Nghiên cứu chế độ trường sóng và tác động của nó đến biến động suy thoái bãi biển nha trang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VŨ THẮNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ TRƯỜNG SÓNG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA NÓ ĐẾN
BIẾN ĐỘNG – SUY THOÁI BÃI BIỂN NHA TRANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

Hà nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VŨ THẮNG

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ TRƯỜNG SÓNG VÀ TÁC ĐỘNG CỦA NÓ ĐẾN
BIẾN ĐỘNG – SUY THOÁI BÃI BIỂN NHA TRANG

Ngành: Cơ kỹ thuật
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 60.52.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Mạnh Hùng

Hà nội – 2015

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn: “Nghiên cứu chế độ trường sóng và tác động của
nó đến biến động – suy thoái bãi biển Nha Trang” là kết quả nghiên cứu của
riêng tôi với sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Mạnh Hùng. Các số liệu nêu ra
và trích dẫn trong luận văn là trung thực không phải là sao ch p toàn văn của
t k tài liệu hay công tr nh nghi n cứu nào kh c mà không ch r trong tài liệu
tham khảo
Hà Nội, ngày 9 tháng 10 năm 2015
Tác giả luận văn

Nguyễn Vũ Thắng


ii

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành bài luận văn này tôi xin ày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc
tới: Ban giám hiệu trƣờng Đại học Công nghệ khoa Cơ học kỹ thuật, Phòng Sau đại
học đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này
Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cơ quan nơi tôi
công t c đã tạo điều kiện về mặt thời gian, kinh phí và các thủ tục hành chính trong
suốt quá trình học tập.
PGS. TS Nguyễn Mạnh Hùng - ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn giúp đỡ và tạo mọi
điều kiện trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này
C c đồng nghiệp tại Phòng Cơ học và Môi trƣờng Biển đã giúp đỡ tôi trong suốt
thời gian làm luận văn
Nhiệm vụ hợp tác quốc tế: Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận chuyển

bùn cát vùng cửa sông và bờ biển vịnh Nha Trang, t nh Khánh Hòa do PGS.TS.
Nguyễn Trung Việt chủ nhiệm. Nhiệm vụ đã cung c p cho tôi số liệu đo đạc về địa
hình, sóng và mặt cắt bãi biển Nha Trang.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn c c thầy cô trong Khoa Cơ học kỹ thuật đã
tận tính dạy dỗ và truyền thụ kiến thức cho tôi trong những năm học vừa qua.


iii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ
TIẾN HÀNH CHO KHU VỰC VỊNH NHA TRANG ...................................................3
1.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu .......................................................................3
1.1.1. Đặc điểm kinh tế xã hội ...............................................................................3
1.1.2. C c điều kiện tự nhiên .................................................................................4
1.2. Các nghiên cứu về trƣờng sóng và biến đổi ãi đã tiến hành cho khu vực ..........6
1.2.1. Tình hình nghiên cứu tính toán sóng và vận chuyển bùn cát ......................6
1.2.2. Các nghiên cứu về trƣờng sóng khu vực vịnh Nha Trang ...........................7
1.2.3. Các nghiên cứu về biến đổi bãi khu vực vịnh Nha Trang ...........................8
CHƢƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC MÔ HÌNH ĐƢỢC SỬ DỤNG ĐỂ TÍNH
TOÁN TRONG LUẬN VĂN .........................................................................................9
2 1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWAN...........................................................................9
2.1.1. Giới thiệu mô hình.........................................................................................9
2.1.2 C c phƣơng tr nh cơ ản ...............................................................................9
2.2. Cơ sở lý thuyết các mô hình tính sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong
hệ thống mô hình SMS (CMS-flow và CMS-wave) .................................................12
2 2 1 Cơ sở lý thuyết mô hình CMS-flow ............................................................ 12
2 2 2 Cơ sở lý thuyết mô hình CMS-wave ...........................................................22
2.2.3. Kết nối giữa các mô hình CMS-flow và CMS-wave ..................................25

2 3 Cơ sở lý thuyết mô hình SBEACH: ...................................................................26
CHƢƠNG III – ÁP DỤNG CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CÁC YẾU TỐ ĐỘNG
LỰC VÀ BÙN CÁT CHO KHU VỰC BÃI BIỂN NHA TRANG VÀ CÁC KẾT QUẢ
NHẬN ĐƢỢC ...............................................................................................................30
3.1. Thu thập số liệu sóng vùng nƣớc sâu .................................................................30
3.2. Tính sóng lan truyền từ vùng nƣớc sâu vào khu vực ven bờ vịnh Nha Trang
bằng mô hình SWAN ................................................................................................ 32
3.2.1. Miền tính và lƣới tính: .................................................................................32
3.2.2. Kiểm chứng mô hình tính sóng: ..................................................................33
3.2.3. Kết quả tính lan truyền sóng từ vùng nƣớc sâu vào vịnh Nha Trang: ........37
3.3. Thiết lập các thông số trong mô hình CMS-wave và CMS-flow .......................39


iv

3.3.1. Thiết lập thông số trong mô hình CMS-wave .............................................39
3.3.2. Thiết lập thông số trong mô hình CMS-flow ..............................................41
3.3.3. Thiết lập thông số kết nối giữa hai mô hình CMS-flow và CMS-wave: ....43
3.4. Các kết quả tính toán ..........................................................................................44
3.5. Phân tích kết quả tính toán biến động ãi đ y iển khu vực bãi biển Nha Trang
dƣới t c động của c c trƣờng sóng thịnh hành ..........................................................52
3.6. Tính toán biến động bãi biển Nha Trang dƣới t c động của bão .......................53
3.6.1. Thiết lập thông số trong mô hình SBEACH ...............................................53
3.6.2. Kết quả tính mô hình SBEACH ..................................................................54
3 7 Sơ ộ nhận x t và đề xu t các giải pháp ổn định bãi ........................................54
KẾT LUẬN ...................................................................................................................56


v

DANH MỤC CÁC HÌNH
H nh 2 1 Sơ đồ “Avalanching” trong mô hình SBEACH
Hình 3.1. Trích một đoạn số liệu th ng 1 năm 1988 của bộ số liệu trƣờng sóng thu thập
đƣợc
H nh 3 2 Lƣới tính sóng theo mô hình SWAN cho khu vực Vịnh Nha Trang và lân
cận
Hình 3.3. Vị trí trạm đo đạc các tham số sóng
Hình 3.4. So s nh độ cao sóng tính toán và thực đo tại trạm A tháng 5/2013
Hình 3.5. So sánh chu k sóng tính toán và thực đo tại trạm A tháng 5/2013
H nh 3 6 So s nh độ cao sóng tính toán và thực đo tại trạm A tháng 12/2013
Hình 3.7. So sánh chu k sóng tính toán và thực đo tại trạm A tháng 12/2013
H nh 3 8 Lƣới tính CMS-wave
Hình 3.9. Thiết lập các thông số chính của CMS-wave
H nh 3 10 Điều kiện phổ sóng tại biên CMS-wave
H nh 3 11 Lƣới tính CMS-flow
Hình 3.12. Thiết lập các thông số chính trong mô hình CMS-flow
Hình 3.13. Các thông số tính toán VCBC
Hình 3.14. Giao diện điều khiển tính toán cặp đồng thời giữa hai mô hình
Hình 3.15. Vị trí 3 mặt cắt đƣợc sử dụng trong trích xu t số liệu
Hình 3.16. Bản đồ phân bố trƣờng sóng ứng với hƣớng sóng NE
H nh 3 17 Địa h nh đ y iển khu vực bãi Nha Trang sau khi tính toán với hƣớng sóng
NE
Hình 3.18. Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 1 dƣới sự t c động hƣớng sóng NE
Hình 3.19. Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 2 dƣới sự t c động hƣớng sóng NE
Hình 3.20. Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 3 dƣới sự t c động hƣớng sóng NE
Hình 3.21. Bản đồ phân bố trƣờng sóng ứng với hƣớng sóng E
H nh 3 22 Địa h nh đ y iển khu vực bãi Nha Trang sau khi tính toán với hƣớng sóng
E
Hình 3.23. Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 1 dƣới sự t c động hƣớng sóng E
Hình 3.24. Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 2 dƣới sự t c động hƣớng sóng E

