Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
410
MÔ HÌNH GIẢI TÍCH TÍNH TOÁN NƯỚC DỀNH
TẠI KHU VỰC CỬA SÔNG
Nguyn Xuân Tính1, Hitoshi Tanaka2
1Đại hc Thy li
2Đại hc Tohoku, Sendai City, Japan
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Các thông tin về mực nước cao thiết kế,
bao gồm c chiều cao nước dềnh do ng,
tại khu vực cửa ng vào rất quan trọng
trong việc phỏng thay đổi hình thái cửa
ng, giao thông vận tải trên biển, và thiết
kế các công trình chỉnh trị sông. ớc dềnh
tại cửa sông là mực ớc dâng cao hơn so
với mực nước tĩnh (SWL) do sóng vgây ra
thường xảy ra trong các điều kiện cực tr
như bão. Trong nghiên cứu này các dữ liệu
đo đạc từ c cửa sông Nhật Bản đã được
thu thập và phân tích (Tinh et al. 2009).
Hình 1 và hình 2 thhiện vị trí của các cửa
ng chảy về phía biển Thái Bình Dương
chảy vbiển Nhật Bản. Quá trình dâng mực
nước tại khu vực cửa sông trong các n
bão thể được y ra bởi chênh lệch
trường áp suất, tốc độ gió và lưu lượng dòng
chảy ng. Do vậy, đloại bc hiệu ứng
này trong nghiên cứu nước dềnh thì người ta
thường tiến hành đo đạc đồng bộ quá trình
thay đổi mực nước tại cửa ng và mực
nước triều khu vực lân cận có khoảng cách
đủ ngắn đ trường áp suất kng thay đổi
nhiều. c kết quả pn tích thực nghiệm
này sau đó dùng để hiệu chỉnh kiểm định
hình giải tích tính toán ớc dềnh tại
khu vực cửa ng. Kết quả của hình giải
tích này rất hữu dụng cho các n quản
cũng n các ksư trong việc thiết kế c
công trình tại khu vực cửa ng ng như
cho việc nghiên cứu phỏng biến đổi hình
thái cửa sông đưc đầy đủ hơn.
Onahama
Port
Hình 1: Vị trí các cửa sông chảy ra biển
Thái Bình Dương
Hình 2: Vị trí các cửa sông chảy ra biển
Nhật Bản
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tác giả sử dụng các phương pháp nghiên
cứu sau: Phương pháp phân tích thống kê;
phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu
đã có sau đó phát triển mô hình giải tích mới;
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
411
phương pháp khảo sát, điều tra đo đạc
thực địa vùng nghiên cứu.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
nhiều công trình đã nghiên cứu để tính
toán hiện tượng nước dềnh nước h do
sóng vỡ gây ra nhưng chủ yếu tập trung
vùng bãi biển, nghiên cứu nước dềnh tại khu
vực cửa sông tương đối ít do khó khăn về
mặt đo đạc số liệu và tương tác giữa sóng với
dòng chảy sông. Lý thuyết cơ bản đã được đề
xuất bởi Longuet-Higgins Stewart (1963)
cho thấy các thành phần ứng suất bức do
sóng đóng một vai trò trong việc gây ra nước
dềnh hay nước rút trên một bãi biển dốc.
Bowen et al. (1968) đã tiến hành đo đạc chi
tiết nước dềnh nước rút trong phòng thí
nghiệm kết quả một lần nữa khẳng định
tính đúng đắn của lý thuyết đưa ra bởi
Longuet-Higgins Stewart. Phương trình
động lực chính cho nước dềnh và nước rút
trên một bờ biển dốc theo hướng x dạng
đơn giản hóa như sau;
bw
xx
dx
dS
hgdx
d
)(1
(1)
đây,
biến thiên của mực nước trung
nh mực ớc tĩnh i c đng ca sóng,
xx
S
ứng suất bức xạ do sóng, h độ sâu cục
bộ, g là gia tốc trng trường,
mật đc,
w
ng suất ma sát tại mặt tại đáy,
tuy nhiên hai thành phần y thường được bỏ
qua trong c nghiên cứu vnước dềnh.
