Động lực học của sóng biển, W12, E43

TUYỂN TẬP BÀI TẬP PHỔ THÔNG, ĐẠI HỌC, SAU ĐẠI HỌC
LUẬN ÁN-ĐỒ ÁN-LUẬN VĂN-KHOÁ LUẬN-TIỂU LUẬN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG BIỂN

1


2


3


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

4


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

5


MỞ ĐẦU
Việt Nam có bờ biển dài khoảng 3260 km và nằm ở phía tây biển Đông nên
chịu ảnh hưởng trực tiếp của các điều kiện khí tượng thủy văn biển Đông. Trường
sóng trên biển Đông là một trong các yếu tố động lực biển quan trọng tác động lên
tàu thuyền, các công trình và mọi hoạt động trên biển. Khi sóng lan truyền vào vùng
ven bờ thì trường sóng vùng ven bờ cũng là nguyên nhân chính gây xói lở bờ biển,

biến đổi đáy biển vùng ven bờ tác động đến các công trình bảo vệ bờ, công trình
cảng và luồng ra vào cảng.
Sóng biển lan truyền về phía bờ sẽ biến dạng, đổ vỡ khi chiều cao sóng đạt
tới một giá trị tới hạn so với chiều sâu nước. Sau khi sóng đổ, chuyển động sóng
thành chuyển động rối, đặc trưng bởi các xoáy cuộn có kích thước khác nhau. Do
chuyển động rối này, năng lượng sóng truyền từ khơi vào sẽ bị tiêu hao trong vùng
sóng vỡ. Dưới ảnh hưởng của chuyển động rối do sóng vỡ tạo nên, chuyển động của
chất lỏng trong vùng sóng vỡ và sóng tràn vô cùng phức tạp. Việc nghiên cứu và
mô phỏng sóng vỡ và sóng tràn trong vùng nước nông là vấn đề cần phải nghiên
cứu hiện nay của lĩnh vực nghiên cứu biển nhưng do quy mô diễn ra nhỏ và bao
gồm nhiều quá trình tương tác phức tạp nên vẫn chưa được tập trung nghiên cứu.
Luận văn này trình bày những tổng quan cơ bản về các quá trình vật lý của
hiện tượng sóng tràn sau quá trình tiêu tán năng lượng do sóng đổ. Luận văn đã thu
thập số liệu đo đạc trong vùng sóng tràn bằng thiết bị đo đạc quy mô nhỏ, tần số cao
Vectrino ADV tại bãi biển Nha Trang và đưa ra các phân tích đặc trưng của quá
trình lan truyền sóng trên bãi biển. Các kỹ thuật xử lý số liệu, xử lý ảnh hiện đại đã
được ứng dụng để phân tích số liệu. Mô hình số cũng đã được ứng dụng để mô tả số
quá trình lan truyền sóng sau khi sóng đổ. Các kết quả mô phỏng của mô hình đã
được so sánh với kết quả đo đạc tại bãi biển Nha Trang và đã chỉ ra khả năng ứng
dụng của mô hình vỡ đập (dambreak model) cho nghiên cứu hiện tượng lan truyền
sóng sau đới sóng đổ.

6


Chương 1 -TỔNG QUANNGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN

1.1. Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone)
1.1.1. Giới thiệu chung
Vùng sóng tràn(swash zone) là một bộ phận của biển mà khoảng rộng từ giới

hạn sóng bắt đầu vỡ cho đến giới hạn cao nhất mà nước biển có thể đi lên. Đây là
một khu vực rất biến động và phức tạp, nơi xảy ra các quá trình thủy động lực học
và hình thái học khác nhau.

Hình 1. 1.Quá trình lan truyền sóng từ ngoài khơi vào bờ.
Đới sóng tràn là nơi tiếp giáp trực tiếp giữa đất liền và biển. Đây là dải hẹp
và nhiều biến động cũng như rất phức tạp của các quá trình thủy động lực học. Tuy
nhiên, sự thay đổi đường bờ, bãi biển chính là kết quả của các quá trình rối, quá
trình vận chuyển trầm tích... cũng như các tác động trực tiếp của sóng. Chính sự
thay đổi này định hình nên địa mạo của các bãi biển.
Dogia tăng sự tương tác giữa chuyển động của các hạt nước và đáyđã tạo ra
sự thay đổi đặc điểm của sóng trong quá trình truyền sóng về phía bờ biển. Vùng
sóng vỡ và sóng tràn phụ thuộc vào điều kiện của thủy triều và sóng. Khu vực nằm
giữa vùng sóng vỡcho đến giới hạn cao nhất mà nước biển có thể đi lên bao gồm hai
vùng:

- Vùng sóng vỡ: Từ vị trí sóng bắt đầu đổ khi truyền vào bờ đến vùng được
giới hạn bởi mép nước biển (thay đổi theo mực nước thủy triều), thông
thường ở độ sâu từ 5 ÷ 10 m.