Hình 3.25. Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 3 dƣới sự t c động hƣớng sóng E
Hình 3.26. Bản đồ phân bố trƣờng sóng ứng với hƣớng sóng SE
H nh 3 27 Địa h nh đ y iển khu vực bãi Nha Trang sau khi tính toán với hƣớng sóng
SE
Hình 3.28. Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 1 dƣới sự t c động hƣớng sóng SE
Hình 3.29. Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 2 dƣới sự t c động hƣớng sóng SE
Hình 3.30. Bản đồ biến động bãi biển tại mặt cắt 3 dƣới sự t c động hƣớng sóng SE
Hình 3.31. Biến động địa hình bãi tại mặt cắt số 1 dƣới t c động của c c hƣớng sóng
thịnh hành trong năm NE, E và SE
Hình 3.32. Biến động địa hình bãi biển tại mặt cắt số 2 dƣới t c động của c c hƣớng
sóng thịnh hành trong năm NE E và SE
Hình 3.33. Biến động địa hình bãi biển tại mặt cắt số 3 dƣới t c động của c c hƣớng
sóng thịnh hành trong năm NE E và SE
Hình 3.34. Mực nƣớc trong 2 ngày 09,10-11-2013 tại khu vực Nha Trang
Hình 3.35. Kết quả tính toán bằng mô hình SBEACH


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Tần su t (%) xu t hiện c c độ cao sóng theo c c hƣớng
Bảng 3.2. Bảng độ cao sóng trung

nh theo c c hƣớng tại độ sâu 90m

Bảng 3.3. Bảng chu k sóng trung

nh theo c c hƣớng tại độ sâu 90m

Bảng 3.4. Bảng độ cao sóng trung bình tại độ sâu 15m

Bảng 3.5. Bảng chu k sóng trung bình tại độ sâu 15m
Bảng 3.6. Hình thế trƣờng sóng theo hƣớng t c động
Bảng 3.7. Số liệu địa hình mặt cắt bãi biển trƣớc và sau bão


vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
SMS
trong tầng mặt

Surface-water Modeling System - Hệ thống các mô hình tính

CMS – wave
Coastal Modeling System – wave - Hệ thống các mô hình tính
vùng ven bờ - tính sóng
CMS – flow
Coastal Modeling System – flow - Hệ thống các mô hình tính
vùng ven bờ - tính dòng chảy
SWAN

Simulating WAve Nearshore – Mô hình tính sóng gần bờ

STWAVE

STeady state spectral WAVE – Mô hinh tính sóng phổ ổn định

SBEACH
Storm-induced BEAch Change - Mô hình tính biến đổi mặt cắt
vuông góc với bờ do bão

VCBC

Vận Chuyển Bùn Cát

NT

Nha Trang


1

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây khu vực bãi biển Nha Trang đang phải đối mặt với một
số vần đề cần đƣợc giải quyết nhƣ v n đề môi trƣờng và biến động – suy thoái bãi.
Biến động – suy thoái bãi ở đây đƣợc hiểu là các quá trình nhƣ xói lở, m t bãi, biến
động địa h nh dƣới mặt nƣớc tạo ra c c ar sâu ngay s t m p nƣớc hay xu t hiện các
hiện tƣợng động lực ven bờ nhƣ dòng t ch ờ (rip currents), các xoáy cục bộ khu vực
ven bờ. Những hiện tƣợng tr n đƣợc x c định là sự suy thoái bãi biển gây m t bãi tắm
tại khu vực dọc bờ biển vịnh Nha Trang ảnh hƣởng trực tiếp đến một trong những thế
mạnh nh t của nơi đây là ngh dƣỡng, tắm biển. Các yếu tố động lực biển bao gồm
sóng, dòng chảy, mực nƣớc và vận chuyển bùn cát (VCBC) là các tham số đầu vào
quyết định đến sự suy thoái của bãi.
Nhà nƣớc ta từ lâu đã nhận thức đƣợc tầm quan trọng của v n đề biến động cửa
sông, bờ biển n n đã triển khai nhiều công trình, đề tài, dự án nhằm điều tra, thu thập,
x c định hiện trạng bồi xói, theo dõi diễn biến địa hình ở các vùng trọng điểm, xây
dựng các luận cứ khoa học cho các giải pháp phòng chống Tuy nhi n do đặc điểm
phức tạp vùng cửa sông, ven biển dƣới t c động của các yếu tố động lực biển, gió mùa
và bão, hiện vẫn chƣa có đƣợc những kết quả phân tích đ nh gi hoặc tính toán cho
phép lý giải cơ chế và dự báo diễn biến của c c đặc trƣng thủy động lực và bùn cát
phục vụ cho phát triển kinh tế, xã hội. Ngoài ra, trong điều kiện t c động của biến đổi

khí hậu, việc tính toán các quá trình này và hậu quả của nó là biến đổi bãi biển, bờ
biển càng trở lên phức tạp hơn. Hầu hết các quy trình và mô hình sử dụng đều chƣa có
điều kiện kiểm tra và hiệu ch nh chi tiết và đồng bộ đối với điều kiện Việt Nam. V n
đề suy thoái của bãi tắm Nha Trang ngay cả sau khi có các công trình bảo vệ đã đƣợc
Ủy ban nhân dân t nh Kh nh Hòa quan tâm đặc biệt. Ngày 08/03/2012, Sở Khoa học
và Công nghệ Khánh Hòa tổ chức hội thảo khoa học: “Đề xu t giải pháp khoa học
công nghệ nhằm nâng c p bãi biển Nha Trang phục vụ du lịch và phát triển bền vững”
với sự tham gia của c c chuy n gia đầu ngành về hải dƣơng học, công trình biển và
quản lý môi trƣờng.
Nhận thức đƣợc mức độ c p thiết của v n đề biến động – suy thoái khu vực bãi
biển Nha Trang, tôi lựa chọn hƣớng nghiên cứu với đề tài: “nghiên cứu chế độ trường
sóng và tác động của nó đến biến động – suy thoái bãi biển Nha Trang".
Luận văn có các mục tiêu nhƣ sau:
-

-

Có đƣợc chế độ trƣờng sóng vùng nƣớc sâu khu vực vịnh Nha Trang
Dựa vào phƣơng ph p tính to n lan truyền trƣờng sóng vùng nƣớc sâu vào khu
vực ãi iển Nha Trang có đƣợc c c h nh thế trƣờng sóng thịnh hành t c động
đến đ y iển ãi iển Nha Trang
Đ nh gi đƣợc c c iến động đ y iển ãi iển Nha Trang qua c c kết quả tính
to n iến đổi đ y theo c c mô h nh tính hiện đại
Sơ ộ nhận x t và đƣa ra c c giải ph p nhằm ổn định ãi

Luận văn ao gồm: Mở đầu chƣơng I - Tổng quan về khu vực và tình hình nghiên
cứu đã tiến hành cho khu vực vịnh Nha Trang chƣơng II - Cơ sở lý thuyết các mô
h nh đƣợc sử dụng để tính toán trong luận văn chƣơng III - Áp dụng các mô hình tính
toán các yếu tố động lực và bùn cát cho khu vực bãi biển Nha Trang và các kết quả
nhận đƣợc, cuối cùng là kết luận.

