Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
407
XÂY DỰNG QUAN HỆ CHU KỲ VÀ CHIỀU CAO CỦA SÓNG GIÓ
CHO MÙA VÙNG BIỂN BẮC VÀ BẮC TRUNG BỘ NƯỚC TA
Đặng Thị Linh1 và Thiều Quang Tuấn1
2Đại học Thủy lợi, email: linhdt05@wru.vn; email: Tuan.T.Q@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Không chỉ chiều cao mà chu kỳ sóng cũng
đóng vai trò không kém phần quan trọng
trong tính toán thiết kế các công trình biển.
Tuy nhiên trên thực tế trong nhiều bộ số liệu
quan trắc sóng ở nước ta người ta thường chỉ
quan tâm đến chiều cao mà thiếu đi chu kỳ
sóng. Việc nghiên cứu xây dựng mối tương
quan giữa chiều cao và chu kỳ sóng mang
tính đặc trưng cho vùng miền và loại sóng do
vậy là rất cần thiết, góp phần nâng cao mức
độ tin cậy trong tính toán thiết kế các công
trình biển.
Hiện nay có một số phương pháp biểu diễn
quan hệ (Hs ~ Tp) có thể dùng để xác định
chu kỳ sóng như Longuet-Higgins (1983) và
đặc biệt là SPM (1984) và Nguyễn Xuân
Hùng (1999) đang được dùng khá phổ biến ở
nước ta.
Loguet-Higgins (1983) đã tiên phong trong
việ nghiên cứu quan hệ giữa chiều cao sóng
và chu kỳ sóng bằng cách xây dựng hàm
phân phối xác xuất kép giữa hai biến ngẫu
nhiên này. Nhược điểm của công thức
Longuet-Higgins (1983) là quá phức tạp với
nhiều tham số phụ thuộc nên khó áp dụng
vào thực tiễn.
SPM (1984) khắc phục nhược điểm của
Longuet-Higgins (1983) với một công thức
thực nghiệm đơn giản và được áp dụng khá
phổ biến cho sóng bão.
,0
12,1 s
pH
Tg
(1)
với: g là gia tốc trọng trường, Hs,0 là chiều
cao sóng nước sâu; Tp là chu kỳ đỉnh sóng.
Phương pháp SPM (1984) được kiến nghị sử
dụng trong Tiêu chuẩn thiết kế đê biển ở nước
ta từ năm 2013. Tuy nhiên, chu kỳ sóng xác
định theo phương pháp này có phần lớn hơn
đáng kể so với các số liệu quan trắc thực tế.
Nguyễn Xuân Hùng (1999) đã đề xuất
tương quan có thể dùng để xác định chu kỳ
sóng cho vùng biển Bắc Bộ và Trung Bộ
5 6,138
3,14 10HT

(2)
và cho vùng biển Nam Bộ:
4 5,164
3,64 10HT

(3)
Tuy nhiên, các tham số chiều cao và chu kỳ
sóng trong công thức của Nguyễn Xuân Hùng
(1999) lại không rõ ràng về khái niệm xác
định (loại chiều cao và chu kỳ sóng gì). Bên
cạnh đó chu kỳ sóng xác định được thường là
quá ngắn (độ dốc quá lớn) chưa thực sự phù
hợp với sóng ngẫu nhiên hiện nay.
Broersen (2010) trong nghiên cứu điều
kiện biên thiết kế cho cảng Đồng Lâm, Thừa
Thiên-Huế đã phân tích mối tương quan giữa
chiều cao sóng Hs và chu kỳ sóng Tp cho
sóng gió mùa bằng số liệu sóng khí hậu quan
trắc nhiều năm của NOAA (1997 – 2009)
(xem hình 1).
Hình 1. Quan hệ (Hs ~ Tp) theo Broersen (2010)
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
408
Theo Broersen, quan hệ (Hs~ Tp) cần được
xây dựng với ba hướng chính tương ứng với
các hướng gió thịnh hành khác nhau đó là:
(1) Đông Bắc với đà gió bị hạn chế, chiều
cao sóng và độ dốc sóng tương đối lớn; (2)
Đông và Đông Nam với đà gió mở rộng hơn,
chiều cao sóng thấp hơn và sóng thoải hơn so
với hướng Đông Bắc; (3) Đông Đông Bắc
với đà gió không bị hạn chế, có thể bao gồm
cả sóng lừng từ Thái Bình Dương, chiều cao
sóng thấp, sóng rất dài.
Có thể thấy rằng việc xây dựng quan hệ
(Hs ~ Tp) đặc biệt là cho gió mùa của
Broersen theo các hướng gió thịnh hành là
phù hợp với thực tế vùng biển nước ta.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Kế thừa những ưu điểm từ phương pháp
của Broersen (2010), tác giả sử dụng bộ số
liệu quan trắc sóng khí hậu trong 12 năm
(1997 – 2009) của NOAA tại tọa độ (190 N –
106025’ E) (xem hình 2) để xây dựng quan hệ
(Hs ~ Tp) cho vùng biển Bắc và Bắc Trung
Bộ nước ta.
