Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển - Phần 6 ppt

Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 1
TÍNH CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG TỪ GIÓ THEO SPM 1984
Nghiêm Tiến Lam
Khoa Kỹ thuật Biển, Đại học Thuỷ lợi

1. Giới thiệu
Do các điều kiện hạn chế về số liệu đo đạc sóng, việc tính toán sóng biển hoặc sóng trong hồ
chứa từ số liệu gió thường được áp dụng bằng các công thức kinh nghiệm. Có khá nhiều công
thức tính sóng từ gió như Sverdrup và Munk (1944, 1946, 1947), Sverdrup-Munk-
Bretschneider (SMB) (Bretschneider, 1952, 1958, 1970), Krylov (1966), Donelan (Donelan,
1980; Schawab et al., 1984; Donelan et al., 1985; Bishop et al., 1992), JONSWAP
(Hasselmann et al., 1973), Kahma (1981), Dobson et al., (1989), SPM (CERC, 1973, 1975,
1977, 1984), Hurdle và Stive (1989), Young và Verhagen (1996). Trong đó công thức SPM
phiên bản năm 1984 (SPM 1984) dựa trên cơ sở công thức JONSWAP được giới thiệu trong
Shore Protection Manual (CERC, 1984) đã và đang được sử dụng một cách rộng rãi. Tài liệu
này trình bày phương pháp SPM 1984 và cách áp dụng trong tính toán các điều kiện sóng
nước sâu và sóng ở độ sâu nước hạn chế.
2. Tính sóng trong điều kiện gió thổi ổn định
2.1. Xác định đà gió và hiệu chỉnh tốc độ gió
Trong 3 phiên bản đầu tiên năm 1973, 1975, 1977, SPM dựa trên công thức SMB với việc
tính toán đà gió bình quân theo cosine và sử dụng vận tốc gió bề mặt bình quân mà không xét
đến ảnh hưởng của cao độ hay sự chênh lệch nhiệt độ giữa nước biển và khí quyển. Trong
phiên bản SPM 1984, đà gió sử dụng là giá trị trung bình số học được tính toán các đà gió
trong khoảng hướng gió ±15° như công thức (1) và minh hoạ trên Hình 1.
Hướng gió
3°
F
1
F
2

F
3
F
4
F
5
F
6
Điểmtínhtoán
F
7
F
8
F
9
Hướng gió
3°
F
1
F
2
F
3
F
4
F
5
F
6
Điểmtínhtoán

F
7
F
8
F
9

Hình 1: Tính toán đà gió
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 2

9
1
1
9
i
i
FF
=
=
∑
(1)
Vận tốc gió đo đạc được chuyển về độ cao 10 m so với bề mặt sử dụng công thức (2).

1
7
10
10
z
UU

z
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠
, với z < 20 m (2)
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
0 5 10 15 20 25
Vận tốc gió trên đất liền, U (m/s)
Hệ số hiệu chỉnh vận tốc gió, R
L

Hình 2: Hệ số hiệu chỉnh vận tốc gió thổi trên đất liền
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
Chênh lệch nhiệt độ không khí và nước biển, (T
a
-T

s
) (°C)
Hệ số hiệu chỉnh vận tốc gió, R
T

Hình 3: Hệ số hiệu chỉnh vận tốc gió do chênh lệch nhiệt độ không khí và nước biển
Ngoài ra, vận tốc gió cũng được hiệu chỉnh bằng 2 hệ số hiệu chỉnh: hệ số R
L
để hiệu chỉnh sự
khác biệt giữa vận tốc gió thổi qua mặt đất (U
L
) và thổi qua mặt nước (U
W
), và hệ số R
T
cho
ảnh hưởng ổn định của chênh lệch nhiệt độ nước và không khí. Hệ số hiệu chỉnh khi sử dụng
số liệu gió đo đạc trên đất liền được tra trong Hình 2 và được lấy R
L
=1 nếu sử dụng vận tốc
gió trên biển. Dùng R
L
=0.9 nếu U
L
>18.5 m/s. Hệ số hiệu chỉnh ổn định R
T
phụ thuộc vào
chênh lệch nhiệt độ nước biển và không khí cho trong Hình 3. Trong trường hợp không có số
liệu về chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và nước biển thì có thể lấy giá trị mặc định là
R

T
=1.1.
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 3
Với các giả thiết là sự phát triển của sóng bị giới hạn về đà gió quan hệ chặt chẽ với vận tốc
ma sát u
*
hơn là tốc độ gió đo đạc U, và mối quan hệ giữa u
*
và U cho vùng biển hở được áp
dụng trực tiếp cho điều kiện đà gió giới hạn, công thức SPM 1984 sử đại lượng vận tốc gió
hiệu chỉnh U
A
để hiệu chỉnh quan hệ phi tuyến thực đo giữa ứng suất và vận tốc gió theo (3)