2

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn góp phần bổ sung thêm các thông tin khoa
học về nghiên cứu đ nh gi sự biến đổi, suy thoái bãi biển Nha Trang nhằm đẩy mạnh
việc áp dụng tiến bộ khoa học và công nghệ nói chung, khoa học và công nghệ biển
nói riêng vào phục vụ phát triển kinh tế, xã hội của đ t nƣớc.


3

CHƢƠNG I – TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
ĐÃ TIẾN HÀNH CHO KHU VỰC VỊNH NHA TRANG
1.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu
1.1.1. Đặc điểm kinh tế xã hội
Thành phố Nha Trang có tổng diện tích đ t tự nhiên là 252.6 km2, dân số tính đến
ngày 31/12/2007 là 371879 ngƣời với 27 đơn vị hành chính gồm 19 phƣờng và 08 xã.
Nha Trang có 19 đảo đảo lớn nh t là Hòn Tre rộng 36 km2 vừa có thể coi nhƣ đảo,
vừa có tính ch t nhƣ đ t liền đã đƣợc xây dựng dự n Vinpearl để tôn tạo trở thành
cảnh quan văn hóa độc đ o; đảo Hòn Mun là trung tâm của khu bảo tồn đa dạng sinh
học biển đầu tiên của Việt Nam với các rạn san hô, rong tảo, nhiều nhóm cá khác
nhau động vật không xƣơng sống nhƣ hải sâm, cầu gai, ốc đụn, sao biển gai... Bãi
biển Nha Trang nằm sát trung tâm thành phố, là bãi tắm sạch đẹp, r t h p dẫn du
khách. Ngoài ra, còn có nhiều di tích lịch sử - văn ho và danh lam thắng cảnh nổi
tiếng: Tháp Bà Ponagar, Chùa Long Sơn Nhà thờ Chánh tòa, Bảo tàng Yersin, Dinh
thự Vua Bảo Đại, Danh thắng Hòn Chồng - Hòn Đỏ đảo Bãi Trũ Bãi Ti n là nguồn
tiềm năng lớn để phát triển du lịch Nha Trang còn có c c trƣờng Đại học trƣờng Cao
Đẳng trƣờng dạy nghề và các trung tâm chuy n ngành có ý nghĩa vùng nhƣ Viện
Pasteur, Viện Vắcxin, Viện Hải dƣơng học, Học viện Hải quân... là một trong những

yếu tố thuận lợi giúp cho nguồn nhân lực của thành phố có tr nh độ tƣơng đối cao
hơn so với c c địa phƣơng lân cận.
Cơ c u kinh tế chính của thành phố Nha Trang là: công nghiệp, nông nghiệp, du
lịch và dịch vụ.
Các ngành công nghiệp chủ yếu là: Chế biển thực phẩm; Công nghiệp dệt, da, may
mặc; Công nghiệp sản xu t vật liệu xây dựng; Công nghiệp cơ khí hóa ch t (Nhà máy
sữa chữa ôtô, tàu thuyền, ch t tẩy rửa…); Công nghiệp chế biến gỗ. Hoạt động sản
xu t nông nghiệp cũng đóng vai trò lớn trong tỷ trọng kinh tế của thành phố nhƣng
cũng góp phần làm suy giảm ch t lƣợng môi trƣờng. Kinh tế thủy sản cũng là một thế
mạnh của Khánh Hòa nói chung và của Nha Trang nói riêng. Tuy nhiên, với phƣơng
thức khai thác vẫn còn lạc hậu, các nguồn lợi tài nguy n và môi trƣờng biển luôn bị đe
dọa và ngày càng cạn kiệt. Kinh tế du lịch cũng là một trong những ngành mũi nhọn
của thành phố và t nh Nhƣng đây cũng là một lĩnh vực có nhiều sức p đối với các
v n đề tài nguy n môi trƣờng, xã hội cho các nhà quản lý, các nhà khoa học cũng nhƣ
toàn thể cộng đồng. Ngành giao thông vận tải biển đã và đang đƣợc chú ý đầu tƣ và
phát triển ở Nha Trang. Hệ thống cảng Cầu Đ đang thực hiện nhiệm vụ trung chuyển
hàng hóa với trọng tải tƣơng đối lớn nơi neo đậu của các tàu khách du lịch trong nƣớc
và quốc tế. Dọc theo bờ biển Nha Trang còn có cảng Hải quân đồng thời là cảng tiếp
nhận xăng dầu. Cảng cá ở cầu Hà Ra và Cửa Bé. Tuy nhiên, đó cũng là những điểm
nóng có khả năng làm ô nhiễm vùng vịnh [6].


4

1.1.2. Các điều kiện tự nhiên
Vị trí địa lí: Vịnh Nha Trang nằm phía đông thành phố Nha Trang, thuộc t nh
Khánh Hòa, giới hạn phía bắc là mũi K Gà phía nam là mũi Đông Ba. Với diện tích
khoảng 500km2, vịnh Nha Trang đƣợc che chắn bởi 19 đảo lớn nhỏ đảo lớn nh t là
đảo Hòn Tre. Vị trí và sự tồn tại của c c đảo này làm cho vịnh Nha Trang vừa có
những n t đẹp riêng, vừa có những đặc trƣng thủy văn động lực phức tạp.

