Động lực học cát biển - Hướng dẫn các ứng dụng thực hành - Chương 12 pps

171

Chơng 12. Xử lý trờng dòng chảy - sóng
12.1. Tổng quan
Trong các mục trớc đã giả thiết rằng một vận tốc dòng chảy đơn và/hoặc một
điều kiện sóng đơn (hoặc phổ sóng) đợc đặt ra. Tuy nhiên, đối với nhiều ứng dụng
thực tế ngời ta phải giáp mặt với điều kiện dòng chảy và sóng thay đổi rất lớn trong
một năm từ những điều kiện yên lặng kết hợp với triều yếu cho đến những cơn bão
cực mạnh kết hợp với dòng chảy triều cờng cực đại. Câu hỏi là làm sao để dự đoán
vận chuyển trầm tích trung bình (hoặc động lực hình thái hoặc xói lở), xét đến những
hiệu ứng của tất cả những điều kiện này một cách chính xác. Quyết định sử dụng
đầu vào nào của sóng và dòng chảy có tầm quan trọng đặc biệt cho việc tính toán vận
chuyển trầm tích dài hạn hoặc động lực hình thái.
Vấn đề xử lý trờng dòng chảy - sóng nảy sinh khi liên kết với sự đa dạng rộng
rãi của các nhóm ứng dụng:
sự ổn định của vật liệu chống xói xung quanh những công trình xa bờ
sự phát triển xói xung quanh những công trình (không đợc bảo vệ)
việc chôn lấp những vật thể nằm trên đáy biển
sự phát triển động lực hình thái của bãi biển và những vùng xa bờ khi có hoặc
không có công trình
sự lu động trầm tích và đờng vận chuyển trong các vùng xa bờ
sự xâm thực trầm tích hàng năm vào những công trình lấy nớc
mức bồi lấp hàng năm những rãnh, luồng tàu và bến cảng.
Hầu hết các nguyên lý cơ bản mô tả dới đây là tổng quát cho một vài hoặc
tất cả những ứng dụng ở trên.
Có ba cách tiếp cận cơ bản có thể sử dụng:
tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế
tiếp cận xác suất
tiếp cận tuần tự.
Tất cả đều có những thế mạnh và thế yếu của chúng, và đợc mô tả dới đây.
12.2. Tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế

Theo cách tiếp cận này, một điều kiện độ cao và dòng chảy thủy triều đơn, và
một sóng đơn đợc chỉ rõ. Trong một vài nghiên cứu chúng đợc chỉ ra bởi khách
hàng nh những điều kiện thiết kế mà một công trình hoặc sơ đồ phải đảm nhận.
Chúng có thể dựa vào những tham số mang ý nghĩa công trình, nh cơn bão 50 năm
và những điều kiện thuỷ triều thiên văn lớn nhất có thể làm cho một công trình h
172

hỏng nhng chúng không nhất thiết là những điều kiện thích hợp nhất cho những
mục đích vận chuyển trầm tích, vì điều kiện cực trị hiếm khi có thể xuất hiện nh
vậy hoặc ngắn ngủi đến nỗi nó chỉ có một hiệu ứng nhỏ lên trạng thái trầm tích dài
hạn. Một điều kiện kết cấu chịu mỏi, có xét đến tình trạng tích lũy sau những thời
gian dài, hầu nh phù hợp hơn với tình trạng vận chuyển trầm tích mặc dù vẫn cha
phải là lý tởng.
Một sự lựa chọn thích hợp hơn cho sóng và dòng chảy có thể thực hiện bởi việc
lấy những giá trị đóng góp lớn nhất cho vận chuyển trầm tích trung bình dài hạn,
dựa vào tiếp cận xác suất mô tả trong mục 12. 3. Nh một hớng dẫn thô, trong khu
vực nớc có thủy triều chúng là:
dòng chảy lớn nhất của triều cờng trung bình, nếu sóng không đáng kể
dòng chảy lớn nhất của thủy triều trung bình (ví dụ M
2
) ghép nối với sóng có
tần suất 10 %, nếu sóng quan trọng.
Để tính toán chuyển trầm tích dọc bờ, một hớng dẫn thô sẽ xét đến:
sóng có tần suất 20 %.
Trong các vùng dòng chảy gió chiếm u thế, sóng thiết kế và dòng chảy thiết kế
cần phải đợc liên kết với vận tốc gió.
Có thể thực hiện những lựa chọn tốt hơn nếu biết phân bố xác suất của vận tốc
dòng chảy, p
c
(U