- Vùng sóng tràn: Là vùng sóng tác động lên vùng bờ dưới dạng dao động
mực nước, nó nằm giữa mép nước biển (thay đổi theo mực nước thủy
triều)với vùng sóng tràn và sóng rút.

7


Hình 1. 2. Đặc điểm chính của một bãi biển (bên trái) và của phần đất bồi ở biển
(bên phải) (Masselink & Hughes 2003).
Vùng sóng tràn là một phần đặc biệt của bãi biển mà liên tục khô và ướt do

hiện tượng dao động mực nước của biển. Theo Short (1999) định nghĩa vùng sóng
tràn là một phần của bãi biển nằm giữa giới hạn thấp của pha nước đi xuống và giới
hạn trên của pha nước đi lên trên bãi biển.
Short (1999) đã mô tả hai đặc điểm bổ sung làm cho hình thái động lực vùng
sóng tràn độc đáo so với phần còn lại của bãi biển. Đầu tiên có một thực tế là độ sâu
nước trong sóng tràn có thể rất nhỏ, đặc biệt trong pha nước đi xuống, dẫn đến một
tình huống dòng chảy phức tạp. Thứ hai, một phần của đáy trong vùng sóng tràn là
không bão hòa gây nên sự xâm nhập của nước ở phía dưới đáy, đây là một khía
cạnh quan trọng liên quan đến vận chuyển bùn cát.
Các nhà khoa học trên thế giới đã chứng minh rằng vùng sóng tràn là khu
vực biến động nhất trong khu vực gần bờ, và nó được đặc trưng bởi dòng chảy
mạnh và không ổn định, mức biến động cao, vận chuyển bùn cát diễn ra mạnh
mẽgây thay đổi hình thái bãi biển trong một khoảng thời gian nhỏ [Butt & Russell,
1999; Masselink & Puleo, 2006; Bakhtyar et al, 2009].
Trong vùng sóng vỡ và sóng tràn năng lượng sóng tiêu hao mạnh mẽ gây ra
bởi hiện tượng phi tuyến (sóng vỡ, sự sụp đổ của bore nước, dòng chảy rối), vì vậy
các quá trình vận chuyển trầm tích ven bờ hầu hết đều xảy ra trong hai vùng này và
cuối cùng hình thành hình thái bãi biển.

1.1.2. Các khu vực gần bờ
Khi sóng tiếp cận bờ biển, sẽ có một vị trí mà tại đó độ sâu của nước đã giảm
đến một mức độ làm cho vận tốc truyền sóng (c g) giảm. Trước khi sóng vỡ, thông
lượng của năng lượng sóng được bảo toàn trong lan truyền sóng [ví dụ: Holthuijsen,
2007]:
P = Ecg = constant

8

(1.1)

Trong đó E là năng lượng sóng và cglà vận tốc (nhóm) sóng. Theođịnh luật
bảo toàn năng lượng, năng lượng sóng tăng thì vận tốc lan truyền sẽ phải giảm. Khi
năng lượng sóng tăng thì làm cho chiều cao sóng tăng lên. Hiện tượng này được gọi
là hiệu ứng nước nông. Sau khi sóng vỡ thì một khối nước lan truyền như một bore
nước qua vùng sóng vỡ. Và một lớp nước mỏng sẽ đi lên (chạy lên) trên bãi biển và
đi xuống (chạy xuống) trong một khu vực được gọi là vùng sóng tràn. Một chuỗi
pha nước đi lên và pha nước đi xuống được gọi là chu kỳ sóng tràn. Trong hình
1.3một sự khái quát của khu vực gần bờ được đưa ra.

Hình 1. 3. Phân loại các khu vực sóng gần bờ.

