Nghiên cứu động lực học của sóng sau đới sóng đổ tại bãi biển nha trang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trần Văn Mỹ

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ
TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trần Văn Mỹ

NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ
TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG

Chuyên ngành: Hải dƣơng học
Mã số: 60440228
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Nguyễn Kim Cƣơng

Hà Nội - 2015

TS. Jean-Pierre Lefebvre


LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Kim Cƣơng và TS.
Jean-Pierre Lefebvre đã tận tình hƣớng dẫn em trong suốt thời gian em thực hiện
luận văn. Các thầy đã chỉ dạy cho em những kiến thức quý báu và giúp đỡ em về số
liệu và công cụ tính toán.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GS. TS. Đinh Văn Ƣu và PGS. TS.
Nguyễn Trung Việt chủ nhiệm đề tài: ―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‖ –
Chƣơng trình KH&CN nghị định thƣ cấp Nhà nƣớc đã cung cấp cho em những số
liệu và những kiến thức bổ ích.
Em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong bộ môn Khoa học và công
nghệ biển nói riêng và trong khoa Khí tƣợng Thủy văn và Hải dƣơng học nói chung,
ban giám đốc và các cán bộ Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trƣờng đã tạo
điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn.
Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc không tránh khỏi những thiếu sót,
em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô để em có thể bổ
sung và hoàn thiện hơn cho các nghiên cứu tiếp theo.
Em xin chân thành cảm ơn!

i


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i

MỤC LỤC .................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. iv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................v
MỞ ĐẦU ................................................................... Error! Bookmark not defined.
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.

Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone)Error!

Bookmark

not

defined.
1.1.1.

Giới thiệu chung ................................ Error! Bookmark not defined.

1.1.2.

Các khu vực gần bờ ........................... Error! Bookmark not defined.

1.1.3.

Sóng và sóng gây ra sóng tràn .......... Error! Bookmark not defined.

1.1.4.

Chu kỳ sóng tràn................................ Error! Bookmark not defined.

1.1.5.

Hình thái bãi biển và chuyển động sóng trànError! Bookmark not

defined.
1.2.

Tình hình nghiên cứu ............................... Error! Bookmark not defined.

1.3.

Mục tiêu luận văn ..................................... Error! Bookmark not defined.

Chƣơng 2 – PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG
TRÀN ........................................................................ Error! Bookmark not defined.
2.1.

Phƣơng pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sátError! Bookmark not

defined.
2.1.1.

Khảo sát thực địa............................... Error! Bookmark not defined.

2.1.2.

Phương pháp xử lý số liệu Vectrino .. Error! Bookmark not defined.

2.1.3.

Phương pháp đồng bộ số liệu Vectrino và số liệu Video .......... Error!

Bookmark not defined.
2.2.

Mô hình Dam-Break ................................ Error! Bookmark not defined.

ii


2.2.1.

Lý do chọn mô hình Dam-break ........ Error! Bookmark not defined.

2.2.2.

Giới thiệu mô hình Dam-break ......... Error! Bookmark not defined.

2.2.3.

Mô hình dòng chảy nước nông .......... Error! Bookmark not defined.

2.3.

Tổng quan khu vực vịnh Nha Trang ........ Error! Bookmark not defined.

2.3.1.

Vị trí địa lí ......................................... Error! Bookmark not defined.

2.3.2.

Đặc điểm gió ..................................... Error! Bookmark not defined.

2.3.3.

Đặc điểm dòng chảy .......................... Error! Bookmark not defined.

2.3.4.

Đặc điểm thủy triều và dao động mực nướcError! Bookmark not

defined.
2.3.5.

Đặc điểm chế độ sóng ....................... Error! Bookmark not defined.

Chƣơng 3 – KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG ............ Error!
Bookmark not defined.
3.1.

Kết quả phân tích trƣờng dòng chảy trong vùng sóng vỡ và sóng tràn
Error! Bookmark not defined.

3.2.

Phân bố năng lƣợng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn ............... Error!

Bookmark not defined.

3.3.

Mối quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi và chiều cao bore sóng tràn
Error! Bookmark not defined.

3.4.

Mô phỏng vận tốc bore nƣớc bằng mô hình số Dam-break ............. Error!

Bookmark not defined.
KẾT LUẬN ............................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................1

iii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Khoảng tần số trong vùng sóng tràn [Short, 1999] Error! Bookmark not
defined.
Bảng

2.

1.

Bảng

tần

suất

hƣớng

sóng

khu

vực

nghiên

cứu......................................Error! Bookmark not defined.
Bảng 2. 2. Bảng tần suất độ cao sóng khu vực nghiên cứuError! Bookmark

not

defined.
Bảng 3. 1. Các trƣờng hợp mô phỏng bore nƣớc bằng mô hình Dambreak………Error! Bookmark not defined.