Đặc điểm trƣờng gió:
Mùa gió mùa đông ắc: mùa gió mùa đông ắc bắt đầu từ th ng 11 và k o dài đến
th ng 3 năm sau Trong mùa này ảnh hƣởng của p cao châu Á thƣờng gọi là áp cao
Sibia phát triển mạnh, khống chế toàn bộ vùng Biển Đông đến tận vĩ độ 10 độ bắc. Gió
hƣớng bắc vào đầu mùa và hƣớng đông ắc vào giữa mùa thịnh hành trên toàn vùng
Biển Đông ổn định trong thời gian mỗi đợt chừng 5-7 ngày tạo ra sóng r t lớn ở vùng
ngoài khơi Có thể phân chia mùa gió mùa đông ắc thành hai thời k . Thời k đầu với
khối không khí thƣờng là khối không khí biến tính qua lục địa nên thời tiết thƣờng
hanh khô, gió thịnh hành hƣớng bắc đông ắc và mạnh, ổn định. Thời k cuối mùa
gió đông ắc, vào tháng 2 tháng 3 là mùa suy thoái của gió mùa đông ắc với sự su t
hiện của áp cao phụ khu vực biển Đông tạo ra loại hình thời tiết ẩm mƣa phùn với
khối không khí biến tính qua biển. Gió thịnh hành trong thời gian này là gió đông ắc,
đông đông ắc và kém ổn định cùng với tốc độ yếu hơn thời k đầu. Về thời gian tác
dụng gió mùa đông ắc thuộc dạng hình thế thời tiết syn-nốp tự nhiên với thời gian
tác dụng liên tục mỗi đợt từ 5 đến 7 ngày, tuy nhiên r t thƣờng xuy n có c c đợt gió
mùa bổ sung.
Mùa gió mùa tây nam: mùa gió mùa tây nam còn gọi là gió mùa mùa hè bắt đầu từ
tháng 5 và kết thúc vào tháng 9. Gió mùa tây nam hoạt động mạnh nh t tại khu vực
phía nam Biển Đông với hƣớng thịnh hành là hƣớng tây nam l n đến vùng giữa và
bắc Biển Đông hƣớng gió thịnh hành trong gió mùa tây nam chuyển dần sang nam tây
nam và nam. Tại khu vực ngoài khơi Nha Trang gió mùa tây nam có hƣớng thịnh
hành là hƣớng nam và thƣờng có chu k khá lớn (dạng sóng lừng), t c động r t mạnh
đến biến động bờ biển.
Mùa bão và áp th p nhiệt đới: đối với khu vực nghiên cứu, mùa bão kéo dài từ
th ng 5 đến tháng 12. Quy luật hoạt động của bão khá phức tạp và còn nhiều v n đề
hiện nay chƣa lý giải đƣợc. Theo số liệu thống kê của khoảng 80 năm trở lại đây hàng
năm có khoảng 1-12 cơn ão và p th p nhiệt đới đổ bộ vào vùng biển và ven bờ nƣớc
ta. Tính trung bình mỗi năm có 6 cơn ão và p th p nhiệt đới trong đó có khoảng 2530% số cơn xu t hiện trong khu vực đông nam Biển Đông Do sự xê dịch theo mùa
của đƣờng đi của bão, mùa bão có xu thế chậm dần từ bắc xuống nam. Khu vực ven bờ
biển Nha Trang, theo số liệu thống kê nhiều năm hàng năm chịu ảnh hƣởng của 1-2

cơn ão [1].


5

Đặc điểm thủy văn sông ngòi: Với đặc trƣng của địa hình khu vực miền Trung,
các sông suối trong lƣu vực t nh Kh nh Hòa đều ngắn và dốc. Dọc bờ biển, cứ khoảng
5 – 7km có một cửa sông. Tuy nhiên, phần lớn c c con sông này đều nhỏ Đ ng chú ý
là hai con sông lớn nh t bao gồm Sông Cái Nha Trang và Sông Cái Ninh Hòa. Sông
Cái Nha Trang (còn có tên là sông Phú Lộc, sông Cù, ở phần thƣợng lƣu có t n là sông
Thác Ngựa) có độ dài 79 km, bắt nguồn từ hòn Gia Lê cao 1.812 m chảy qua Khánh
Vĩnh Di n Kh nh Nha Trang rồi đổ ra biển. Khi chảy đến địa phận thôn Xuân Lạc
(xã Vĩnh Ngọc) th chia làm hai chi lƣu Một chi lƣu, chảy men theo núi Đồng Bò đổ
ra biển qua Cửa Bé (Tiểu Cù Huân). Chi thứ hai, chảy xuống Ngọc Hội, lại chia làm
hai nhánh. Một nhánh chảy qua cầu Xóm Bóng, qua Cửa Lớn (Đại Cù Huân) và chảy
ra biển. Nhánh thứ hai, chảy qua cầu Hà Ra, qua Xóm Cồn, rẽ lên phía Bắc rồi hội
nƣớc vào dòng chính, chảy ra biển qua Cửa Lớn (Đại Cù Huân). Giữa hai nhánh sông
này, nổi lên các cồn ãi nhƣ Cồn Dê, Hải Đảo, Xóm Cồn. Sông Dinh (còn gọi là sông
C i Ninh Hòa sông Vĩnh An sông Vĩnh Phú ) ắt nguồn từ vùng núi Chƣ H'Mƣ
(đ nh cao 2.051 m) thuộc dãy Vọng Phu, chảy theo hƣớng bắc nam khi đến
Eakrơngru dòng sông mở rộng và chảy lệch sang hƣớng Tây Bắc - Đông Nam. Qua
khỏi Dục Mỹ, về phía hạ lƣu sông nhận th m nƣớc của suối Bông và đến Tân Lạc,
sông nhận th m nƣớc của suối Trầu. Chảy đến Ngũ Mỹ sông đổi hƣớng Tây - Đông,
cách Ninh Hòa khoảng một cây số, sông nhận th m nƣớc của sông Đ Bàn và sông
Tân Lan, cách cửa một cây số, còn nhận th m nƣớc của sông Chủ Chay (sông Dõng).
Các phụ lƣu lớn (Đ Bàn Tân Lan Chủ Chay) hội với dòng chính ở hạ lƣu tạo thành
mạng với sông Dinh, có dạng hình nan quạt, với tổng diện tích lƣu vực 985 km2, bao
trùm toàn bộ huyện Ninh Hòa. Sau khi chảy qua thị tr n Ninh Hòa, sông lại chia ra
nhiều nhánh nhỏ nhƣ lạch Nga Hầu, lạch Nga Dã, lạch Ngòi Sau, lạch Cồn Ngao, rồi
qua cửa Hà Li n đổ ra đầm Nha Phu. Ngoài ra, phía nam vịnh Nha Trang còn có thêm

sông Tắc là con sông tƣơng đối nhỏ [4], [5].
Đặc điểm trƣờng dòng chảy: Dòng chảy vịnh Nha Trang chịu ảnh hƣởng chủ yếu
bởi ba yếu tố chính: Hệ thống gió mùa và gió địa phƣơng địa hình khu vực vịnh, quá
trình truyền triều từ biển vào. Nhìn chung, trong mùa gió Đông Bắc hƣớng dòng chảy
lớp bề mặt phần lớn chảy theo hƣớng Nam – Tây Nam, lệch góc so với hƣớng gió
không quá 45°. Dọc theo dải sát bờ và eo biển phía nam, dòng chảy bị ép theo hƣớng
dọc bờ. Vào thời k gió mùa Tây Nam, dòng chảy tầng mặt thƣờng có hƣớng Bắc –
Đông Bắc. Các phân tích, thống kê từ các số liệu thực đo cho th y rằng: Tốc độ dòng
cực đại ghi nhận đƣợc có thể l n đến 50cm/s Trong đó thành phần dòng không triều
(chủ yếu là dòng gió kết hợp dòng quán tính) có thể đạt 25cm/s Khi chƣa có gió mùa
Đông ắc t c động mạnh, tốc độ trung bình là 20,7cm/s và đạt khoảng 30,3cm/s vào
giữa thời k gió mùa mạnh. Các giá trị cực đại, cực tiểu tƣơng ứng với thời k gió mùa
và thời k gió mùa mạnh là 37,7 cm/s và 44,0 cm/s; 1,0cm/s và 17,0cm/s. Với đặc
điểm độ sâu trung bình trên toàn vịnh tƣơng đối lớn, có hiện tƣợng cƣờng hóa dòng