1.1.3. Sóng và sóng gây ra sóng tràn
Sóng có thể bắt nguồn từ gió (sóng gió, sóng lừng, sóng mao dẫn), lực hấp
dẫn giữa Mặt trời, Mặt trăng và Trái đất (sóng triều), chấn động biển (sóng thần)
hoặc có thể được gây ra bởi sóng khác (sóng tần số thấp). Các chu kỳ sóng có thể
khác nhau từ nhỏ hơn 0.1s của sóng mao dẫn đến hơn 24 giờ của sóng triều.
Ba loại sóng đặc biệt quan trọng đối với vùng sóng tràn: sóng triều, sóng tần
số cao (sóng ngắn) và sóng tần số thấp (sóng dài). Quy mô thời gian và không gian
của thủy triều là lớn hơn nhiều so với quy mô vùng sóng tràn, ảnh hưởng của thủy
triều trong vùng sóng tràn có thể được biểu diễn như là một sự thay đổi mực nước,
chứ không phải là một dao động của sóng.

9


a, Sóng tần số cao
Sóng gió là sóng tạo ra bởi gió và quy mô của các sóng này phụ thuộc vào
tốc độ gió, thời gian gió thổi, đà gió (chiều dài mà gió tương tác với mặt biển) và độ
sâu của nước. Chu kỳ của chúng thường lớn hơn 0.25s và nhỏ hơn 30s, và nó được

gọi là sóng trọng lực bề mặt, sóng ngắn hoặc sóng tần số cao. Sóng gió tương đối
ngắn, và bao gồm các chuyển động khá ngẫu nhiên và không thường xuyên.
Sóng có thể lan truyền với một quãng đường dài, nhưng do quá trình phân
tán tần số (nơi mà những sóng được sắp xếp theo tần số sóng của chúng do sự khác
biệt trong dao động của sóng), chuỗi sóng sẽ trở nên đều đặn hơn (gọi là sóng lừng).
Một tác dụng của tần số phân tán, đó là những sóng có xu hướng di chuyển trong
nhóm sóng (hình 1. 4). Trong vùng nước nông, nơi màsóng biển đang hoàn toàn
thay đổi bởi quá trình vỡ, sóng tách nhóm.
Trong hình 1. 4 các đường nét liền tượng trưng cho sự chuyển động sóng tần
số cao, các đường nét đứt đại diện cho nhóm sóng ngắn hình bao và đây là các hình
dạng tổng thể của nhóm sóng lan truyền trong không gian.

Hình 1. 4. Đại diện của dao động sóng tần số cao.
b, Sóng tần số thấp

10


Bên cạnh đó sóng cao tần chuyển động có thể đạt được một chu kỳ sóng đến
năm phút (với tần số 0,003÷0,03Hz). Những sóng có bước sóng dài hơn, nhưng
biên độ thường nhỏ hơn nhiều so với sóng tần số cao, và được liên kết với các nhóm
sóng ngắn. Trong văn liệu chúng được gọi là sóng dài, sóng tần số thấp, sóng vỡ
nhịp hay sóng trọng lực thấp. Có hai loại sóng tần số thấp: sóng dài và sóng tự do.

Hình 1. 5. Đại diện của dao động sóng dài cưỡng bức bởi hai thành phần sóng của
nhóm sóng ngắn.
Trong hình 1. 5một dao động sóng dài là sơ đồ đại diện cho hai thành phần
sóng của nhóm sóng ngắn.
Trong hình 1. 5các đường nét liền đại diện cho sóng tần số cao, trong khi các
đường nét đứt đại diện cho sóng dài.

1.1.4. Chu kỳ sóng tràn
Khi sóng lan truyền vào đến bờ tạo ra một chuyển động theo chu kỳ của pha
nước đi lên và đi xuống. Hiện tượng đi lên và đi xuống của pha nước do sóng được
gọi là chu kỳ sóng tràn. Một chu kỳ sóng tràn bao gồm hai giai đoạn riêng rẽ, mỗi
một giai đoạn có đặc trưng riêng [Bakthtyar cùng cộng sự, 2009]. Quá trình đi lên
của nước trên bãi biển là quá trình nước chuyển đến dồn lên. Trong khoảng dồn lên
của nước trên bãi biển thì vận tốc dòng chảy sẽ giảm đi (vì do ma sát đáy và trọng