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. 1. Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào bờ.Error! Bookmark
not defined.
Hình 1. 2. Đặc điểm chính của một bãi biển (bên trái) và của phần đất bồi ở
biển (bên phải) (Masselink & Hughes 2003). . Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 3. Phân loại các khu vực sóng gần bờ.Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 4. Đại diện của dao động sóng tần số cao.Error!

Bookmark

not

defined.
Hình 1. 5. Đại diện của một sóng dài cƣỡng bức bởi hai thành phần sóng của
nhóm sóng ngắn. ............................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 6. Sơ đồ mô phỏng chu kỳ sóng tràn trên bãi biển bằng mô hình
Xbeach ............................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 7. Đo đạc thực địa của vận tốc dòng chảy ngang bờ (đƣờng nét liền)
và độ sâu của nƣớc (đƣờng nét đứt) cho một chu kỳ sóng tràn, đo ở vị trí nửa
giữa giới hạn đi lên và đi xuống của nƣớc [Hughes cùng cộng sự, 1997].
......................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1. 8. Hình thái bãi biển. .......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 1. Triển khai đo Vectrino II (Nortek) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và sơ
đồ

nguyên

tắc

đo……………………………………………………………...........Error!
Bookmark not defined.
Hình 2. 2. Biểu đồ tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam cao và thấp trong quá trình đo.
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 3. Lựa chọn một đoạn dữ liệu (đoạn màu đỏ) trong chuỗi dữ liệu. ..... Error!
Bookmark not defined.
Hình 2. 4. Độ lớn vận tốc (màu xanh dƣơng) và hƣớng (màu xanh lá cây) trung bình
trên 1 micro-profile (đồ thị trên cùng), biểu diễn dao động của vận tốc (đồ thị giữa),

khoảng cách sensor – đáy (đồ thị phía dƣới). ........... Error! Bookmark not defined.

v


Hình 2. 5. Năng lƣợng rối TKE ƣớc tính trong micro-profile.Error! Bookmark not
defined.
Hình 2. 6. Đo đồng bộ máy Vectrino và máy quay Video.Error!

Bookmark

not

defined.
Hình 2. 7. SNR (màu đen), dữ liệu đƣợc lựa chọn trƣớc (màu xanh) và cực tiểu của
SNR (màu đỏ). .......................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 8. Lựa chọn một đoạn dữ liệu tốt (màu đỏ) trong một chuỗi dữ liệu. .. Error!
Bookmark not defined.
Hình 2. 9. Đồ thị 1: Vận tốc (màu xanh dƣơng) và hƣớng (màu xanh lá cây) của
dòng chảy; đồ thị 2: Thành phần ngang của dòng chảy (hƣớng lên trên bờ); đồ thị 3:
độ sâu đo đƣợc từ các cảm biến (đƣờng màu đỏ tƣơng ứng với vị trí của các cell đo
đƣợc); đồ thị 4: Năng lƣợng rối trung bình các cell đo đƣợc.Error! Bookmark not
defined.
Hình 2. 10. Năng lƣợng rối (TKE) trong 3,5cm micro-profile.Error!

Bookmark

not defined.
Hình 2. 11. Sơ đồ vecto thông lƣợng qua các bề mặt.Error!

Bookmark

not

Bookmark

not

defined.
Hình 2. 12. Ngoại suy tuyến tính bên trái và bên phải.Error!
defined.
Hình 2. 13. Lƣới Cartesian. ....................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 14. Lƣới Non-Cartesian................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 15. Hoa gió tại trạm quan trắc khí tƣợng Nha Trang.Error! Bookmark not
defined.
Hình 2. 16. Hoa sóng khu vực ngoài khơi vùng biển Khánh Hòa.Error! Bookmark
not defined.
Hình 3. 1. Hình ảnh trƣờng dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày
29/5/2013…………………………………………………………………………..Er
ror! Bookmark not defined.

vi


Hình 3. 2. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày 29/5/2013
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 3. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày 29/5/2013
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 4. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày 29/5/2013
................................................................................... Error! Bookmark not defined.

Hình 3. 5. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày 30/5/2013
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 6. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày 30/5/2013
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 7. Biến thiên dòng chảy trong vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày 30/5/2013
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 8. Hai dòng chảy với vận tốc trung bình theo thời gian khác nhau ( u i )
nhƣng có thành phần rối tƣơng đƣơng (ui') ............... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 9. Phổ năng lƣợng rối Kolmogorov-ObukhovError!