1.23
0.71
A
UU=⋅
(3)
với
10TL
URRU
=
(4)

2.2. Các đại lượng phi thứ nguyên
Để thuận tiện cho việc tính toán, các đại lượng phi thứ nguyên sau đây được sử dụng
Độ cao sóng phi thứ nguyên
2

s
s
A
gH
H
U
=

(5)
Chu kỳ sóng phi thứ nguyên
p
p
A
gT
T
U
=

(6)
Đà sóng phi thứ nguyên
2
A
gF
F
U
=

(7)
Thời gian phát triển phi thứ nguyên
A

gt
t
U
=

(8)
Độ sâu nước phi thứ nguyên
2
A
gd
d
U
=

(9)

2.3. Tính toán sóng nước sâu
Công thức SPM 1984 tính toán sóng nước sâu dựa trên cơ sở công thức JONSWAP và sử
dụng vận tốc gió hiệu chỉnh
U
A
như sau
Chiều cao sóng có nghĩa

1
3
2
1.6 10
S
HF

−
=⋅

(10)
Chu kỳ sóng tại đỉnh phổ sóng

1
3
0.286
p
TF=

(11)
Thời gian sóng phát triển

2
3
68.8
F
tF=


(12)
Từ (12) sẽ tính được đà gió hiệu dụng

3
2
eff
68.8
t

F
⎛⎞
=
⎜⎟
⎝⎠


(13)
Sóng được tạo ra ở vùng nước sâu có thể ở ba trạng thái là bị hạn chế về đà gió, bị hạn chế về
thời gian gió thổi hoặc là phát triển hoàn toàn. Khi tính cho vùng nước nhỏ (như trong hồ)
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 4
sóng có thể bị hạn chế bởi đà gió ngắn, tức là F < F
eff
. Khi đó các giá trị H
S
và T
p
được tính
trực tiếp từ các công thức (10) và (11).
Ở các vùng nước lớn hơn có thể dùng các công thức này nhưng thời gian gió thổi có thể hạn
chế độ cao sóng. Nếu thời gian trận bão nhỏ hơn t
F
, hay F > F
eff
, thì trạng thái biển sẽ là bị
giới hạn về thời gian gió thổi và các giá trị của H
S
và T
p

vẫn được tính theo các công thức (10)
và (11) nhưng sử dụng chiều dài đà gió hiệu dụng (đà gió cần thiết để tạo cùng độ cao sóng
nếu thời gian gió thổi vô hạn) tính theo công thức (13). Nghĩa là giá trị nhỏ hơn trong các giá
trị F bởi F
eff
được dùng để tính sóng.
Ở vùng nước rất rộng lớn và gió có thời gian thổi lâu thì trạng thái biển có thể phát triển hoàn
toàn. Điều kiện này xảy ra khi cả t và t
F
đều lớn hơn t
full
tính theo (14). Với điều kiện sóng
phát triển hoàn toàn thì sử dụng các công thức giới hạn trên cho chiều cao và chu kỳ sóng tính
theo (15) và (16):
t
full
= 7.15·10
4
(14)
H
S
= 0.243 (15)
T
p
= 8.134 (16)
Từ các công thức (10) và (11) cho thẩy chu kỳ sóng có mối quan hệ gần gũi với độ cao sóng
nếu đà gió đã được xác định như trong (17) và (18)

2
3

20.9
pS
TH=

(17)
hay
12
33
9.8
pAS
TUH
−
= (18)
Các bước tính toán các đặc trưng sóng nước sâu theo phương pháp SPM 1984 được thể hiện
trong Hình 4 và Ví dụ 1 kèm theo sau đây.
Ví dụ 1: Tính sóng nước sâu
Tính các điều kiện sóng tạo ra từ vận tốc gió U
10
= 15 m/s thổi trong thời gian t = 6 giờ trên
đà gió F = 100 km.
Bước 1: Tính vận tốc gió hiệu chỉnh theo công thức (3) với giá trị mặc định R
T
=1.1 được vận
tốc gió hiệu chỉnh U
A
= 20 m/s.