6

chảy theo độ sâu, tốc độ dòng ở lớp nƣớc sâu thƣờng lớn hơn g p hai đến ba lần tốc
độ dòng chảy trên mặt Hƣớng vectơ dòng chảy xoay theo độ sâu cũng là một hiện
tƣợng phổ biến ở khu vực này [7].
Đặc điểm thủy triều và dao động mực nƣớc: Thủy triều trong khu vực biển
Khánh Hòa mang tính ch t nhật triều không đều. Các kết quả nghiên cứu và tính toán
từ số liệu mực nƣớc tại trạm Cầu Đ Nha Trang cho th y rằng, giá trị của ch số
Vanderstok là 2,6. Kết quả thống k cũng ch ra rằng: mực nƣớc cao nh t là 235cm,
mực nƣớc th p nh t là 4cm, mực nƣớc trung nh là 124cm Bi n độ dao động mực
nƣớc lớn nh t trong năm là 222cm trung nh là 212cm [6].
Đặc điểm trƣờng sóng: Sóng khu vực ngoài khơi Nha Trang phân theo mùa r
rệt. Từ th ng 10 đến th ng 4 năm sau sóng có hƣớng chủ đạo là Đông Bắc, với cƣờng
độ mạnh nh t vào các tháng 11, 12 và th ng 1 Đây chính là thời k sóng ngoài khơi

truyền vào vịnh mạnh nh t và ảnh hƣởng đến bãi biển. Từ th ng 4 đến tháng 9, sóng
có hƣớng chủ đạo là Tây Nam, chiều cao sóng nhỏ và không có ảnh hƣởng nhiều đến
biến đổi bãi biển khu vực này [8].
Đặc điểm địa hình đáy và bãi biển: Bãi biển Nha Trang có dạng cánh cung ôm
l y phần bờ phía tây vịnh Nha Trang Địa hình bãi thuộc dạng bãi tích tụ - xói lở do
t c động của sóng chiếm ƣu thế. Bãi biển thoải đều, ở khu vực phía Bắc ãi có độ dốc
hơn phía Nam độ dốc trung bình của bãi từ 7-80. Hình thái bãi biển biến đổi theo mùa
r t rõ, mùa khô ãi đƣợc bồi tụ nâng cao và mở rộng th m mùa mƣa th ngƣợc lại bị
xói lở và hạ th p [8].
1.2. Các nghiên cứu về trƣờng sóng và biến đổi bãi đã tiến hành cho khu vực
1.2.1. Cac mô hình tính toán sóng và vận chuyển bùn cát
Sử dụng các mô hình số để tính toán, mô phỏng đ nh gi iến động bãi biển khu
vực ven bờ, khu vực bãi tắm đã đƣợc thực hiện phổ biến trên thế giới. Tùy thuộc vào
đối tƣợng và mục đích nghi n cứu có thể áp dụng các loại mô hình tính to n cũng kh c
nhau. Có thể liệt kê một số mô hình tính sóng vùng ven bờ thƣờng đƣợc áp dụng.
Mô hình STWAVE (STeady state spectral WAVE) là mô hình tính lan truyền sóng
từ vùng nƣớc sâu vào vùng ven bờ tr n cơ sở phƣơng tr nh lan truyền sóng dạng
elliptic với đ y thoải C c tính to n đƣợc thực hiện với các thành phần phổ sóng theo
c c hƣớng từ II/2 đến –II/2(phổ lan truyền ½ vòng tròn). Trƣờng sóng đƣợc coi là ổn
định và có tính đến qu tr nh trao đổi năng lƣợng từ gió cho sóng khi truyền cũng nhƣ
tƣơng t c sóng và dòng chảy. Các kết quả kiểm tra với số liệu đo đạc cho th y mô hình
STWAVE cho kết quả tính sóng nhỏ hơn so với trƣờng sóng thực tế trong các hình thế
trƣờng sóng lừng có phổ r t hẹp. Tuy vậy mô hình STWAVE hiện đang đƣợc sử dụng
r t rộng rãi trong tính to n động lực các vùng cửa sông, lạch triều và tính vận chuyển
bùn cát, biến động bờ biển v mô h nh này có ƣu điểm r t lớn là tính đƣợc tƣơng t c
giữa sóng với dòng chảy và trƣờng sóng đƣợc mô phỏng dƣới dạng phổ.


7

Mô hình SWAN (Simulating WAve Nearshore) là mô h nh tính to n đặc trƣng của
trƣờng sóng trong vùng ven bờ, trong các hồ và cửa sông từ c c điều kiện gió địa hình
đ y và dòng chảy. Mô hình dựa tr n phƣơng tr nh cân ằng t c động sóng (hoặc
phƣơng tr nh cân ằng năng lƣợng trong trƣờng hợp không có dòng chảy) với các
nguồn cung c p và ti u t n năng lƣợng. SWAN là mô hình tính sóng thế hệ ba với các
lựa chọn kiểu tính sóng thế hệ một, hai và ba. SWAN có thể sử dụng đối với b t cứ
quy mô vùng tính sóng nào phù hợp với trƣờng sóng trọng lực trên biển do gió gây ra.
Tuy nhi n SWAN đƣợc lập ra để dành riêng cho việc tính sóng khu vực ven bờ . Nó
có thể đƣợc áp dụng trong điều kiện từ phòng thí nghiệm tới các bãi biển và cho phép
lồng ghép với mô hình WAM hoặc WAVEWATCH III – là những mô h nh đƣợc thiết
lập đối với lƣới tính hệ tọa độ cầu.
Mô hình CMS-Flow là mô h nh tính to n trƣờng dòng chảy và VCBC. Mô hình
tính toán vận chuyển các ch t hòa tan (muối) và bùn cát dƣới t c động của thủy triều,
gió và sóng Mô h nh động lực dựa tr n phƣơng tr nh ảo toàn trong vùng nƣớc nông
và các thành phần lực Coriolis, ứng su t gió, ứng su t sóng, ứng su t đ y ma s t do
vật cản, ảnh hƣởng của đáy và khuyếch tán rối.
Mô hình CMS-Wave là mô h nh tính to n lan truyền phổ sóng dựa tr n việc giải
phƣơng tr nh cân ằng t c động sóng dạng ổn định tr n lƣới không đồng nh t trong hệ
tọa độ Đề C c Mô h nh có khả năng tính to n qu tr nh ph t triển và lan truyền sóng
do gió hiệu ứng khúc xạ phản xạ m t m t năng lƣợng do ma s t đ y sóng ạc đầu và
sóng đổ Ngoài ra, c c qu tr nh tƣơng t c giữa c c sóng với nhau sóng với dòng chảy
sóng leo nƣớc dâng do sóng và sóng truyền qua c c công tr nh cũng đƣợc tính toán.
Các mô hình SWAN, CMS-Flow và CMS-wave đƣợc sử dụng để tính to n iến động
theo mùa của ãi iển Nha Trang trong luận văn này.
Mô hình SBEACH (Storm-induced BEAch CHange) là một mô h nh tính xói lở
ãi ờ iển do ão dựa tr n nguy n lý cân ằng động của mặt cắt vuông góc với ờ
Trong luận văn này mô hình SBEACH đƣợc sử dụng để tính sự suy tho i ãi iển
Nha Trang dƣới t c động của qu tr nh syn-nốp với kích cỡ thời gian từ 5 đến 7 ngày
là ão hoặc gió mùa đông ắc mạnh.
1.2.2. Các nghiên cứu về trƣờng sóng khu vực vịnh Nha Trang