11


lực) cho đến khi vận tốc bằng 0. Trong một thời gian ngắn nước dichuyển lên bãi
biển đến vị trí cao nhất mà nước biển có thể đi lên và sau đó nước sẽ bắt đầu di
chuyển xuống. Sau khi nước di chuyển xuống thì vận tốc dòng chảy tăng thêm lần
nữa, nhưng lúc này hướng dòng chảy ra ngoài khơi, cho đến khi gặp chu kỳ sóng
tràn tiếp theo. Sự đi xuống của nước trên bãi biển hướng ra biển là chuyển động
nước cuộn ngược. Trong hình 1. 6 biểu diễn một chu kỳ sóng tràn trên bãi biển.
Chu kỳ sóng tràn nói chung có thể được phân thành ba dải tần số và được thể
hiện trong bảng 1. 1.
Bảng 1. 1. Khoảng tần số trong vùng sóng tràn [Short, 1999]
Tần số (Hz)

Chu kỳ (s)

Tần số cao

0,07 - 0,2

5 - 15

Tần số trung bình

0,03 - 0,07

15 - 30

Tần số thấp

0,003 - 0,03

30 - 300

Hình 1. 6. Sơ đồ mô phỏng chu kỳ sóng tràn trên bãi biển bằng mô hình Xbeach
Trên hình 1.6 biểu diễn sự lan truyền của sóng tràn trên bãi biển được trích
xuất từ quá trình mô phỏng của mô hình Xbeach. Trong hình (A) một bore sóng lan
truyền về phía bãi biển. Trong hình (B) chiều cao bore giảm (sụp đổ) và thay đổi
thành một lớp nước mỏng vẫn đi lên bãi biển (dồn lên). Trong hình (C) vận tốc
đang giảm do ma sát đáy và (chủ yếu) lực hấp dẫn. Trong hình (D) và (E) các rửa
ngược được thực hiện; nước di chuyển từ bãi biển về phía biển. Trong hình (F) sóng
tràn gặp các bore tiếp theo do đó sẽ tạo ra một chu kỳ sóng tràn mới.
Chu kỳ sóng tràn bất đối xứng
Sự khác biệt trong hiện tượng dồn lên và rửa ngược trong một chu kỳ sóng
tràn được gọi là sóng tràn bất đối xứng. Trong hình 1. 7thể hiện một chuỗi thời gian

12


của mực nước và vận tốc đo được trong vùng sóng tràn, nơi mà sóng tràn bất đối
xứng có thể được quan sát thấy. Ngược lại với hiện tượng rửa ngược, thì hiện tượng

dồn lên diễn ra trong thời gian ngắn vàtốc độ mạnh. Ngoài ra mực nước dồn lên sẽ
cao hơn mực nước rửa ngược. Khi vận tốc dồn lên lớn và mực nước dồn lên cao sẽ
tạo ra lưu lượng trong quá trình dồn lên lớn hơn trong quá trình rửa ngược.

Hình 1. 7. Đo đạc thực địa của vận tốc dòng chảy ngang bờ (đường nét liền) và độ
sâu của nước (đường nét đứt) cho một chu kỳ sóng tràn, đo ở vị trí nửa giữa giới
hạn đi lên và đi xuống của nước [Hughes cùng cộng sự, 1997].
Với trường hợp trên một bãi biển; sẽ có hai khía cạnh được xem xét. Khía
cạnh đầu tiên là sự khác biệt trong thời gian dồn lên và rửa ngược; trong hình 1. 7
thời gian dồn lên là ngắn hơn so với thời gian rửa ngược. Khía cạnh thứ hai là dòng
chảy ngầm. Nước xâm nhập bãi biển (khô) trong dồn lên và sẽ thoát ra trong rửa
ngược, do đó một phần của nước đưa lên bãi cát bởi sự dồn lên là vẫn còn lại trong
khoảng rửa ngược.
Cả hai quá trình dồn lên và rửa ngược có nhiều quá trình thủy động lực diễn
ra mà có ảnh hưởng đến vận chuyển bùn cát trong vùng sóng tràn.

