................................................................................................................45 Hình 3. 18. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày 30/5/2013 .........................................................................................46 Hình 3. 19. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày 30/5/2013 ...................................................................................................................46 Hình 3. 20. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày 30/5/2013 .........................................................................................47 Hình 3. 21. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày 30/5/2013 ...................................................................................................................47 Hình 3. 22. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày 30/5/2013 .........................................................................................48 Hình 3. 23. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày 30/5/2013 ...................................................................................................................49 Hình 3. 24. Đường quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi với chiều cao bore sóng tràn ...................................................................................................................................50 Hình 3. 25. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy xuất từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 1.....52 Hình 3. 26. So sánh năng lượng rối trung bình tke đo đạc (đường nét đứt) với vận tốc dòng chảy từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 1. .........................................................................................................................53 Hình 3. 27. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy mô hình xuất ra (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 3. 53 vii
Hình 3. 28. So sánh năng lượng rối trung bình tke đo đạc (đường nét đứt) với vận tốc dòng chảy từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 3. .........................................................................................................................54 Hình 3. 29. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy mô hình xuất ra (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 8. 55 Hình 3. 30. So sánh năng lượng rối trung bình tke đo đạc (đường nét đứt) với vận tốc dòng chảy từ mô hình (đường nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trường hợp 8. .........................................................................................................................55 viii
MỞ ĐẦU Việt Nam có bờ biển dài khoảng 3260 km và nằm ở phía tây biển Đông nên chịu ảnh hưởng trực tiếp của các điều kiện khí tượng thủy văn biển Đông. Trường sóng trên biển Đông là một trong các yếu tố động lực biển quan trọng tác động lên tàu thuyền, các công trình và mọi hoạt động trên biển. Khi sóng lan truyền vào vùng ven bờ thì trường sóng vùng ven bờ cũng là nguyên nhân chính gây xói lở bờ biển, biến đổi đáy biển vùng ven bờ tác động đến các công trình bảo vệ bờ, công trình cảng và luồng ra vào cảng. Sóng biển lan truyền về phía bờ sẽ biến dạng, đổ vỡ khi chiều cao sóng đạt tới một giá trị tới hạn so với chiều sâu nước. Sau khi sóng đổ, chuyển động sóng thành chuyển động rối, đặc trưng bởi các xoáy cuộn có kích thước khác nhau. Do chuyển động rối này, năng lượng sóng truyền từ khơi vào sẽ bị tiêu hao trong vùng sóng vỡ. Dưới ảnh hưởng của chuyển động rối do sóng vỡ tạo nên, chuyển động của chất lỏng trong vùng sóng vỡ và sóng tràn vô cùng phức tạp. Việc nghiên cứu và mô phỏng sóng vỡ và sóng tràn trong vùng nước nông là vấn đề cần phải nghiên cứu hiện nay của lĩnh vực nghiên cứu biển nhưng do quy mô diễn ra nhỏ và bao gồm nhiều quá trình tương tác phức tạp nên vẫn chưa được tập trung nghiên cứu. Luận văn