Trƣờng sóng đƣợc phát sinh và phát triển dƣới t c động trực tiếp của trƣờng gió,
do vậy đặc điểm chế độ trƣờng sóng là hậu quả trực tiếp của chế độ khí hậu và trƣờng
gió khu vực Do sóng đƣợc phát sinh và phát triển trên toàn bộ một vùng rộng lớn (đà
sóng) n n đ nh gi chế độ trƣờng sóng tại một khu vực cụ thể cần phải có đƣợc phân
bố sóng trên một vùng rộng lớn (đà sóng) Đối với trƣờng sóng vùng nƣớc sâu khu vực
vịnh Nha Trang cần phải có đƣợc phân bố trƣờng gió và kết quả của nó là trƣờng sóng
cho toàn bộ vùng phía Bắc, giữa và Nam Biển Đông Trong khuôn khổ đề tài “tính
toán trường sóng và vận chuyển bùn cát phục vụ xây dựng công trình biển ven bờ” đã
tiến hành tính to n và phân vùng trƣờng sóng vùng ven bờ biển nƣớc ta. Kết quả đã


8

phân ra 6 vùng dọc theo ven bờ biển Việt Nam và Nha Trang thuộc vùng số 4 với định
hƣớng đƣờng bờ theo hƣớng Bắc Nam, nhìn thẳng ra Biển Đông không ị giới hạn,
đƣờng bờ theo c c hƣớng NE E SE và địa h nh đ y kh dốc Đây là vùng có động lực
sóng khá khốc liệt so với các vùng ven bờ khác. Sóng cực đại trong mùa gió Đông bắc
là khoảng 6-7m và trong mùa gió Tây Nam là 5-6m C c hƣớng sóng nguy hiểm trong
vùng này là hƣớng N, NE và S, SE. Tần su t của các sóng trong gió mùa Đông bắc là
40%, gió mùa Tây Nam là 23% còn lại tần su t lặng sóng chiểm 37% tổng số trƣờng
hợp. Phân bố hai chiều có tần su t lớn nh t giữa độ cao và chu k sóng trung bình của
vùng này khoảng 2-3m với chu k 5-7s. Tần su t bão tại vùng này khoảng 1-2 cơn ão
trong một năm tuy không nhiều bằng vùng ven bờ vịnh Bắc Bộ nhƣng độ cao sóng
trong bão lớn hơn nhiều do không bị ảnh hƣởng của độ sâu nhƣ khu vực vịnh Bắc Bộ
(với độ sâu 50-60m của vịnh Bắc Bộ, sóng bão có chu k >10s đã ị t c động của các
hiệu ứng gây ra do độ sâu nhƣ hiệu ứng biến dạng, khúc xạ).
Sóng trong ão thƣờng xu t hiện vào th ng 10 và th ng 11 Độ cao sóng hữu hiệu
và chu k sóng với chu k lặp 20 năm một lần khoảng 8 - 9m và chu k 12-14s[1].
1.2.3. Các nghiên cứu về biến đổi bãi khu vực vịnh Nha Trang
V n đề nghiên cứu chế độ thủy động lực và vận chuyển bùn cát khu vực cửa sông,

ven biển đã đƣợc nghiên cứu từ lâu bằng cách sử dụng c c phƣơng ph p khảo sát và
mô h nh hóa Đã có nhiều đề tài c p bộ và nhà nƣớc cũng nhƣ s ch chuy n khảo
nghiên cứu về v n đề diễn biến cửa sông bờ biển. Một số nghiên cứu tiêu biểu về vận
chuyển bùn cát khu vực cửa sông, ven biển nhƣ:
Đề tài KC09-05 “dự báo hiện tượng xói lở - bồi tụ bờ biển cửa sông và các giải
pháp phòng tránh” do Viện Địa lý- Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam chủ tr Đề
tài KC08-06 “nghiên cứu đề xuất giải pháp ổn định các cửa sông ven biển miền
Trung” do trƣờng Đại học Thủy lợi chủ trì thực hiện từ năm 2007-2009…
Cụ thể cho khu vực Nha Trang: Trong năm 2012 trƣờng Đại học Thủy lợi chủ trì
nhiệm vụ hợp tác quốc tế về khoa học và công nghệ theo nghị định thƣ “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” do PGS.TS Nguyễn Trung Việt chủ nhiệm nhiệm vụ. Đây là
một chƣơng tr nh nghi n cứu khá toàn diện cả về phƣơng diện đo đạc thực tế và tính
toán mô hình cho khu vực vịnh Nha Trang nói chung và bãi biển Nha Trang nói riêng.
Đã thu đƣợc các kết quả đo đạc đồng bộ các yếu tố động lực biển và địa hình bãi biển
Nha Trang Đã sử dụng nhiều loại mô hình hiện đại để tính toán biến động bãi biển và
ch ra các khu vực cần phải bảo vệ, phục vụ cho các hoạt động du lịch, ngh dƣỡng của
thành phố.


9

CHƢƠNG II – CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC MÔ HÌNH ĐƢỢC SỬ DỤNG ĐỂ
TÍNH TOÁN TRONG LUẬN VĂN
2.1. Cơ sở lý thuyết mô hình SWAN
2.1.1. Giới thiệu mô hình
SWAN là mô hình tính toán sóng thế hệ ba, mô hình tính toán các tham số sóng
trong vùng nƣớc nông ven bờ, trong các hồ đập và vùng cửa sông ven biển. Các tham
số sóng đƣợc tính toán từ trƣờng gió dƣới t c động của các yếu tố địa h nh đ y dòng
chảy, các quá trình truyển sóng và tƣơng t c sóng với sóng, sóng với công trình trên

biển, bờ biển. Ngoài việc tính toán cho các khu vực nƣớc nông ven bờ, mô hình
SWAN cũng có thể áp dụng trên các quy mô lớn trong c c đại dƣơng, nơi có độ sâu
lớn, các tham số sóng đƣợc tính toán từ gió. Mô hình SWAN dựa tr n phƣơng tr nh
cân bằng t c động phổ sóng (hoặc phƣơng tr nh năng lƣợng sóng khi không có dòng
chảy) cùng với các thành phần hàm nguồn cung và tiêu tán.
C c tính năng cơ ản trong mô hình SWAN gồm có:
* Dựa theo quá trình truyền sóng:
- Truyền sóng trong không gian;
- Khúc xạ sóng dƣới t c động của địa h nh đ y và dòng chảy;
- Nhiễu xạ sóng;
- Biến dạng sóng dƣới t c động của địa h nh đ y và dòng chảy;
- Bị chặn hoặc phản xạ do dòng chảy ngƣợc chiểu;
- Truyển qua một phần, bị chặn hoặc phản xạ bởi công trình;
* Dựa theo qu tr nh tăng trƣởng và tiêu tán sóng:
- Tăng trƣởng sóng do gió;
- Ti u t n năng lƣợng do sóng bạc đầu;
- Ti u t n năng lƣợng do sóng đổ gây ra bởi địa h nh đ y;
- Ti u t n năng lƣợng sóng do ma s t đ y;
- Tƣơng t c giữa các sóng trong cả vùng nƣớc sâu và nƣớc nông;
Ngoài ra trong SWAN qu tr nh nƣớc dâng do sóng cũng đƣợc tính toán. Tuy
nhiên dòng chảy gây ra do sóng không đƣợc tính toán [2].
2.1.2. Các phƣơng trình cơ bản
Phƣơng trình truyền sóng
T t cả các thông tin về trạng thái bề mặt biển đƣợc thể hiện trong phổ năng lƣợng
sóng E(σ θ) năng lƣợng này đƣợc phân bố theo tần số σ và hƣớng sóng θ Thông
thƣờng các mô hình tính toán sóng sử dụng quá trình tiến triển của mật độ t c động
sóng
⃗
theo không ⃗ gian và thời gian t. Mật độ t c động sóng đƣợc xác