() ( )
1.23 1.23
10

0.71 0.71 1.1 15 22.3
AT
URU=⋅ =×× =(m/s) (19)
Bước 2: Tính thời gian gió thổi phi thứ nguyên t với thời gian t được quy đổi ra giây và đà gió
phi thứ nguyên F với đà gió F được quy đổi ra mét

9.81 6 3600
9492
22.3
A
gt
t
U
×
×
== =

(20)

3
22
9.81 100 10
1969
22.3
A
gF
F
U
××
== =


(21)
Bước 3: Tính chiều dài đà gió hiệu quả F
eff
theo (13)

3
3
2
2
eff
9492
1621
68.8 68.8
t
F
⎛⎞
⎛⎞
== =
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠


(22)
Bước 4: So sánh F và F
eff
. Vì F > F
eff

nên sóng bị giới hạn về thời gian gió thổi và sẽ sử dụng
F
eff
thay thế cho F để tính các đặc trưng sóng:
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 5

eff
1621FF⇐=

(23)
H
s
= 0.0016 F
½
T
p
= 0.286 F
⅓
H
s
= H
s
U
A
²/g
T
p
= T
p

U
A
/g
(F > F
eff
)?
(H
s
>0.243) và (T
p
>8.134)?
NhậpU
10
, F, t
F
eff
= (t  / 68.8)³
/
²
t  = gt/U
A
F = gF/U
A
²
F = F
eff
H
s
= 0.243
T

p
= 8.134
Đúng: Sóng phát triển
bị hạnchế về thờigian
Đúng: Sóng phát
triển hoàn toàn
U
A
=0.71 (R
T
U
10
)
1.23
Kếtthúc
Bắt đầu
Sai: Sóng phát triển không
bị hạnchế về thờigian
Sai: Sóng phát triển
bị hạnchế vềđàgió
H
s
= 0.0016 F
½
T
p
= 0.286 F
⅓
H
s

= H
s
U
A
²/g
T
p
= T
p
U
A
/g
(F > F
eff
)?
(H
s
>0.243) và (T
p
>8.134)?
NhậpU
10
, F, t
F
eff
= (t  / 68.8)³
/
²
t  = gt/U
A

F = gF/U
A
²
F = F
eff
H
s
= 0.243
T
p
= 8.134
Đúng: Sóng phát triển
bị hạnchế về thờigian
Đúng: Sóng phát
triển hoàn toàn
U
A
=0.71 (R
T
U
10
)
1.23
Kếtthúc
Bắt đầu
Sai: Sóng phát triển không
bị hạnchế về thờigian
Sai: Sóng phát triển
bị hạnchế vềđàgió

Hình 4: Sơ đồ thuật toán tính sóng nước sâu theo SPM (1984)
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 6
Bước 5: Tính H
s
và T
p
sử dụng các công thức (10) và (11)

1
33
2
1.6 10 1.6 10 1621 0.064
s
HF
−−
=⋅ =× × =

(24)

1
3
3
0.286 0.286 1621 3.36
p
TF==×=

(25)
Bước 6: So sánh H
s

và T
p
với các giá trị H
s
và T
p
của điều kiện phát triển hoàn toàn trong các
công thức (15) và (16). Vì H
s
= 0.064 < 0.243 và T
p
= 3.36 < 8.134, đều nhỏ hơn trạng thái
phát triển hoàn toàn nên trạng thái của sóng là chưa phát triển hoàn toàn và bị hạn chế về
chiều dài đà gió.
Bước 7: Tính H
s
và T
p
từ các công thức (5) và (6)

2
2
0.064 22.3
3.27
9.81
sA
s
HU
H
g

×
== =

(m) (26)

3.36 22.3
7.6
9.81
pA
p
TU
T
g
×
== =

(s) (27)
Vậy đáp số cuối cùng là sóng tạo ra có chiều cao H
s
= 3.27 m và chu kỳ T
p
= 7.6 giây trong
điều kiện bị hạn chế về đà gió và thời gian gió thổi.

2.4. Tính toán sóng trong điều kiện độ sâu nước bị hạn chế
Trong trường hợp khu vực tính toán sóng có độ sâu hạn chế, công thức tính toán sóng theo
SPM (1984) cho vùng nước có độ sâu đều d như sau

1
3

2
4
3
4
0.00565
0.283 tanh 0.530 tanh
tanh 0.530
S
F
Hd
d
⎧
⎫
⎪
⎪
⎛⎞
⋅
⎪
⎪
=⋅ ⋅
⎨
⎬
⎜⎟
⎛⎞
⎝⎠
⎪
⎪
⎜⎟
⎪
⎪

⎝⎠
⎩⎭




(28)

1
3
3
8
3
8
0.0379
7.54 tanh 0.833 tanh
tanh 0.833
p
F
Td
d
⎧
⎫
⎪
⎪
⎛⎞
⋅
⎪
⎪
=⋅ ⋅

⎨
⎬
⎜⎟
⎛⎞
⎝⎠
⎪
⎪
⎜⎟
⎪
⎪
⎝⎠
⎩⎭




(29)
Hạn chế về thời gian gió thổi

7
3
537
lim p
tT
=
⋅


(30)

Nếu thời gian gió thổi nhỏ hơn t
lim
thì sóng bị hạn chế về thời gian gió thổi và các giá trị chiều
cao và chu kỳ sóng cần phải tính toán dựa vào đà gió hiệu chỉnh suy ra từ các công thức (29)
và (30).
Các bước tính toán các đặc trưng sóng khi độ sâu nước bị hạn chế theo phương pháp SPM
1984 được thể hiện trong Hình 5 và Ví dụ 2.

Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 7
(F > F
eff
)?
Bắt đầu
H
s
= 0.283·d
1
·tanh(0.00565·F
½
/d
1
)
T
p
= 7.54·d
2
·tanh(0.0379·F
⅓
/d

2
)
H
s
= H
s
U
A
²/g
T
p
= T
p
U
A
/g
d  = gd/U
A
²
t  = gt/U
A
F = gF/U
A
²
d
1
= tanh(0.530 d 
¾
)
d

2
= tanh(0.833 d 
⅜
)
Nhậpd, U
10
, F, t
U
A
=0.71 (R
T
U
10
)
1.23
Kếtthúc
F
eff
={tanh
-1
[(t /537)
3/7
/(7.54·d
2
)](d
2
/ 0.0379)}³
F = F
eff
Đúng: sóng bị hạnchế

về thời gian gió thổi
Sai: sóng không bị
hạnchế về thờigian
(F > F
eff
)?
Bắt đầu
H
s
= 0.283·d
1
·tanh(0.00565·F
½
/d
1
)
T
p
= 7.54·d
2
·tanh(0.0379·F
⅓
/d
2
)
H
s
= H
s
U

A
²/g
T
p
= T
p
U
A
/g
d  = gd/U
A
²
t  = gt/U
A
F = gF/U
A
²
d
1
= tanh(0.530 d 
¾
)
d
2
= tanh(0.833 d 
⅜
)
Nhậpd, U
10
, F, t

U
A
=0.71 (R
T
U
10
)
1.23
Kếtthúc
F
eff
={tanh
-1
[(t /537)
3/7
/(7.54·d
2
)](d
2
/ 0.0379)}³
F = F
eff
Đúng: sóng bị hạnchế
về thời gian gió thổi
Sai: sóng không bị
hạnchế về thờigian

Hình 5: Sơ đồ thuật toán tính sóng theo SPM (1984) khi độ sâu nước hạn chế

Ví dụ 2: Tính sóng nước nông

Tính các điều kiện sóng tạo ra từ vận tốc gió U
10
= 15 m/s thổi trong thời gian t = 6 giờ trên
đà gió F = 100 km trong khu vực có độ sâu nước bình quân 15 m.
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 8
Bước 1: Tính vận tốc gió hiệu chỉnh theo công thức (3) với giá trị mặc định R
T
=1.1 được vận
tốc gió hiệu chỉnh U
A
= 20 m/s.

() ( )
1.23 1.23
10
0.71 0.71 1.1 15 22.3
AT
URU=⋅ =×× =
(m/s) (31)
Bước 2: Tính độ sâu phi thứ nguyên, thời gian gió thổi phi thứ nguyên t với thời gian t được
quy đổi ra giây và đà gió phi thứ nguyên F với đà gió F được quy đổi ra mét

22
9.81 15
0.295
22.3
A
gd
d

U
×
== =

(32)

9.81 6 3600
9492
22.3
A
gt
t
U
×
×
== =

(33)

3
22
9.81 100 10
1969
22.3
A
gF
F
U
××
== =


(34)
Bước 3: Tính các đại lượng trung gian trong các công thức (28) và (29)

33
44
1
tanh 0.530 tanh 0.530 0.295 0.209dd
⎛⎞⎛ ⎞
=⋅=×=
⎜⎟⎜ ⎟
⎝⎠⎝ ⎠

(35)

33
88
2
tanh 0.833 tanh 0.833 0.295 0.483dd
⎛⎞⎛ ⎞
=⋅=×=
⎜⎟⎜ ⎟
⎝⎠⎝ ⎠

(36)
Bước 4: Tính chiều dài đà gió hiệu quả
F
eff
từ các công thức (30) và (29)

3
3
7
2
eff
2
3
3
7
1
atanh
7.54 537 0.0379
1 9492 0.483
atanh 10858
7.54 0.483 537 0.0379
d
t
F
d
⎧⎫
⎡⎤
⎛⎞
⎪⎪
⎢⎥
=
⎨⎬
⎜⎟
⎢⎥
⋅
⎝⎠

⎪⎪
⎣⎦
⎩⎭
⎧⎫
⎡⎤
⎪⎪
⎛⎞
⎢⎥
==
⎨⎬
⎜⎟
⎢⎥
×
⎝⎠
⎪⎪
⎣⎦
⎩⎭


(37)
Bước 5: So sánh
F và F
eff
. Vì F < F
eff
nên sóng không bị giới hạn về thời gian gió thổi và sẽ
sử dụng
F để tính các đặc trưng sóng.
Bước 6: Tính
H

s
và T
p
sử dụng các công thức (28) và (29)