i
) và độ cao sóng, p
H
(H
j
). Trong đó, U
i
- vận tốc dòng chảy tại trung
tâm của khoảng thứ i, và H
j
là độ cao sóng tại trung tâm của khoảng thứ j, của biểu
đồ xác suất. Lúc đó dòng chảy thiết kế U
d
, và độ cao sóng thiết kế H
d
, cho bằng :

m
i
ic
m
id
UpUU
/1
)(

(143a)

n
j
jH
n
jd
HpHH
/1
)(








. (143b)
Những giá trị số mũ m và n phụ thuộc vào vấn đề đang xét: đối với ứng suất
trợt tại đáy m = n = 2; đối với dòng di đáy m = n = 3; đối với vận chuyển trầm tích
tổng cộng m và n trong khoảng 3 - 5; đối với vận chuyển dọc bờ n = 2,5.
Những kỹ thuật tiên tiến hơn để chọn một 'thủy triều động lực hình thái'
(Latteux, 1996) hoặc một 'sóng đơn đại biểu' (Chesher và Miles, 1992) cho việc mô
hình hoá chi tiết động lực hình thái đợc phát triển để giảm bớt thời gian tính toán

tới những tỉ lệ quản lý đợc.
Điều quan trọng là ý thức đợc rằng câu trả lời nhận đợc trong tính toán vận
chuyển trầm tích sẽ phụ thuộc có tính quyết định vào sự lựa chọn những điều kiện
đầu vào dòng chảy và sóng, sự lựa chọn này thờng quan trọng hơn sự lựa chọn
phơng pháp sử dụng hoặc sự không thích hợp của mô hình dự báo vận chuyển trầm
tích.
Nh vậy cách tiếp cận sóng và thủy triều thiết kế chỉ sử dụng nếu không thể
hoặc không thực tế khi sử dụng cách tiếp cận xác suất hoặc tiếp cận tuần tự.
173

12.3. Tiếp cận xác suất
Thờng nói rằng vận chuyển trầm tích bị chi phối bởi những sự kiện cực trị.
Điều này chỉ đúng một phần. Một cơn bão cực trị kết hợp với dòng chảy triều cờng
lớn nhất sẽ có tác động lớn nhng rất hiếm khi xuất hiện, trong khi những sóng vừa
phải kết hợp với thuỷ triều trung bình lại xuất hiện rất thờng xuyên. Cả hai sự
kiện có thể có đóng góp nh nhau cho vận chuyển trầm tích dài hạn. Cách tiếp cận
xác suất bao gồm tất cả các tổ hợp có thể có của những sự kiện, đợc tổng hợp bằng
một trọng số phụ thuộc vào tần số xuất hiện của chúng.
Xét trờng hợp trong đó dòng chảy thủy triều chiếm u thế. Phân bố xác suất (ví
dụ theo giờ) vận tốc dòng chảy có thể nhận đợc từ những số đo bằng lu tốc kế hoặc
từ một mô hình số dòng chảy thủy triều. Biểu thị nó bằng p
c
(U
i
), trong đó p
c
là xác
suất xuất hiện của dòng chảy trong khoảng thứ i của vận tốc quy về một vận tốc U
i
.

Khi không có các đo đạc, cũng không có mô hình nào, có thể tổng hợp phân bố xác
suất bằng việc tổ hợp dòng chảy triều cờng và yếu theo từng giờ với các cấp thủy
triều trong năm lấy theo bảng thủy triều.
Trờng sóng (nên đo trong cả một năm hoặc nhiều hơn) có thể trình bày bằng
một bản vẽ rời rạc H
s
-T
z
(hình 12). Nói chung, nó có thể tổng hợp bằng dự báo lùi các
sóng từ một chuỗi dài dữ liệu gió. Vận tốc quỹ đạo đáy RMS đợc tính toán (ví dụ
bằng lý thuyết sóng tuyến tính, mục 4.4) cho mỗi tổ hợp của H
s
và T
z
. Trong tính
toán này có thể sử dụng độ sâu nớc trung bình, miễn là độ lớn thủy triều nhỏ so với
độ sâu nớc trung bình. Số lần xuất hiện trong bản vẽ rời rạc H
s
-T
z
rơi vào trong mỗi
khoảng U
rms
(ví dụ khoảng 0,1 ms
-1
) sẽ đợc cộng lại và chuẩn hóa bằng cách chia cho
toàn bộ số lần xuất hiện để nhận đợc phân bố xác suất của vận tốc quỹ đạo sóng
RMS là p
W
(U