1.1.5. Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn

13


a, Hình thái bãi biển
Theo Wrigh & Short [1984] bãi biển có thể được phân thành ba loại hình
thái:
- Bãi biển phản xạ: Đó là những bãi biển khá dốc mà có vùng sóng vỡ và sóng tràn
hẹp. Chuyển động của sóng trên bãi biển phản xạ là hiện tượng lao lên đến sụp đổ
của các sóng vỡ hoặc sóng không vỡ và sau đó được phản xạ. Các loại trầm tích tại
các bãi biển này là tương đối thô và không có bar chắn sóng vỡ [Short, 1999]. Do
sự phân tán năng lượng sóng thấp, các bãi biển phản xạ thường được gọi là bãi biển
có năng lượng thấp.

- Bãi biểnkhuếch tán: Đó là những bãi biển tương đối bằng phẳngvớimột vùng
sóngvỡ vàsóng tràn rộngvàcó nhiềubar chắn sóng vỡ hiện diện trongprofilengang
bờ[Short, 1999]. Chuyển động của sóngtrênbãi biểnkhuếch tánlà hiện tượng sóng
vỡsau đó trànlên bãi biển vàcáctrầm tíchtrên bãi biển làtương đối mịn[Short, 1999].
Cácchuyển động sóng tràn chính bao gồm bore nước sụp đổđi lên và đixuống bãi
biển.Dotiêu tánmộtphầnlớn năng lượngsóngnên cácbãi biểnkhuếch tán thường
đượcgọi làbãi biển cónăng lượngcao.
- Bãi biểntrung gian: Những bãi biển có sự kết hợpcác đặc điểm củahai hình tháibãi
biểnphản xạ và khuếch tán, có thể đượcxem như làbãi biển bánkhuếch tán(hoặc bán
phản xạ).

Hình 1. 8. Hình thái bãi biển.
b, Sự thống trị của sóng tần số cao và thấp
Một sốthí nghiệmđã đượctiến hànhđể nghiên cứusự khác biệt cácquá
trìnhtrong vùng sóng trànchomộtbãi biển khuyếch tánvàphản xạ[ví dụ:
Masselink&Russell, 2006;Milesetal., 2006].Trênbãi biểnphản xạcác sóngtần sốthấp
được phản xạ, còn sóngtần số cao hơnbị vỡkháđột ngột (lao dốchoặcbị sụp đổ), làm
cho cácsóngtần sốcao hơnchiếm ưu thế hơntrong vùng sóng tràn. Trênbãi
biểnkhuếch tán, do độdốcbãi biểntương đốithoai thoảinên tăng cường phát triển

14


sóngtần sốthấp hơn. Dohiện tượng tiêu tán củasóngtần sốthấp vàsóngtần sốcao, nên
bãi biểnkhuếch tánchi phốiđến chuyển động của sóngtần sốthấp[Wright &Short,
1984;Short, 1999].

1.2.

Tình hình nghiên cứu

a, Trên thế giới
+ Sự hiểu biết về hoạt động sóng tràn
Cơ chế sóng tràn chịu ảnh hưởng bởi các đặc điểm của khu vực nghiên
cứu(độ dốc bãi biển, phân bố kích thước hạt, chế độ sóng) (Masselink và Puleo,
2006).
+ Đo đạc trong vùng sóng tràn
Bởi vì vùng sóng tràn không ổn định, năng lượng rối lớn, thủy triều chi phối,
dòng chảy hẹp, rất khó khăn để có được các dữ liệu chính xác trong vùng sóng tràn.
Các nghiên cứu trước đã tiến hành bằng cách sử dụng thiết bị đo dòng chảy tần số
cao (ADV) và cảm biến quang tán xạ ngược (Hugues et al. 1997; Hughes and
Turner, 1999; Puleo et al. 2000; Baldock, 2004; Masselink et al. 2005). Gần đây,
các kỹ thuật mới (ADV,Video) đã được thử nghiệm thành công (Vousdoukas et al,
2014; Lefebvre et al. 2014).
+Vận chuyển trầm tích
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của dòng chảy trong vùng sóng tràn đến quá trình
vận chuyển bùn cát ven bờ (Horn and Mason, 1994; Puleo et al. 2000; Pritchard and
Hogg, 2005; Barnes et al. 2009); Steenhauer et al. 2012; Shanehsazzedeh and
Holmes, 2013; Liu 2013).
+ Mô phỏng tại các phòng thí nghiệm
Để tránh các khó khăn của điều kiện tự nhiên, quá trình sóng tràn đã được
nghiên cứu trong điều kiện kiểm soát ở trong phòng thí nghiệm (Erikson et al. 2005;
Lobovsky et al. 2013; Kikkert et al. 2013).