1
2
1
1
0.00565 0.00565 1969
0.283 tanh 0.283 0.209 tanh 0.049
0.209
s
F
Hd
d
⎛⎞
⎛⎞
⋅×
⎜⎟
=⋅⋅ =×× =
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠


(38)

1
3
3
2
2
0.0379 0.0379 1969
7.54 tanh 7.54 0.483 tanh 2.75
0.483
p
F
Td
d
⎛⎞
⎛⎞
⋅×
⎜⎟
=⋅⋅ =× × =
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
⎝⎠


(39)
Bước 7: Tính
H
s

và T
p
từ các công thức (5) và (6)

2
2
0.049 22.3
2.51
9.81
sA
s
HU
H
g
×
== =

(m) (40)
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 9

2.75 22.3
6.3
9.81
pA
p
TU
T
g
×

== =

(s) (41)
Vậy đáp số cuối cùng là sóng tạo ra có chiều cao
H
s
= 2.51 m và chu kỳ T
p
= 6.3 giây.
3. Tính sóng trong bão
Các công thức tính sóng ở phần trên áp dụng trọng trường hợp gió thổi ổn định. Tuy nhiên,
trong các cơn bão thì vận tốc và hướng gió luôn thay đổi theo thời gian nên việc sử dụng các
công thức ở trên sẽ có khó khăn và không còn phù hợp. Với các trận bão nhiệt đới như thường
xuất hiện ở nước ta, chúng thường có phân bố vận tốc gió trong bão tương đổi ổn định và có
thể mô hình hoá dựa trên một số thông số của tr
ận bão.
3.1. Phương pháp SPM 1984
Với các cơn bão di chuyển chậm, SPM 1984 đưa ra phương pháp tính toán sóng trong bão ở
vùng nước sâu khi biết các đặc trưng của trận bão như tốc độ di chuyển của cơn bão, bán kính
từ tâm bão đến điểm xuất hiện vận tốc gió lớn nhất trong cơn bão và độ hạ áp tại tâm bão. Tại
điểm xuất hiện vận tốc gió lớn nhất của cơn bão, độ cao sóng và chu kỳ sóng có nghĩa có thể
tính toán theo (42) và (43) (Bretschneider, 1958)

5.03 exp 1 0.29
4700
f
s
R
U
RP

H
U
α
⎧
⎫
⋅
⋅Δ
⎪
⎪
⎛⎞
=⋅ +
⎨
⎬
⎜⎟
⎝⎠
⎪
⎪
⎩⎭
(42)

8.60 exp 1 0.145
9400
f
s
R
U
RP
T
U
α

⎧
⎫
⋅
⋅Δ
⎪
⎪
⎛⎞
=⋅ +
⎨
⎬
⎜⎟
⎝⎠
⎪
⎪
⎩⎭
(43)
Trong đó
R Bán kính của điểm xuất hiện vận tốc gió lớn nhất trong cơn bão (km)
ΔP Độ giảm áp của tâm bão (mmHg)
α Hệ số phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của cơn bão và đà gió. Với trận bão di
chuyển chậm có thể lấy
α = 1.
U
f
Tốc độ di chuyển của cơn bão (m/s)
U
R
Vận tốc gió ổn định lớn nhất xuất hiện trong cơn bão tại bán kính R (m/s)

max

0.865 0.5
Rf
UUU
=
⋅+⋅
(44)
U
max
Vận tốc gió gradient lớn nhất ở độ cao 10 m so với mặt biển (m/s)

()
max
0.447 14.5 0.31UPRf
⎡
⎤
=⋅Δ−
⎣
⎦
(45)
f Hệ số Coriolis

2sinf
ω
ϕ
=
(46)
ω Vận tốc góc của Trái Đất (1 vòng trong 23 giờ 56 phút 4.09 giây) (s
-1
)

2
0.2625
23.93
π
ω
== (47)
φ Vĩ độ địa lý (rad)
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 10
Công thức (42) và (43) tính các đặc trưng sóng tại điểm xuất hiện gió lớn nhất trong bão. Độ
cao sóng tại các điểm khác được tính toán dựa vào độ cao sóng có nghĩa tính theo (42) và
được điều chỉnh bằng một hệ số suy giảm trong Hình 6. Chu kỳ sóng tại các điểm tính toán
được tính theo (48).

12.1
s
s
H
T
g
′
′
= (48)
với H’
s
và T’
s
là độ cao và chu kỳ sóng tại điểm tính toán.