Hình 2. Vị trí quan trắc sóng
Sóng khí hậu của NOAA bao gồm các
bảng số liệu theo tháng và tổng hợp cho cả
năm, với các khoảng giá trị chiều cao Hs và
chu kỳ Tp cùng với phần trăm xuất hiện tương
ứng của chúng. Tuy nhiên số liệu tương quan
(Hs ~ Tp) có tính phân tán trên dải rộng về tần
suất xuất hiện, do vậy cần phải xây dựng
tương quan phổ biến nhất (với tần suất xuất
hiện nhiều nhất). Ở đây, tác giả đã sử dụng
phương pháp vẽ đồ thị phân bố tần suất tương
quan theo từng tháng để tìm ra xu thế quan hệ
(Hs~ Tp) theo hướng sóng.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Kết quả quan hệ (Hs ~ Tp) theo tần suất
xuất hiện hiện trong các tháng bằng phương
pháp vẽ đồ thị cho một số nhận xét sau:
- Chiều cao sóng gió mùa ở nước sâu
không vượt quá 4,3 m, chu kỳ sóng phổ biến
nằm trong khoảng từ 2,5 s ~ 8,5 s, chỉ riêng
tháng 8 sóng có chu kỳ lên tới 13,5s nhưng
chiếm phần trăm rất nhỏ.
- Vào các tháng 11, 12, và 1 có chiều cao
sóng tương đối lớn, và chiếm phần trăm
nhiều nhất từ 0,3 m~ 2,5 m. Đây cũng là thời
kỳ mà gió mùa Đông Bắc trên biển Đông
hoạt động mạnh nhất.
- Từ tháng 5 đến tháng 9, chiều cao sóng
tương đối thấp, tập trung nhiều nhất là từ
0,2 m ~ 1,0 m. Thời gian này đang vào mùa
hè, với sự xuất hiện của gió mùa Tây Nam.
Như vậy, đặc trưng sóng biến ở vùng biển
Bắc bộ và Bắc Trung Bộ biến đổi rõ ràng
theo 2 mùa: gió mùa Đông Bắc từ tháng 11
đến tháng 1 năm sau và gió mùa Tây Nam từ
tháng 5 đến tháng 10. Điều này hoàn toàn
phù hợp với đặc điểm gió mùa ở Việt Nam và
thời tiết trên biển Đông.
Từ bộ số liệu quan trắc sóng của NOAA
nói trên chúng ta tổng hợp lại số liệu theo 02
hướng sóng gió mùa như đã phân tích.
Như trình bày ở trên tác giả sẽ xây dựng
tương quan mang tính phổ biến nhất tức là
tương quan đi qua các đỉnh của các đường
đồng mức với tần xuất xuất hiện lớn nhất.
Theo quy luật chung giữa Hs và Tp kế thừa
từ các nghiên cứu trước chúng ta có thể giả
sử quan hệ giữa hai biến số này tuân theo quy
luật hàm mũ thông qua biểu thức:
c
p
T a b H
(4)
Do số liệu quan trắc sóng của ta chỉ biểu
thị các khoảng giá trị của Hs và Tp chứ
không biểu thị từng giá trị cụ thể, nên
không thể áp dụng phương pháp phân tích
hồi quy để tìm ra các giá trị a, b, c. Cách
tiếp cận của tác giả là sử dụng phương pháp
thử dần các giá trị a, b, c sao cho đường
tương quan (Hs ~ Tp) đi qua đỉnh của các
đường đồng mức.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
409
Kết quả đường tương quan phổ biến nhất
được xây dựng cho hai hướng gió mùa chính
Đông Bắc và Tây Nam được thể hiện trên
Hình 3 và 4, với các biểu thức liên hệ phổ
biến giữa (Hs ~ Tp) tương ứng như sau:
Gió mùa Đông Bắc:
0,34
sp
T 1,15 4,5 H
(5)
Gió mùa Tây Nam:
0,28
ps
1,5 4,5 HT
(6)
Hình 3. Tương quan phổ biến giữa (Hs~ Tp)
gió mùa Đông Bắc (NE)
Hình 4. Tương quan phổ biến giữa
(Hs ~ Tp) gió mùa Tây Nam (SW)
Hình 5. So sánh chu kỳ sóng Tp xác định theo
các phương pháp khác nhau
Để có thể phân tích thêm về các công thức
tương quan vừa xây dựng được tác giả đã so
sánh với các công thức của Nguyễn Xuân
Hùng (1999) và SPM (1984) với khoảng
chiều cao sóng gió mùa nước sâu lớn nhất là
4 m (do chuỗi số liệu quan trắc được có chiều
cao sóng nhỏ hơn 4.3m). Kết quả so sánh
được thể hiện trên hình 5 cho thấy chu kỳ
sóng xác định theo phương pháp hiện tại có
giá trị không quá ngắn như của Nguyễn Xuân
Hùng (1999) và cũng không quá dài như theo
SPM (1984). Mặt khác, chu kỳ sóng còn
được thay đổi theo hai mùa khác nhau, phù
hợp hơn với quy luật tự nhiên ở vùng biển
Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ.
4. KẾT LUẬN
Sử dụng bộ số liệu quan trắc sóng của
NOAA (1997 - 2009) ngoài khơi vùng biển
Bắc Trung Bộ, tác giả đã xây dựng được các
quan hệ điển hình (Hs ~Tp) cho sóng theo chế
độ gió mùa thịnh hành Đông Bắc và Tây
Nam thuộc vùng biển Bắc và Bắc Trung Bộ
nước ta. Kết quả nghiên cứu có thể được áp
dụng, góp phần nâng cao mức độ tin cậy
trong tính toán ước lượng chu kỳ của sóng
gió mùa dùng cho các mục đích tính toán
thiết kế công trình biển khác nhau.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Longuet-Higgins, M. S. (1983), On the joint
distribution of wave periods and amplitudes
in a random wave field, Proc. R. Soc.
London A, 389, 241 – 259;
[2] Shore Protection Manual 1984;
[3] Analysis of boundary conditions and
concept design for Dong Lam, Thua Thien
– Hue province, Viet Nam (MSc Thesis –
W.A Broersen).
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
410