10

định bằng
và đƣợc bảo toán trong quá trình truyền sóng, trong khi mật độ
năng lƣợng sóng không đƣợc bảo toàn khi có mặt dòng chảy.
Phƣơng tr nh phát triển của cân bằng mật độ t c động sóng đƣa ra ởi Mei, 1983 và
Komen 1994 nhƣ sau:
⃗

[( ⃗

⃗⃗) ]

(1)

Thành phần thứ nh t - phía trái của phƣơng tr nh là thành phần động năng Thành
phần thứ hai là quá trình truyền năng lƣợng sóng trong không gian hai chiều trong đó
⃗

⁄ ⃗⃗ là vận tốc nhóm sóng, k là số sóng. Thành phần thứ ba biểu thị sự biến

đổi của tần số do sự thay đổi địa hình và ảnh hƣởng của dòng chảy. Thành phần thứ tƣ
biểu thị quá trình khúc xạ sóng dƣới t c động của địa hình và dòng chảy. C c đại
lƣợng
là tốc độ truyên sóng trong không gian phổ
. Phía bên phải phƣơng
trình chứa
, đây là hàm nguồn biểu thị cho các quá trình vật lý nhƣ cung c p, tiêu
tán và tái phân bố năng lƣợng sóng.

Phƣơng tr nh cân ằng mật độ năng lƣợng sóng có thể đƣợc viết trong hệ tọa độ
Đề Các hoặc hệ tọa độ cầu Trong trƣờng hợp áp dụng trên quy mô nhỏ, phƣơng tr nh
đƣợc viết trong hệ tọa độ Đề c c nhƣ sau:
(2)
Với quy mô lớn vùng tính to n là c c đại dƣơng hoặc thềm lục địa phƣơng tr nh
cân bằng t c động phổ đƣợc viết trong hệ tọa độ cầu:
̃

̃

Trong đó ̃ biểu thị theo kinh tuyến

̃

̃

̃ ̃

(3)

và vĩ tuyến

Nguồn cung cấp và tiêu tán năng lƣợng
Trong vùng nƣớc nông, tổng năng lƣợng sóng thu nạp và tiêu tán có thể viết dƣới
dạng tổng của s u qu tr nh nhƣ sau:
(4)
C c đại lƣợng này tƣơng ứng là năng lƣợng gió truyền cho sóng năng lƣợng
chuyến đổi do tƣơng t c sóng ậc ba và bậc bốn và các quá trình tiêu t n năng lƣợng
sóng do bạc đầu sóng, ma s t đ y và sóng đổ do địa hình. Cụ thể các thành phần nhƣ
sau:

Năng lƣợng sóng nhận từ gió:
Dựa vào hai cơ chế phát triển của sóng, sóng phát triển do gió thông thƣờng đƣợc
coi nhƣ tổng của các giá trị tăng trƣởng tuyến tính và tăng trƣởng theo hàm mũ:


11

(5)
Trong đó A iểu thị phần tăng trƣởng sóng tuyến tính và BE biểu thị phần tăng
trƣởng sóng theo hàm mũ C c đại lƣợng A và B phụ thuộc vào tần số và hƣớng của
sóng và tốc độ và hƣớng gió. Trong mô hình SWAN sử dụng tốc độ gió tại độ cao 10m
so với mực nƣớc biển. Các tốc độ gió tại độ cao khác có thể đƣa về độ cao tại 10 m
theo công thức:
(6)
Trong đó

là hệ số kéo, theo Wu (1982) ta có:
{

}

⁄

(7)

Thành phần tăng trƣởng sóng tuyến tính đƣợc Cavaleri và Malanotte-Rizzoli
(1981) đƣa ra với việc sử dụng hàm lọc các sóng phát triển ở các tần số th p hơn tần số
Pierson-Moskowitz:
(8)
,

-

Trong đó
là hƣớng gió, H là hàm lọc và
sóng trên mặt biển phát triển hoàn toàn.

(9)

tần số đ nh phổ trong trạng thái

Thành phần sóng phát triển theo hàm mũ đƣợc hai nhà khoa học Komen (1984) và
Janssen (1989,1991) đƣa ra theo hai công thức nhƣ sau:
Theo Kommen (1984), ta có:
(
Trong đó

)

là tốc độ pha,

(10)

là mật độ không khí và nƣớc

Theo Janssen (1989 1991a) đƣa ra nhƣ sau:
(
ở đây

)

(11)

là hằng số Miles

Tiêu tán năng lƣợng do sóng bạc đầu:
Sóng bạc đầu là do sự thay đổi độ dốc của sóng vƣợt góc tới hạn. Công thức tính
ti u t n năng lƣợng do sóng bạc đầu đƣợc Hasselmann 1974 đƣa ra nhƣ sau:
̃̃

(12)

Trong đó là hệ số phụ thuộc vào độ dốc sóng, k là số sóng và ̃ ̃ là tần số trung
bình và số sóng trung bình.


12

Tiêu tán năng lƣợng do ma sát đáy:
Trong vùng nƣớc nông quỹ đạo chuyển động của hạt nƣớc gây ra do các chuyển
động của sóng trên bề mặt lan rộng tới tận đ y iển qu tr nh này gia tăng sự tƣơng
tác giữa sóng trên mặt và đ y dẫn tới một phần năng lƣợng của sóng bị tiêu tán. Quá
tr nh ti u t n năng lƣợng do ma s t đ y đƣợc Bertotti và Cavaleri (1994) đƣa ra nhƣ
sau:
(13)
Trong đó

là hệ số ma s t đ y.

Tiêu tán năng lƣợng do sóng đổ:

Khi sóng truyền vào bờ, quá trình biến dạng sóng làm tăng độ cao sóng một cách
nhanh chóng. Khi t lệ giữa độ cao sóng và độ sâu nƣớc vƣợt mức giới hạn, sóng bắt
đầu đổ qu tr nh này làm năng lƣợng sóng tiêu tán một cách nhanh chóng. Trong
SWAN sử dụng mô hình cuộn xoáy của Battjes và Janssen (1978) và công thức của
Eldeberky và Battjes (1995) để mô phỏng qu tr nh ti u t n năng lƣợng sóng đổ:
(14)
Trong đó
là tổng năng lƣợng và
là t lệ tiêu t n năng lƣợng sóng do
sóng đổ. Giá trị của
phụ thuộc vào tham số sóng đổ:
⁄ .