Hình 6: Biểu đồ hệ số hiệu chỉnh độ cao sóng trong bão

3.2. Phương pháp Young (1988)
Để sử dụng công thức tính sóng nước sâu từ phổ JONSWAP, Young (1988) đưa ra khái niệm
đà gió tương tương và được tính như sau

()
22
max max max
ff f
F R aU bU U cU dU eU f
ψ
′
=+++++ (49)
với a = -2.175×10
-3
, b = 1.506×10
-2
, c = -1.223×10
-1
, d = 2.190×10
-1
, e = 6.737×10
-1
, và f =
7.980×10
-1
. Thông số tỷ lệ ψ có thể tính như sau (Young và Burchell, 1996)
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 11

max

0.015 0.0431 1.30
f
UU
ψ
=− ⋅ + ⋅ +
(50)
Giá trị hiệu chỉnh R’ tính từ R như sau

33
22.5 10 log 70.8 10
e
RR
′
=×⋅ −× (51)
Đơn vị của U
max
, U
f
là m/s, đơn vị của F, R, R’ là m. Khi đó độ cao sóng có nghĩa lớn nhất
trong bão có thể tính theo (10) với tốc độ gió sử dụng để tính toán là U
max
.
Ví dụ 3: Tính sóng trong bão theo SPM 1984
Tính các điều kiện sóng tại khu vực xuất hiện vận tốc gió lớn nhất trong một cơn bão tại vĩ
tuyến 17º có áp suất tâm bão P
0
= 940 mbar, bán kính gió lớn nhất R = 50 km, tốc độ di
chuyển của cơn bão là 50 km/giờ. Lấy α = 1 và áp suất ở vùng không có bão là P
n
= 1013.25

mbar.
Bước 1: Tính hệ số Coriolis f theo công thức (46)

(
)
2 sin 2 0.2625 sin 17 3.14 /180 0.1535f
ωϕ
==××× = (52)
Bước 2: Quy đổi áp suất từ mbar sang mmHg và tính độ giảm áp tâm bão

1013.25
760
1.333224
n
P == (mmHg) (53)

0
940
705
1.333224
P == (mmHg) (54)

0
760 705 55
n
PPPΔ= − = − = (mmHg) (55)
Bước 3: Quy đổi vận tốc di chuyển của cơn bão từ km/giờ sang m/s

50 1000
13.89

3600
f
U
×
==
(m/s) (56)
Bước 4: Tính vận tốc gió gradient lớn nhất cách tâm bão bán kính R

()
()
max
0.447 14.5 0.31
0.447 14.5 55 50 0.31 0.1535 47.0
UPRf
⎡⎤
=⋅Δ−
⎣⎦
=××−×× =
(57)
Bước 5: Tính vận tốc gió ổn định lớn nhất xuất hiện trong cơn bão tại bán kính R

max
0.865 0.5 0.865 47.0 0.5 13.89 47.60
Rf
UUU=⋅+⋅=×+×= (m/s) (58)
Bước 6: Độ cao sóng có nghĩa và chu kỳ sóng có nghĩa tại vùng nước sâu xuất hiện vận tốc
gió lớn nhất tại bán kính R

5.03 exp 1 0.29
4700

50 55 1 13.89
5.03 exp 1 0.29 14.3
4700
47.60
f
s
R
U
RP
H
U
α
⎧⎫
⋅
⋅Δ
⎪⎪
⎛⎞
=⋅ +
⎨⎬
⎜⎟
⎝⎠
⎪⎪
⎩⎭
××
⎧⎫
⎛⎞
=× +× =
⎨⎬
⎜⎟
⎝⎠

⎩⎭
(59)
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 12

8.60 exp 1 0.145
9400
50 55 1 13.89
8.60 exp 1 0.145 14.89
9400
47.60
f
s
R
U
RP
T
U
α
⎧⎫
⋅
⋅Δ
⎪⎪
⎛⎞
=⋅ +
⎨⎬
⎜⎟
⎝⎠
⎪⎪
⎩⎭

××
⎧⎫
⎛⎞
=×+=
⎨⎬
⎜⎟
⎝⎠
⎩⎭
(60)
Như vậy, cơn bão tạo ra sóng có độ cao sóng có nghĩa H
s
= 14.3 m và chu kỳ sóng có nghĩa
T
s
= 14.89 giây tại vùng nước sâu xuất hiện vận tốc gió lớn nhất cách tâm bão 50 km.
Ví dụ 4: Tính sóng trong bão theo Young (1988)
Tính các điều kiện sóng tại khu vực xuất hiện vận tốc gió lớn nhất của cơn bão trên theo
phương pháp Young (1988).
Bước 1: Tính thông số tỷ lệ ψ theo (50)

max
0.015 0.0431 1.30
0.015 47.0 0.0431 13.89 1.30 1.1935
f
UU
ψ
=− ⋅ + ⋅ +
=− × + × + =
(61)
Bước 2: Tính bán kính hiệu chỉnh R’ theo (51)