này trình bày những tổng quan cơ bản về các quá trình vật lý của hiện tượng sóng tràn sau quá trình tiêu tán năng lượng do sóng đổ. Luận văn đã thu thập số liệu đo đạc trong vùng sóng tràn bằng thiết bị đo đạc quy mô nhỏ, tần số cao Vectrino ADV tại bãi biển Nha Trang và đưa ra các phân tích đặc trưng của quá trình lan truyền sóng trên bãi biển. Các kỹ thuật xử lý số liệu, xử lý ảnh hiện đại đã được ứng dụng để phân tích số liệu. Mô hình số cũng đã được ứng dụng để mô tả số quá trình lan truyền sóng sau khi sóng đổ. Các kết quả mô phỏng của mô hình đã được so sánh với kết quả đo đạc tại bãi biển Nha Trang và đã chỉ ra khả năng ứng dụng của mô hình vỡ đập (dambreak model) cho nghiên cứu hiện tượng lan truyền sóng sau đới sóng đổ. 1
Chương 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN 1.1. Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone) 1.1.1. Giới thiệu chung Vùng sóng tràn (swash zone) là một bộ phận của biển mà khoảng rộng từ giới hạn sóng bắt đầu vỡ cho đến giới hạn cao nhất mà nước biển có thể đi lên. Đây là một khu vực rất biến động và phức tạp, nơi xảy ra các quá trình thủy động lực học và hình thái học khác nhau. Hình 1. 1. Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào bờ. Đới sóng tràn là nơi tiếp giáp trực tiếp giữa đất liền và biển. Đây là dải hẹp và nhiều biến động cũng như rất phức tạp của các quá trình thủy động lực học. Tuy nhiên, sự thay đổi đường bờ, bãi biển chính là kết quả của các quá trình rối, quá trình vận chuyển trầm tích... cũng như các tác động trực tiếp của sóng. Chính sự thay đổi này định hình nên địa mạo của các bãi biển. Do gia tăng sự tương tác giữa chuyển động của các hạt nước và đáy đã tạo ra sự thay đổi đặc điểm của sóng trong quá trình truyền sóng về phía bờ biển. Vùng sóng vỡ và sóng tràn phụ thuộc vào điều kiện của thủy triều và sóng. Khu vực nằm giữa vùng sóng vỡ cho đến giới hạn cao nhất mà nước biển có thể đi lên bao gồm hai vùng: - Vùng sóng vỡ: Từ vị trí sóng bắt đầu đổ khi truyền vào bờ đến vùng được giới hạn bởi mép nước biển (thay đổi theo mực nước thủy triều), thông thường ở độ sâu từ 5 ÷ 10 m. 2
- Vùng sóng tràn: Là vùng sóng tác động lên vùng bờ dưới dạng dao động mực nước, nó nằm giữa mép nước biển (thay đổi theo mực nước thủy triều) với vùng sóng tràn và sóng rút. Hình 1. 2. Đặc điểm chính của một bãi biển (bên trái) và của phần đất bồi ở biển (bên phải) (Masselink & Hughes 2003). Vùng sóng tràn là một phần đặc biệt của bãi biển mà liên tục khô và ướt do hiện tượng dao động mực nước của biển. Theo Short (1999) định nghĩa vùng sóng tràn là một phần của bãi biển nằm giữa giới hạn thấp của pha nước đi xuống và giới hạn trên của pha nước đi lên trên bãi biển. Short (1999) đã mô tả hai đặc điểm bổ sung làm cho hình thái động lực vùng sóng tràn độc đáo so với phần còn lại của bãi biển. Đầu tiên có một thực tế là độ sâu nước trong sóng tràn có thể rất nhỏ, đặc biệt trong pha nước đi xuống, dẫn đến một tình huống dòng chảy phức tạp. Thứ hai, một phần của đáy trong vùng sóng tràn là không bão hòa gây nên sự xâm nhập của nước ở phía dưới đáy, đây là một khía cạnh quan trọng liên quan đến vận chuyển bùn cát. Các nhà khoa học trên thế giới đã chứng minh rằng vùng sóng tràn là khu vực biến động nhất trong khu vực gần bờ, và nó được đặc trưng bởi dòng chảy mạnh và không ổn định, mức biến động cao, vận chuyển bùn cát diễn ra mạnh mẽ gây thay đổi hình thái bãi biển trong một khoảng thời gian nhỏ [Butt & Russell, 1999; Masselink & Puleo, 2006; Bakhtyar et al, 2009]. 3