rms,j
).
Bởi vì dòng chảy thủy triều phát sinh bởi những quá trình thiên văn và sóng
phát sinh bởi những quá trình khí tợng, chúng có thể xem xét độc lập thống kê với
nhau. Với giả thiết quan trọng này, xác suất xuất hiện kết hợp của dòng chảy U
i
, và
vận tốc quỹ đạo sóng U
rms,j
là:
)()(),(
,, jrmswicjrmsicw
UpUpUUp . (144)
Lấy suất vận chuyển trầm tích làm ví dụ cho cách tiếp cận, biểu thị suất vận
chuyển trầm tích do tổ hợp của dòng chảy U với vận tốc quỹ đạo sóng U
rms
bằng q(U,
U
rms
). Có thể tính toán đối với một kích thớc hạt đã cho vv, bằng công thức Soulsby
- Van Rijn (phơng trình (136), lấy ví dụ. Suất vận chuyển trầm tích trung bình dài
hạn (thô) q
LT
đợc cho bằng:
),(),(
,, jrms
i j
jrmsicw
LT
UUqUUpq

. (145)
Nh vậy có thể tính toán một tổ hợp những phơng trình (144) và (145) để có
suất vận chuyển trầm tích trung bình thô dài hạn (ví dụ năm) tại một điểm. Nó có
thể áp dụng tại từng điểm lới cho mô hình khu vực ven bờ (mục 11.1) để nhận đợc
phân bố vận chuyển trầm tích trung bình năm cho một khu vực.
174

Một mở rộng của phơng pháp trên là chia nhỏ dòng chảy theo các hớng (ví dụ
cứ mỗi 30
o
), và lặp lại những tính toán trên theo mỗi nhóm hớng. Tính toán bằng
phơng trình (145) sẽ cho ta suất vận chuyển trầm tích trung bình dài hạn và hớng
trong mỗi nhóm hớng, có thể phân tích ra những thành phần theo hớng x (q
kLT,x
)
và y (q
kLT,y
) cho nhóm hớng thứ k. Vectơ vận chuyển trầm tích ròng trung bình dài
hạn bằng:

k
yLT
k
k
xLT
k
LT
qqq
,,
,
(146)
(146) có thể sử dụng để tính toán đờng vận chuyển và độ lớn trầm tích trung bình
dài hạn.


Hình 33. Những đóng góp (o/oo) bởi tổ hợp sóng và dòng chảy cho vận chuyển trầm tích trung bình
dài hạn

Suất vận chuyển trầm tích thô (phơng trình (145)) là mô đun trung bình q
không xét tới hớng, trong khi suất vận chuyển trầm tích ròng (phơng trình (146))
là trung bình vectơ của q có kể đến hớng.
Những phơng pháp tơng tự có thể sử dụng cho những loại vấn đề khác.
175

Đối với những vấn đề xói lở và di động đáy biển, biểu thị ứng suất trợt cực đại
tại đáy do dòng chảy U
i

và vận tốc quỹ đạo sóng U
w,j
bằng
max
(U
i
,U
w,j
). Đây phải là
thành phần ma sát lớp đệm và có thể tính toán bằng một trong các phơng pháp mô
tả trong mục 5.3. Xác suất lũy tích của ứng suất trợt vợt quá một giá trị đặc trng

cr
, nhận đợc bằng cách cộng những xác suất kết hợp p
cw
đã cho bởi phơng trình
(144) của tất cả các tổ hợp của U
i
và U
w,j
mà làm cho
max
vợt quá
cr.
. Nếu
cr
là
ngỡng ứng suất trợt cho sự ổn định của một đề xuất chống xói, tính toán ở trên cho
ta xác suất hàng năm phải chống xói. Đối vơí vấn đề di động đáy biển, nếu
cr

là
ngỡng chuyển động của vật liệu đáy, tính toán cho ta tỷ lệ biến động đáy trong
năm.
Với vấn đề xâm thực trầm tích, biểu thị nồng độ trầm tích lơ lửng do dòng chảy
U
i
, và vận tốc quỹ đạo sóng U
w,j
tại độ cao của công trình lấy nớc là C(U
i
, U
w,j
). Có
thể tính toán nó bằng những phơng pháp mô tả trong mục 8.6. Nh vậy nồng độ
trầm tích lơ lửng trung bình hàng năm tại công trình lấy nớc bằng:

),(),(
,, jw
i j
jwicw
LT
UUCUUpC



. (147)
Lợng trầm tích hàng năm nhận đợc bằng cách nhân C
LT
với thể tích nớc đi
qua công trình trong một năm.

Đối với những phơng pháp trên, cần tính toán vận tốc quỹ đạo đáy của sóng
đơn tơng đơng U
w
, chứ không phải là U
rms
, vì những phơng trình tơng ứng đối
với ứng suất trợt tại đáy và nồng độ trầm tích lơ lửng đợc cho dới dạng những
sóng đơn. Trong hợp này, phải chuyển đổi

rmsw
UU 2
. (148)
Có thể thực hiện những bổ sung tinh vi để mở rộng hợp lý những phơng pháp
nói trên. Chúng gồm những tính toán cho các mực nớc đặc trng liên quan đến vận
tốc dòng chảy trong các trờng hợp độ lớn thủy triều không phải nhỏ so với độ sâu
nớc. Một ví dụ khác là tính toán thể tích trầm tích xâm thực phân chia theo nhóm
kích thớc hạt.
Có lẽ giả thiết cực đoan nhất trong phơng pháp nói trên là ở sự độc lập của
dòng chảy và sóng sử dụng trong phơng trình (144). Trong khi giả thiết này khá tốt
cho những khu vực mà dòng chảy u thế nh vùng thềm lục địa phía Tây Bắc châu
Âu, nó lại không phù hợp trong các khu vực trong đó dòng chảy gió hoặc dòng chảy
do nớc dâng thống trị nh ở phía Bắc của biển Bắc và thềm lục địa Bắc Mỹ. Nó
cũng không thích hợp trong vùng sóng đổ trong đó dòng chảy dọc bờ do sóng chiếm
u thế.
Thậm chí trong các khu vực thủy triều thống trị, hầu hết những dòng chảy cực
trị đều có thành phần do gió. Nếu U và U
rms
tơng quan một phần, xác suất kết hợp
của chúng trở nên lớn hơn nhiều đối với những sự kiện cực trị, do vậy chúng đóng
góp lớn hơn cho trung bình dài hạn. Nếu sóng và dòng chảy hoàn toàn tơng quan

thì vấn đề thật sự đơn giản, bởi vì một phân bố xác suất đơn (của độ cao sóng hoặc
vận tốc gió) là đủ. Những trờng hợp tơng quan một phần (đặc biệt với sự phụ
176

thuộc về hớng) thì phức tạp hơn nhiều. Trong các trờng hợp này, cách tiếp cận
tuần tự hoặc cách tiếp cận thống kê dựa vào một số lợng hạn chế của hiện thực có
thể cần thiết.
Những chi tiết hơn của tiếp cận xác suất do Soulsby (1987b) đa ra đối với suất
vận chuyển trầm tích thô.
Một ví dụ áp dụng cho một tuyến tại phía Nam Biển Bắc, nơi sẵn có những tập
hợp dữ liệu dài hạn của dòng chảy và sóng, do Soulsby đa ra (1987b). Minh họa ví
dụ này cho trong hình 33, trong đó những đóng góp (phần nghìn) bởi mỗi tổ hợp của
sóng và dòng chảy đợc chỉ ra. Thấy rằng những đóng góp lớn ( > 10 o/oo) là do dòng
chảy nằm giữa các đỉnh triều cờng trung bình và triều yếu trung bình, kết hợp với
sóng trong phạm vi 1,5 < H
s
< 3,8 m. Nó tơng ứng với tần suất trong phạm vi 33 %-
2 %. Những đóng góp lớn nhất (19 - 20 o/oo) là do dòng chảy ở chính giữa những đỉnh
triều cờng trung bình và triều yếu trung bình, kết hợp với sóng H
s
= 2,5 m ứng với
tần suất 9%.
12.4. Tiếp cận tuần tự
Cách tiếp cận xác suất sử dụng những phân bố chính xác của dòng chảy và sóng
làm đầu vào cho vấn đề vận chuyển trầm tích, nhng không xét đến sự liên tục trong
đó chúng xuất hiện. Trong một vài loại ứng dụng, đặc biệt là vấn đề động lực hình
thái, sự tuần tự (hoặc tính niên đại) có thể quan trọng. Trong cách tiếp cận này, dòng
chảy (hoặc mực nớc) và sóng phải đợc nhập vào tại mỗi bớc thời gian thông qua
sự mô phỏng dài hạn.
Một ví dụ là tính toán bãi phẳng (xem mục 11.1), trong đó sự hình thành một