()
33
33
22.5 10 log 70.8 10
22.5 10 log 50 1000 70.8 10 172645
e
e
RR
′
=×⋅ −×
=×× × −×=
(62)
Bước 3: Tính đà gió tương tương F theo (49)

()
22
max max max
32
212
111
=1.1935 172645 (-2.175 10 47.0
+1.506 10 47.0 13.89-1.223 10 13.89
+2.190 10 47.0+6.737 10 13.89+7.98 10 )=388091
ff f
F R aU bU U cU dU eU f
ψ
−
−−
−−−

′
=+++++
××××
××× ××
×× ×× ×
(63)
Bước 4: Tính đà gió phi thứ nguyên F

22
max
9.81 388091
1723
47.0
gF
F
U
×
== =

(64)
Bước 5: Tính H
s
và T
p
sử dụng các công thức (10) và (11)

1
33
2
1.6 10 1.6 10 1723 0.066

s
HF
−−
=⋅ =× × =

(65)

1
3
3
0.286 0.286 1723 3.43
p
TF==×=

(66)
Bước 6: Tính H
s
và T
p
từ các công thức (5) và (6)

2
2
max
0.066 47.0
14.96
9.81
s
s
HU

H
g
×
== =

(m) (67)

max
3.43 47.0
16.4
9.81
p
p
TU
T
g
×
== =

(s) (68)
Như vậy, cơn bão tạo ra sóng có độ cao sóng có nghĩa H
s
= 14.96 m và chu kỳ sóng T
p
= 16.4
giây tại vùng nước sâu xuất hiện vận tốc gió lớn nhất cách tâm bão 50 km.
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 13
Chú ý
Độ sâu nước tính toán trong trường hợp sóng nước nông là độ sâu trung bình của cả vùng

nước mà sóng được tạo ra và phát triển. Do vậy không thể dùng các phương pháp trên tính
toán sóng trực tiếp tại chân công trình nếu độ sâu ở trước công trình khác nhiều so với độ sâu
chung của vùng nước mà sóng hình thành mà kết quả tính toán phải coi là ở xa bờ sau đó tính
truyền vào.
Hurdle và Stive (1989) đã phát hiện ra công thức SPM 1984 có sự không nhất quán trong việc
chuyển tiếp giữa 3 trường hợp: sóng đang phát triển ở
nước sâu, sóng đã phát triển hoàn toàn
ở nước sâu và sóng phát triển ở vùng nước nông. Hai tác giả cũng đề nghị công thức nhằm
điều chỉnh sự không nhất quán trên.
Bởi vì việc xác định các giá trị của U, F, t và hướng gió một cách chính xác là rất khó, hơn
nữa, bản thân các công thức trên cũng chứa các yếu tố bất định nên mọi kết quả tính toán theo
các phương pháp kinh nghiệm như SPM 1984 hay các phương pháp kinh nghiệm khác chỉ
nên
coi là gần đúng và cần phải được kiểm chứng với các số liệu đo đạc thực tế.
Tài liệu tham khảo
CERC, 1984. Shore Protection Manual. 4
th
ed., 2 Vol., U.S. Army Engineer Waterways
Experiment Station, U.S.Government Printing Office, Washington, D.C., 1,088 p.
Hurdle, D. P., and Stive, R. J. H., 1989. Revision of SPM 1984 Wave Hindcast Model to
Avoid Inconsistincies in Engineering Application. Coastal Engineering, 12: 339 – 351
Massel, S. R., 1996. Ocean Surface Waves: Their Physics and Prediction. Advanced Series on
Ocean Engineering, 11. World Scientifics.
Young, I.R., 1999. Wind Generated Ocean Waves. Elsevier Ocean Engineering Book Series,
Vol. 2, Elsevier, Amsterdam.
Các ký hiệu
d Độ sâu nước (m)
d Độ sâu nước phi thứ nguyên
F Đà gió (m)
F Đà gió phi thứ nguyên

F
eff
Chiều dài đà gió hiệu dụng (m)
F
eff
Chiều dài đà gió hiệu dụng phi thứ nguyên
F
i
Chiều dài đà gió của tia thứ i (m)
g Gia tốc trọng trường (m/s²)
H
S
Độ cao sóng có nghĩa (m)
H
S
Độ cao sóng có nghĩa phi thứ nguyên
R
T
Hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió do sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và nước biển
R
L
Hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió thổi trên đất liên
T
a
Nhiệt độ không khí (°C)
T
p
Chu kỳ sóng tại đỉnh phổ sóng (s)
T
p