Trong vùng sóng vỡ và sóng tràn năng lượng sóng tiêu hao mạnh mẽ gây ra bởi hiện tượng phi tuyến (sóng vỡ, sự sụp đổ của bore nước, dòng chảy rối), vì vậy các quá trình vận chuyển trầm tích ven bờ hầu hết đều xảy ra trong hai vùng này và cuối cùng hình thành hình thái bãi biển. 1.1.2. Các khu vực gần bờ Khi sóng tiếp cận bờ biển, sẽ có một vị trí mà tại đó độ sâu của nước đã giảm đến một mức độ làm cho vận tốc truyền sóng (cg) giảm. Trước khi sóng vỡ, thông lượng của năng lượng sóng được bảo toàn trong lan truyền sóng [ví dụ: Holthuijsen, 2007]: P = Ecg = constant (1.1) Trong đó E là năng lượng sóng và cg là vận tốc (nhóm) sóng. Theo định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng sóng tăng thì vận tốc lan truyền sẽ phải giảm. Khi năng lượng sóng tăng thì làm cho chiều cao sóng tăng lên. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng nước nông. Sau khi sóng vỡ thì một khối nước lan truyền như một bore nước qua vùng sóng vỡ. Và một lớp nước mỏng sẽ đi lên (chạy lên) trên bãi biển và đi xuống (chạy xuống) trong một khu vực được gọi là vùng sóng tràn. Một chuỗi pha nước đi lên và pha nước đi xuống được gọi là chu kỳ sóng tràn. Trong hình 1.3 một sự khái quát của khu vực gần bờ được đưa ra. Hình 1. 3. Phân loại các khu vực sóng gần bờ. 4
1.1.3. Sóng và sóng gây ra sóng tràn Sóng có thể bắt nguồn từ gió (sóng gió, sóng lừng, sóng mao dẫn), lực hấp dẫn giữa Mặt trời, Mặt trăng và Trái đất (sóng triều), chấn động biển (sóng thần) hoặc có thể được gây ra bởi sóng khác (sóng tần số thấp). Các chu kỳ sóng có thể khác nhau từ nhỏ hơn 0.1 s của sóng mao dẫn đến hơn 24 giờ của sóng triều. Ba loại sóng đặc biệt quan trọng đối với vùng sóng tràn: sóng triều, sóng tần số cao (sóng ngắn) và sóng tần số thấp (sóng dài). Quy mô thời gian và không gian của thủy triều là lớn hơn nhiều so với quy mô vùng sóng tràn, ảnh hưởng của thủy triều trong vùng sóng tràn có thể được biểu diễn như là một sự thay đổi mực nước, chứ không phải là một dao động của sóng. a, Sóng tần số cao Sóng gió là sóng tạo ra bởi gió và quy mô của các sóng này phụ thuộc vào tốc độ gió, thời gian gió thổi, đà gió (chiều dài mà gió tương tác với mặt biển) và độ sâu của nước. Chu kỳ của chúng thường lớn hơn 0.25 s và nhỏ hơn 30 s, và nó được gọi là sóng trọng lực bề mặt, sóng ngắn hoặc sóng tần số cao. Sóng gió tương đối ngắn, và bao gồm các chuyển động khá ngẫu nhiên và không thường xuyên. Sóng có thể lan truyền với một quãng đường dài, nhưng do quá trình phân tán tần số (nơi mà những sóng được sắp xếp theo tần số sóng của chúng do sự khác biệt trong dao động của sóng), chuỗi sóng sẽ trở nên đều đặn hơn (gọi là sóng lừng). Một tác dụng của tần số phân tán, đó là những sóng có xu hướng di chuyển trong nhóm sóng (hình 1. 4). Trong vùng nước nông, nơi mà sóng biển đang hoàn toàn thay đổi bởi quá trình vỡ, sóng tách nhóm. Trong hình 1. 4 các đường nét liền tượng trưng cho sự chuyển động sóng tần số cao, các đường nét đứt đại diện cho nhóm sóng ngắn hình bao và đây là các hình dạng tổng thể của nhóm sóng lan truyền trong không gian. 5
Hình 1. 4. Đại diện của dao động sóng tần số cao. b, Sóng tần số thấp Bên cạnh đó sóng cao tần chuyển động có thể đạt được một chu kỳ sóng đến năm phút (với tần số 0,003÷0,03 Hz). Những sóng có bước sóng dài hơn, nhưng biên độ thường nhỏ hơn nhiều so với sóng tần số cao, và được liên kết với các nhóm sóng ngắn. Trong văn liệu chúng được gọi là sóng dài, sóng tần số thấp, sóng vỡ nhịp hay sóng trọng lực thấp. Có hai loại sóng tần số thấp: sóng dài và sóng tự do. Hình 1. 5. Đại diện của dao động sóng dài cưỡng bức bởi hai thành phần sóng của nhóm sóng ngắn. 6
Trong hình 1. 5 một dao động sóng dài là sơ đồ đại diện cho hai thành phần sóng của nhóm sóng ngắn. Trong hình 1. 5 các đường nét liền đại diện cho sóng tần số cao, trong khi các đường nét đứt đại diện cho sóng dài. 1.1.4. Chu kỳ sóng tràn Khi sóng lan truyền vào đến bờ tạo ra một chuyển động theo chu kỳ của pha nước đi lên và đi xuống. Hiện tượng đi lên và đi xuống của pha nước do sóng được gọi là chu kỳ sóng tràn. Một chu kỳ sóng tràn bao gồm hai giai đoạn riêng rẽ, mỗi một giai đoạn có đặc trưng riêng [Bakthtyar cùng cộng sự, 2009]. Quá trình đi lên của nước trên bãi biển là quá trình nước chuyển đến dồn lên. Trong khoảng dồn lên của nước trên bãi biển thì vận tốc dòng chảy sẽ giảm đi (vì do ma sát đáy và trọng lực) cho đến khi vận tốc bằng 0. Trong một thời gian ngắn nước di chuyển lên bãi biển đến vị trí cao nhất mà nước biển có thể đi lên và sau đó nước sẽ bắt đầu di chuyển xuống. Sau khi nước di chuyển xuống thì vận tốc dòng chảy tăng thêm lần nữa, nhưng lúc này hướng dòng chảy ra ngoài khơi, cho đến khi gặp chu kỳ sóng tràn tiếp theo. Sự đi xuống của nước trên bãi biển hướng ra biển là chuyển động nước cuộn ngược. Trong hình 1. 