Trong trạng thái ổn định, thông lượng
động học theo hướng vuông góc với bờ phải
phụ thuộc vào x. Khi độ cáo sóng giảm do
hiệu ứng sóng vỡ thì ứng suất bức xạ
xx
S
cũng giảm. Phương trình cân bằng động học
(1) khi đó trở thành;
dx
dS
hgdx
dxx
)( 1
(2)
Trong đó:
2
16
3gHSxx
(3)
Thay phương trình (3) vào phương trình
(2) rồi lấy tích phân theo x chúng ta
nghiệm giải tích cho
như sau:
bb hhhK 2
16
1
(4)
đây:
2
381 1
K
h thực nghiệm;
= 0.78 là chỉ số sóng vỡ theo thuyết;
b
bH
h
độ sâu tại vị trí sóng vỡ;
b
H
độ
cao sóng vỡ; h độ sâu cục bộ trong
nghiên cứu này chúng tôi giả thiết độ sâu cục
bộ h bằng với độ sâu trung bình tại cửa
sông
R
h
. Thay các giá trị này vào phương
trình (4) ta có:
Rb hH 19.0
(5)
Komar Gaughan (1972) đã thu được
một công thức thực nghiệm dựa trên lý thuyết
sóng biên độ nhỏ cho chiều cao sóng vỡ như
một hàm của độ dốc sóng khu vực nước
sâu. Sunamura (1983) đã tiếp tục phát triển
giả thiết này để tính thêm ảnh hưởng của độ
dốc bãi biển. Quan hệ này được viết như sau:
0.25
0.2
b0
00
HH
i
HL



(6)
đây:
i
độ dốc bãi biển;
0
H
độ cao sóng
ngoài khơi (m);
0
L
độ dài sóng ngoài
khơi (m).
Chia cả hai vế phương trình (5) cho
0
H
thế phương trình (6) vào chúng ta được
phương trình giải tích hoàn chỉnh cho nước
dềnh khu vực cửa sông như sau;
0
2.0
25.0
0
0
0
19.0 H
h
i
L
H
HR
(7)
Phương trình này được áp dụng cho các
bộ dữ liệu tại các cửa ng tại Nhật Bản với
gtrđộ dốc sóng thay đổi từ 0,04 tới 0,08.
Độ dốc đáy biển trong toàn bộ khu vực
nghiên cứu xấp xỉ bằng 0,024. Kết quả so
nh với số liệu thực đo nước dềnh trong
c cơn bão đã chra rằng hình giải tích
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
412
này cho kết qu khá p hợp và độ tin
cậy cao (hình 3).
0
0.04
0.08
0.12
0.16
0.2
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Facing the Pacific Ocean
Facing the Sea of Japan
Ho/Lo = 0.04
Ho/Lo = 0.06
Ho/Lo = 0.08
0
H
Empirical results
0
H
hR
Analytical results: Eq. (8), K= 0.19
Facing the Pacific Ocean
Facing the Pacific Ocean
hình giải tích, khi K=0.19Số liệu thực đo
Sông phía Thái Bình Dương
Sông phía biển Nhật Bản
Hình 3: Kết quả so sánh mô hình giải tích
4. KẾT LUẬN
Kết quả tính phân tích thực nghiệm về
nước dềnh tại các khu vực cửa ng tại Nhật
cho thấy độ cao nước dềnh bằng 0.2% đến
14% độ cao sóng ngoài khơi. Giá trị này nhỏ
tại cửa ng rộng sâu, ngược lại tại các
cửa sông hẹp nông thì ảnh hưởng của
nước dềnh là rất đáng kể.
Đã phát triển thành công hình giải tích
đơn giản tính toán biến thiên nước dềnh tại
khu vực cửa sông. Kết quả so sánh với số liệu
thực nghiệm thể hiện hình tính dự báo
và độ chính xác tương đối cao.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bowen, A.J., Inman, D.L. and Simmons,
V.P., 1968: Wave set-down and set-up,
Journal of Geophysical Research, Vol.73,
No.8, pp.2569-2577.
[2] Komar, P.D.,Gaughan,M.K., 1972: Airy
wave theory and break height prediction.
Proceedings of 13th International
Conference on Coastal Engineering, Vol.1,
pp. 405418.
[3] Longuet-Higgins, M.S., Stewart, R.W.,
1963: A note on wave set-up. Journal of
Marine Research,Vol.21, pp. 410.
[4] Sunamura, T. 1983: A predictive model for
shoreline changes on natural beaches caused
by storm and post-storm waves,
Transactions, Japanese Geomorphological
Union, Vol.4, pp.1-10.
[5] Tinh N. X., Tanaka H., Umeda M., Sasaki
M. and Nagabayashi H. 2009: Wave setup
due to the extreme events at different river
mouth morphologies in Japan, Journal of
Hydroscience and Hydraulic Engineering
JSCE, Vol.53, pp.199-204.