Chu kỳ sóng phi thứ nguyên tại đỉnh phổ sóng
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 14
T
s
Nhiệt độ nước biển (°C)
t Thời gian gió thổi (s)
t Thời gian gió thổi phi thứ nguyên
t
F
Thời gian gió thổi nhỏ nhất để sóng không bị hạn chế về thời gian phát triển (s)
t
F
Thời gian gió thổi nhỏ nhất phi thứ nguyên
t
full
Thời gian gió thổi cần thiết để đạt trạng thái sóng phát triển hoàn toàn (s)
t
full
Thời gian gió thổi cần thiết để đạt trạng thái sóng phát triển hoàn toàn (phi thứ
nguyên)
t
lim
Thời gian gió thổi nhỏ nhất để sóng không bị hạn chế về thời gian phát triển (s)
t
lim
Thời gian gió thổi nhỏ nhất phi thứ nguyên
U Tốc độ gió (m/s)
U
10

Tốc độ gió tại độ cao 10 m so với mặt biển (m/s)
U
A
Tốc độ gió hiệu chỉnh (m/s)
U
L
Tốc độ gió thổi trên đất liền (m/s)
U
W
Tốc độ gió thổi trên mặt nước (m/s)
U
z
Tốc độ gió tại độ cao z m so với bề mặt (m/s)
z Độ cao so với bề mặt (m)

© 2008 by Nghiem Tien Lam
5
6
7
8
9
10
12
14
16
18
20
22
24
26

28
30
32
34
36
38
40
42
45
50
1 1.5 2 3 4 5 6 8 10 15 20 30 40 50 60 80 100 150 200 300 400 500 600 800 1000
TOÁN ĐỒ TÍNH TOÁN CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG NƯỚC SÂU
Vận tốc gió hiệu chỉnh, Ua (m/s)
Đà gió, F (km)
S
Ó
N
G

P
H
Á
T

T
R
I
Ể
N

T
Ớ
I

H
Ạ
N
0
.
1

m
0
.
1
5

m
0
.
2

m
0
.
2
5

m
0

.
3

m
0
.
4

m
0
.
5

m
0
.
6

m
0
.
7

m
0
.
8

m
0

.
9

m
1

m
1
.
2
5

m
1
.
5

m
1
.
7
5

m
2

m
2
.
5

m
3

m
3
.
5

m
4

m
4
.
5

m
5

m
6

m
7

m
8

m

9

m
1
0

m
1
1

m
1
2

m
1
3

m
1
4

m
1
5

m
1
7
.

5

m
2
0

m
1
.
4

s
1
.
6

s
1
.
8

s
2

s
2
.
2

s

2
.
4

s
2
.
6

s
2
.
8

s
3

s
3
.
5

s
4

s
4
.
5

s
5

s
5
.
5

s
6

s
7

s
8

s
9

s
1
0

s
1
1

s
1

2

s
1
3

s
1
4

s
1
5

s
1
6

s
1
7

s
1
8

s
1
9

s
2
0

s
2
1

s
2
2

s
2
0
'
3
0
'
4
0
'
5
0
'
1

h
r
1

.
5

h
r
2

h
r
3

h
r
4

h
r
5

h
r
6

h
r
7

h
r
8

h
r
9

h
r
1
0

h
r
1
2

h
r
1
4

h
r
1
6

h
r
1
8

h
r
2
0

h
r
2
4

h
r
3
0

h
r
Chiều cao sóng có nghĩa, Hs (m)
Chu kỳ đỉnh phổ sóng, Tp (s)
Thời gian gió tối thiểu, t (h)
Hướng dẫn thực hành Kỹ thuật Bờ biển Tính các đặc trưng sóng từ gió theo SPM 1984
01/10/2008 16

Mục lục

TÍNH CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG TỪ GIÓ THEO SPM 1984 1
1. Giới thiệu 1
2. Tính sóng trong điều kiện gió thổi ổn định 1
2.1. Xác định đà gió và hiệu chỉnh tốc độ gió 1
2.2. Các đại lượng phi thứ nguyên 3

Ví dụ 1: Tính sóng nước sâu 4
2.4. Tính toán sóng trong điều kiện độ sâu nước bị hạn chế 6
Ví dụ 2: Tính sóng nước nông 7
3. Tính sóng trong bão 9
3.1. Phương pháp SPM 1984 9
3.2. Phương pháp Young (1988) 10
Ví dụ 3: Tính sóng trong bão theo SPM 1984 11
Ví dụ 4: Tính sóng trong bão theo Young (1988) 12
Chú ý 13
Tài liệu tham khảo 13
Các ký hiệ
u 13
Toán đồ tính sóng nước sâu theo SPM 1984 15
Mục lục 16