Bookmark

not

defined.
Hình 3. 10. Biến thiên dòng chảy và năng lƣợng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 08h48 ngày 29/5/2013 ......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 11. Cấu trúc phân tầng năng lƣợng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày
29/5/2013 ................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 12. Biến thiên dòng chảy và năng lƣợng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 08h49 ngày 29/5/2013 ......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 13. Cấu trúc phân tầng năng lƣợng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày
29/5/2013 ................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 14. Biến thiên dòng chảy và năng lƣợng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 16h35 ngày 29/5/2013 ......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 15. Cấu trúc phân tầng năng lƣợng rối trong vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày
29/5/2013 ................................................................... Error! Bookmark not defined.

vii

Hình 3. 16. Biến thiên dòng chảy và năng lƣợng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 16h54 ngày 29/5/2013 ......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 17. Cấu trúc phân tầng năng lƣợng rối trong vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày
29/5/2013 ................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 18. Biến thiên dòng chảy và năng lƣợng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 08h54 ngày 30/5/2013 ......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 19. Cấu trúc phân tầng năng lƣợng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày
30/5/2013 ................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 20. Biến thiên dòng chảy và năng lƣợng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 09h04 ngày 30/5/2013 ......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 21. Cấu trúc phân tầng năng lƣợng rối trong vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày
30/5/2013 ................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 22. Biến thiên dòng chảy và năng lƣợng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 09h40 ngày 30/5/2013 ......................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 23. Cấu trúc phân tầng năng lƣợng rối trong vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày
30/5/2013 ................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 24. Đƣờng quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi với chiều cao bore sóng
tràn ............................................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 25. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy xuất
từ mô hình (đƣờng nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trƣờng hợp 1.
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 26. So sánh năng lƣợng rối trung bình tke đo đạc (đƣờng nét đứt) với vận
tốc dòng chảy từ mô hình (đƣờng nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong
trƣờng hợp 1. ............................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 27. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy
mô hình xuất ra (đƣờng nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trƣờng hợp
3. ................................................................................ Error! Bookmark not defined.

viii

Hình 3. 28. So sánh năng lƣợng rối trung bình tke đo đạc (đƣờng nét đứt) với vận
tốc dòng chảy từ mô hình (đƣờng nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong
trƣờng hợp 3. ............................................................. Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 29. So sánh vận tốc dòng chảy đo đạc (chấm tròn) với vận tốc dòng chảy
mô hình xuất ra (đƣờng nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong trƣờng hợp
8. ................................................................................ Error! Bookmark not defined.
Hình 3. 30. So sánh năng lƣợng rối trung bình tke đo đạc (đƣờng nét đứt) với vận
tốc dòng chảy từ mô hình (đƣờng nét liền) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trong
trƣờng hợp 8. ............................................................. Error! Bookmark not defined.

ix


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Thế Duy (2002), ―Một mô hình số cho vùng sóng vỡ trong gió bao
gồm cả lớp biên đáy và vùng sóng tràn‖.
2.
Tiếng Anh
3. Bakhtyar, R., Barry, D. A., Li, L., Jeng, D. S., & Yeganeh-Bakhtiary, A.
(2009). ―Modeling sedimenttransport in the swash zone: A review‖. Ocean
Engineering, 36(9-10), 767-783.
4. Baldock, T. E. (2004). Dynamics of a transient wave group breaking on a
beach. Proc. 15th Aust. Fluid Mech. Conf., University of Sydney, CD-ROM.
5. Barnes, M. P., T. O’Donaghue, J. M. Alsina and T. E. Baldock, (2009).
Direct bed shear stress measurements in bore-driven swash. Coastal
Engineering 56(8): 853-867.
6. Battjes, J. A. (1974). ―Computation of set-up, longshore currents, run-up and

overtopping due towind-generated waves‖, Phd thesis, TU Delft, Delft
University of Technology, Delft.
7. Brocchini, M. and Baldock, T. E. (2008) Recent advances in modeling swash
zone dynamics: Influence of

surf-swash interaction on nearshore

hydrodynamics and morphodynamics. Reviews of Geophysics, 46 3: 1-21.
doi:10.1029/2006RG000215.
8. Butt, T., & Russell, P. (1999). ―Suspended sediment transport mechanisms in
high-energy swash‖.Marine Geology, 161(2-4), 361-375.
9. Dean, R. G. (1973). ―Heuristic model of sand transport in the surf zone‖.
Paper presented at theConference on Engineering Dynamics in the surf zone,
Sydney, Australia.

1


10. Erikson, L., Larson, M., & Hanson, H. (2005). Prediction of swash motion
and run-up including the effects of swash interaction. Coastal Engineering,
52(3), 285-302.
11. Gourlay, M. R. (1968). Beach and Dune Erosion Tests. Delft: Delft
Hydraulics Laboratory.
12. Guza, R. T., & Inman, D. L. (1975). Edge waves and beach cusps. Journal of
GeophysicalResearch, 80(21), 2997-3012.
13. Holland and Puleo (2001). Estimating swash zone friction coefficients on

a sandy beach. Coastal Engineering, 43:25-40.
14. Holthuijsen, L. H. (2007). Waves in Oceanic and Coastal Waters: Cambridge
University Press.