(15)

2.2. Cơ sở lý thuyết các mô hình tính sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát
trong hệ thống mô hình SMS (CMS-flow và CMS-wave)
2.2.1. Cơ sở lý thuyết mô hình CMS-flow
Phƣơng trình chuyển động
CMS-flow sử dụng phƣơng ph p thể tích hữu hạn để giải hệ phƣơng tr nh chuyển
động và phƣơng tr nh li n tục dƣới dạng tích phân hai chiều trung nh theo độ sâu.
Các thành phần vận tốc đƣợc tính theo hai thành phần phƣơng ngang [9], [10] Dƣới
đây là hệ phƣơng tr nh đƣợc sử dụng trong CMS-flow:
(16)
(17)

(18)


13

Trong đó:
h – độ sâu cột nƣớc trong trạng th i tĩnh
η – độ cao của dao động mực nƣớc,
t – thời gian,
qx – thông lƣợng trên một đơn vị bề rộng theo phƣơng x
qy – thông lƣợng trên một đơn vị bề rộng theo phƣơng y
u – thành phần vận tốc theo hƣớng x,
v – thành phần vận tốc theo hƣớng y,
g – gia tốc trọng trƣờng,
Dx – hệ số khuyếch t n theo hƣớng x,
Dy – hệ số khuyếch t n theo hƣớng y,
f - Tham số Coriolis,
τbx- ứng su t đ y theo phƣơng x
τby- ứng su t đ y theo phƣơng y
τwx- ứng su t gió theo phƣơng x
τwy- ứng su t gió theo phƣơng y
τSx- ứng su t sóng theo phƣơng x
τSx- ứng su t sóng theo phƣơng y
Các thành phần vận tốc đƣợc tính toán từ thông lƣợng nhƣ sau:
(19)
(20)
Trong trạng th i không có t c động của sóng, ứng su t đ y đƣợc tính nhƣ sau:
| |

(21)

| |

(22)

Ở đây U là môđun vận tốc dòng chảy và Cb là hệ số ma s t đ y dạng thực nghiệm
| |

√

(23)

Hệ số ma s t đƣợc tính theo công thức:
(24)
Với C là hệ số Chezy:
(25)
Trong đó R là

n kính thủy lực và n là hệ số nhám Manning.


14

Trong trạng th i có sóng t c động. ứng su t đ y đƣợc tính theo sự phân bố tựa
đồng nh t của dòng chảy (do thủy triều, gió và sóng trên mặt) và vận tốc quỹ đạo sóng
tại đ y Ứng su t tại đ y đƣợc tính trung bình cho từng chu k của sóng tại từng nút
lƣới tại mỗi ƣớc thời gian. Công thức tính ứng su t đ y khi có mặt sóng và dòng chảy
đƣợc Nishimura (1988) đƣa ra nhƣ sau:
,(
,(

)
)

(
(

) -

(26)

) -

(27)

Trong đó α là góc của hƣớng sóng so với trục x. Uwc và ωb đƣợc tính theo công
thức.
|

,√|
√|

|-

(28)
(29)

Với σ là tần số góc của sóng, H là chiều cao sóng và k là số sóng,
Uwc tốc độ quỹ đạo sóng và ωb tần số góc sóng khi có mặt dòng chảy.
Ứng suất gió đƣợc tính theo công thức:
(30)
(31)
Trong đó:
Cd – hệ số kéo của gió,

ρa - mật độ không khí ,
ρw - mật độ nƣớc,
W – tốc độ gió,
θ – hƣớng gió, với quy ƣớc hƣớng gió 0 độ là từ hƣớng Đông và quay ngƣợc chiều
kim đồng hồ.
Ứng suất sóng:
Ứng su t sóng đƣợc tính từ sự biến thiên của ứng su t bức xạ sóng theo không
gian
(

)

(32)


15

(

)

(33)

Trong đó Sxx, Sxy và Syy là các thành phần ứng su t bức xạ sóng đƣợc tính theo
công thức:
*

∬
∬
∬

*

(

)

(
*

+

)
(

+
)

(34)
(35)

+

(36)

Với σ=σ(ω α)
Ở đây
Sxx - ứng su t bức xạ sóng theo hƣớng vuông góc với bờ
Sxy – Thành phần ứng su t trƣợt
Syy – Thành phần ứng su t bức xạ sóng theo hƣớng dọc bờ

E – Mật độ năng lƣợng sóng
ω - tần số góc của sóng
α - góc của sóng so với trục x
Tham số Coriolis:
(37)
Ω – tần số góc quay của tr i đ t υ vĩ tuyến.
Hệ số nhớt rối phụ thuộc vào độ dài xáo trộn của cột nƣớc trong trƣờng hợp
không có t c động sóng có thể tính theo hàm của độ sâu nƣớc, tốc độ dòng chảy và độ
nhám của đ y iển (Fanconer, 1980) nhƣ sau:
| |

*

+

(38)

Trong vùng sóng đổ dƣới t c động của sóng, các xáo trộn theo phƣơng ngang là
r t đ ng kể. Công thức tính hệ số nhớt rối nhƣ sau:
(39)
Trong đó εL mô phỏng sự thay đổi theo phƣơng ngang đƣợc Kraus và Larson
(1991) đƣa ra nhƣ sau
(40)
Với Λ là hệ số thực nghiệm mô phỏng sự xáo trộn theo phƣơng ngang um là thành
phần theo phƣơng ngang của tốc độ quỹ đạo sóng tại đ y
*

ở đây T là chu k sóng.

(

)+

(41)


16

Trong vùng chuyển đổi giữa vùng sóng đổ và vùng nƣớc sâu, hệ số nhớt rối đƣợc
tính theo công thức.
(42)
Trong đó θm là hàm t trọng tính nhƣ sau:
(

)

(43)

Phân bố gió theo độ cao:
Phân bố tốc độ gió theo chiều cao đƣợc tính theo công thức của Charnock (1955)
và Hsu (1988)
(44)
Với:
Wz – tốc độ gió tại độ cao z so với mặt biển,
Z0 – độ cao của mặt biển,
W* - tốc độ gió ma sát,
К – hằng số Von karman,
Tốc độ gió ma sát có thể coi nhƣ một thành phần của ứng su t gió tại bề mặt. theo
Hsu (1988) ta có:
(45)

Km – hệ số nhớt xoáy, Z là chiều cao.
Giả thiết rằng lớp khí quyển sát mặt nƣớc là ổn định khi đó ứng su t gió tại độ cao
10 m trên mặt biển có thể tính theo Hsu (1988) nhƣ sau:
(

)

(46)

W10 – tốc độ gió tại độ cao 10 m trên mặt biển.
Theo thực nghiệm có thể áp dụng công thức tính tốc độ gió tại độ cao 10 m nhƣ
sau:
( )

(47)

Phƣơng trình tính toán vận chuyển bùn cát và biến đổi đáy biển:
Trong CMS-flow các hệ phƣơng tr nh tính toán vận chuyển bùn cát (VCBC) và
biến đổi đ y iển đƣợc tính toán theo ba công thức:
- Công thức của Wantanabe (1987), tính toán VCBC tổng cộng bao gồm: tính toán
VCBC lơ lửng và di đ y
- Công thức tính VCBC của Lund-CIRP (Camenen và Larson, 2006). Công thức
tính lƣợng bùn cát tổng cộng kết hợp từ công thức tính VCBC lơ lửng và công thức
tính VCBC di đ y