đặc tính đờng bờ có thể ảnh hởng đến bức tranh truyền sóng sau đó. Vì những mô
hình bãi phẳng tơng đối đơn giản, điều khả thi cho tính toán là chạy với một chuỗi
sóng theo từng giờ của 30 năm liên tục.
Những mô hình mặt cắt ven bờ cũng có thể chạy cho những chuỗi tơng đối dài.
Southgate (1995b) lấy chuỗi bốn tháng số liệu sóng từng giờ, chia nó thành năm
đoạn, và sắp xếp nó lại theo 120 chuỗi khả thi. Các chuỗi này đợc sử dụng làm đầu
vào cho mô hình mặt cắt ven bờ COSMOS-2D với một bãi biển phẳng lúc ban đầu.
120 mặt cắt kết quả cuối cùng cho thấy những biến đổi lớn về hình dạng, mà không
phụ thuộc nhiều vào đoạn cuối cùng của dữ liệu đa vào, thể hiện rằng tính tuần tự
là quan trọng.
Những mô hình số cho động lực hình thái bùn đặc biệt nhạy cảm với tính tuần
tự, trong trờng hợp này là sự liên tục của thủy triều, do hiệu ứng lịch sử sản sinh
bởi sự nén của đáy. Điều này làm cho trạng thái bùn khi thủy triều tăng từ triều yếu
đến triều cờng khác với trạng thái bùn khi thủy triều giảm từ triều cờng đến triều
yếu.
Một khó khăn đối với cách tiếp cận tuần tự là sự liên tục của sóng làm đầu vào
cho một chu kỳ nhiều năm trong tơng lai cha đợc biết trớc. Phải sử dụng một
chuỗi đo đạc liên tiếp trớc đây, hoặc là tạo ra một chuỗi tổng hợp theo thời gian với
177

trờng sóng thống kê chính xác và chuỗi liên tiếp hợp lý của các sự kiện. Điều này
dẫn đến kết quả hình thái cuối cùng. Nó có thể phân tích dới dạng những xu thế,
những biến thiên và những cực trị. Một cách lý tởng, cần phải tiến hành một số lớn
( 30) các kết quả khác nhau, và những kết quả phải đợc phân tích bằng thống kê.
Những kết quả phải thể hiện ở dạng các số hạng thống kê, hoặc các rủi ro.
Quy trình nói trên làm nảy sinh các câu hỏi: làm sao để tạo ra những chuỗi đầu
vào trong một trạng thái hiện thực về mặt vật lý; liệu những mô hình phát triển cho
những ứng dụng tơng đối ngắn hạn có làm việc chính xác cho những thời hạn dài
hay không và làm sao để phân tích và trình bày những kết quả.
Thời lợng tính toán trên máy có thể cũng cản trở, đặc biệt đối với các nghiên

cứu t vấn với ngân quỹ ngặt nghèo. Trong một vài trờng hợp yêu cầu về thời gian
máy tính là hoàn toàn không thực tế: ví dụ, để chạy 30 lần cho những dự đoán 10
năm liên tục với việc sử dụng lới chia mịn cho khu vực ven bờ, một mô hình động
lực hình thái (ở thời điểm này) sẽ mất khoảng 100 năm liên tục tính toán trên máy
tính trạm có tốc độ cao! Những điều đó và những vấn đề liên quan hiện nay còn đang
đợc nghiên cứu. Chúng đợc bàn luận sâu hơn trong cuốn sách hiện đại về động lực
hình thái của de Vriend (đang chuẩn bị).