15. Horn, D. P., & Mason, T. (1994). Swash zone sediment transport modes.
Marine Geology, 120, 309-325.
16. Hughes, M. G., Masselink, G., & Brander, R. W. (1997). Flow velocity and
sediment transport inthe swash zone of a steep beach. Marine Geology,
138(1-2), 91-103.
17. Hughes, M.G., Turner, I., (1999). The beach face. In: Short, A.D. (Ed.),
Handbook of Beach and Shoreface Morphodynamics. Wiley, Chichester, pp.
119–144.
18. Hughes, M.G., Baldock, T.E., 2004. Eulerian flow velocities in the swash
zone: field data and model predictions. Journal of Geophysical Research 109,
C08009.
19. Hung-Chu Hsu et al (2014), ―On dam-break wave propagation and its
implication to sediment erosion‖,Journal of Hydraulic Research.
20. Kikkert G.A., Pokrajac D., O'Donoghue T., Steenhauer K., (2013).
Experimental study of bore-driven swash hydrodynamics on permeable
rough slopes. Coastal Engineering 79: 42–56.
21. Lefebvre J-P, Almar, Viet NT, Uu DV, Thuan DH, Binh LT, Ibaceta R, Duc
NV (2014). Contribution of swash processes generated by low energy wind

2


waves in the recovery of a beach impacted by extreme events: Nha Trang,
Vietnam. Journal of Coastal Research, SI 70:663-668.
22. Liang,Q. (2002), ―Lecture notes on computational hydraulics: Finite volume
method‖, Newcastle University.
23. Liu H. (2013). A simple empirical model for Shields parameter estimation in
the swash zone. Proc. Of the 7th International conf. on Coastal Dynamics
2013, Arcachon, France, 1105-1114.
24. LobovskyL., Botia-VeraE., CastellanaF., Mas-SolerJ., and Souto-IglesiasA.,

"Experimental investigation of dynamic pressure loads during dam break,"
Journal of Fluids and Structures, 2013.
25. Mase, H. (1995). Frequency downshift of swash oscillations compared to
incident waves. Journalof Hydraulic Research, 33, 397-411.
26. Masselink, G., and Hughes, M.G., (2003).

An Introduction to Coastal

Processes and Geomorphology. Edward Arnold publishers, 354 pp.
27. Masselink, G., Russell, P., 2005. Field measurements of flow velocities on a
dissipative and reflective beach — implications for swash sediment transport.
Proceedings Coastal Dynamics, 2005, ASCE, paper on CD–ROM.
28. Masselink, G., & Puleo, J. A. (2006). Swash-zone morphodynamics.
Continental Shelf Research,26(5), 661-680.
29. Maurel, F. (2000), ―Dam break wave on wet bed‖, (EDH-LNH).
30. Miles, J., Butt, T., & Russell, P. (2006). Swash zone sediment dynamics: A
comparison of adissipative and an intermediate beach. Marine Geology,
231(1-4), 181-200.
31. Pritchard, D. and Hogg, A. J. (2005). On the transport of suspended sediment
by a swash event on a plane beach. Coastal Engineering 52: 1–23.
32. Puleo J.A., Beach R.A., Holman R.A., Allen J.S. (2000). Swash zone
sediment suspension and transport and the importance of bore-generated
turbulence, JGR,105(C7):17021-17044.

3


33. Puleo, J.A., Slinn, D.N., Holland, K.T., Smith, E. and Webb, B.M., (2002).
Numerical modelling of swash zone hydrodynamics. Proceedings 28th
International Conference on Coastal Engineering, ASCE, pp. 968–979.

34. Shanehsazzadeh A., Holmes P., (2013). Coarse sediment particle motion
under highly asymmetrical waves with implications for swash zone sediment
transport. Coastal Engineering 71: 60–67.
35. Short, A. D. (1999). Handbook of beach and shoreface morphodynamics /
edited by Andrew D.Short. New York: John Wiley.
36. Steenhauer, K., Pokrajac, D. & O'Donoghue, T. (2012). 'Numerical model of
swash motion and air entrapment within coarse-grained beaches'. Coastal
Engineering, vol 64, pp. 113-126.
37. Toro, E. (2009), ―Riemann solvers and numerical methods for fluid
dynamics.: A practical introduction‖, Springer. 3rd edition.
38. VousdoukasM.I, T. Kirupakaramoorthy , H. Oumeraci , M. de la Torre ,
F.Wübbold, B.Wagner , S. Schimmels, (2014). The role of combined laser
scanning and video techniques in monitoringwave-by-wave swash zone
processes. Coastal Engineering 83, 150-165.
39. Wright, L. D., & Short, A. D. (1984). Morphodynamic variability of surf
zones and beaches: Asynthesis. Marine Geology, 56(1-4), 93-118.

4