6 biểu diễn một chu kỳ sóng tràn trên bãi biển. Chu kỳ sóng tràn nói chung có thể được phân thành ba dải tần số và được thể hiện trong bảng 1. 1. Bảng 1. 1. Khoảng tần số trong vùng sóng tràn [Short, 1999] Tần số (Hz) Chu kỳ (s) Tần số cao 0,07 - 0,2 5 - 15 Tần số trung bình 0,03 - 0,07 15 - 30 Tần số thấp 0,003 - 0,03 30 - 300 7
Hình 1. 6. Sơ đồ mô phỏng chu kỳ sóng tràn trên bãi biển bằng mô hình Xbeach Trên hình 1.6 biểu diễn sự lan truyền của sóng tràn trên bãi biển được trích xuất từ quá trình mô phỏng của mô hình Xbeach. Trong hình (A) một bore sóng lan truyền về phía bãi biển. Trong hình (B) chiều cao bore giảm (sụp đổ) và thay đổi thành một lớp nước mỏng vẫn đi lên bãi biển (dồn lên). Trong hình (C) vận tốc đang giảm do ma sát đáy và (chủ yếu) lực hấp dẫn. Trong hình (D) và (E) các rửa ngược 8
được thực hiện; nước di chuyển từ bãi biển về phía biển. Trong hình (F) sóng tràn gặp các bore tiếp theo do đó sẽ tạo ra một chu kỳ sóng tràn mới. Chu kỳ sóng tràn bất đối xứng Sự khác biệt trong hiện tượng dồn lên và rửa ngược trong một chu kỳ sóng tràn được gọi là sóng tràn bất đối xứng. Trong hình 1. 7 thể hiện một chuỗi thời gian của mực nước và vận tốc đo được trong vùng sóng tràn, nơi mà sóng tràn bất đối xứng có thể được quan sát thấy. Ngược lại với hiện tượng rửa ngược, thì hiện tượng dồn lên diễn ra trong thời gian ngắn và tốc độ mạnh. Ngoài ra mực nước dồn lên sẽ cao hơn mực nước rửa ngược. Khi vận tốc dồn lên lớn và mực nước dồn lên cao sẽ tạo ra lưu lượng trong quá trình dồn lên lớn hơn trong quá trình rửa ngược. Hình 1. 7. Đo đạc thực địa của vận tốc dòng chảy ngang bờ (đường nét liền) và độ sâu của nước (đường nét đứt) cho một chu kỳ sóng tràn, đo ở vị trí nửa giữa giới hạn đi lên và đi xuống của nước [Hughes cùng cộng sự, 1997]. Với trường hợp trên một bãi biển; sẽ có hai khía cạnh được xem xét. Khía cạnh đầu tiên là sự khác biệt trong thời gian dồn lên và rửa ngược; trong hình 1. 7 thời gian dồn lên là ngắn hơn so với thời gian rửa ngược. Khía cạnh thứ hai là dòng chảy ngầm. Nước xâm nhập bãi biển (khô) trong dồn lên và sẽ thoát ra trong rửa ngược, do đó 9
một phần của nước đưa lên bãi cát bởi sự dồn lên là vẫn còn lại trong khoảng rửa ngược. Cả hai quá trình dồn lên và rửa ngược có nhiều quá trình thủy động lực diễn ra mà có ảnh hưởng đến vận chuyển bùn cát trong vùng sóng tràn. 1.1.5. Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn a, Hình thái bãi biển Theo Wrigh & Short [1984] bãi biển có thể được phân thành ba loại hình thái: - Bãi biển phản xạ: Đó là những bãi biển khá dốc mà có vùng sóng vỡ và sóng tràn hẹp. Chuyển động của sóng trên bãi biển phản xạ là hiện tượng lao lên đến sụp đổ của các sóng vỡ hoặc sóng không vỡ và sau đó được phản xạ. Các loại trầm tích tại các bãi biển này là tương đối thô và không có bar chắn sóng vỡ [Short, 1999]. Do sự phân tán năng lượng sóng thấp, các bãi biển phản xạ thường được gọi là bãi biển có năng lượng thấp. - Bãi biển khuếch tán: Đó là những bãi biển tương đối bằng phẳng với một vùng sóng vỡ và sóng tràn rộng và có nhiều bar chắn sóng vỡ hiện diện trong profile ngang bờ [Short, 1999]. Chuyển động của sóng trên bãi biển khuếch tán là hiện tượng sóng vỡ sau đó tràn lên bãi biển và các trầm tích trên bãi biển là tương đối mịn [Short, 1999]. Các chuyển động sóng tràn chính bao gồm bore nước sụp đổ đi lên và đi xuống bãi biển. Do tiêu tán một phần lớn năng lượng sóng nên các bãi biển khuếch tán thường được gọi là bãi biển có năng lượng cao. - Bãi biển trung gian: Những bãi biển có sự kết hợp các đặc điểm của hai hình thái bãi biển phản xạ và khuếch tán, có thể được xem như là bãi biển bán khuếch tán (hoặc bán phản xạ). 10