15


+ Mô hình
Nghiên cứu mô phỏng quá trình lan truyền sóng trong đới sóng tràn bằng mô
hình mô phỏng sự sụp đổ của một bore nước tương tự như một cơ chế vỡ đập

(Holland and Puleo, 2001; Puleo et al. 2002; Hugues and Baldock, 2004; Brocchini
and Baldock, 2008) và đã khẳng định khả năng ứng dụng của dạng mô hình này khi
mô phỏng trường dòng chảy trên bãi biển.
b, Trong nước:
Rất ít các điều tra đã thực hiện về chủ đề này ở Việt Nam. Nguyễn Thế Duy
cùng cộng sự (2002) đã mô hình hóa dòng chảy được tạo ra bởi một sóng vỡ và mở
rộng cho dòng chảy cả vùng sóng vỡ và sóng tràn trong máng sóng.

1.3.

Mục tiêu luận văn
Từ việc xử lý và phân tích số liệu khảo sát trong hai đợt khảo sát tháng 5 và 12

năm 2013 tại bãi biển Nha Trang, tác giả sẽ đưa ra được bức tranh trường dòng
chảy và phân bố năng lượng rốitrong vùng sóng vỡ và sóng tràn trên bãi biển Nha
Trang.
Trong quá trình xử lý và phân tích số liệu sóng của máy AWACtại vị trí có độ
sâu 10 m và dữ liệu ảnh của camera để tìm ra mối liên hệ giữa độ cao sóng ngoài
khơi với chiều cao của bore nước trong vùng sóng tràn.
Song song với quá trình xử lý và phân tích số liệu khảo sát còn kết hợp với
phát triển, ứng dụng và kiểm chứng mô hình vỡ đập (dambreak model) cho mô
phỏng hiện tượng lan truyền sóng sau đới sóng đổ.

16


Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG
TRÀN

2.1.

Phương pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sát
2.1.1. Khảo sát thực địa
Trong hai đợt khảo sát tại bãi biển Nha Trang theo 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” – Chương trình KH&CN nghị định thư cấp Nhà nước do
tác giả của luận văn này đã tiến hành đo dòng chảy trong vùng sóng tràn bằng máy
Vectrino II trong tháng 5 và tháng 12 của năm 2013.
Vì vùng sóng tràn thay đổi theo dao động của mực nước thủy triều nên khi tác
giả tiến hành đo dòng chảy trong vùng sóng tràn bằng máy Vectrino II cũng phải
dịch chuyển vị trí đặt máy theo dao động của mực nước thủy triều. Do đó phải chọn
vị trí đặt máy Vectrino II trong vùng sóng vỡ và sóng tràn sao cho đầu sensor ngập
trong nước nhiều nhất. Khoảng cách từ đầu sensor tới đáy phải lớn hơn 8 cm,
khoảng đo cách đầu sensor 4 cm và đo trong khoảng 3,5 cm với 35 cell, khoảng
cách mỗi cell là 1mm, tần số đo là 0,015s (hình 2.1).Các số liệu đo đạc của máy
Vectrino được hỗ trợ bởi một trạm đo sóng ngoài khơi bằng máy AWAC tại độ sâu
10 m.

Hình 2. 1. Triển khai đo Vectrino II (Nortek) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và sơ
đồ nguyên tắc đo.
2.1.2. Phương pháp xử lý số liệu Vectrino
Từ chuỗi số liệu đo đạc tác giả đã tiến hành xử lý bằng một chương trình
Matlab.
Để một chương trình đọc dữ liệu một cách tốt thì tác giả đã xây dựng sơ đồ dữ
liệu:

17


Chuyển đổi dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab

Dữ liệu thô là các số, ký tự được mã hóa bởi chương trình của máy Vectrino.
Để chuyển đổi dạng dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab
đọc được thì trong phần mềm Nortek Vectrino II, có tool Export Matlab để xuất số
liệu sang dạng *.mat. Nhưng để số liệu xuất ra đúng theo thời gian thực đo thì cần
kết hợp giữa file configuration tương ứng với dữ liệu cần xuất.
b, Đọc thời gian trong file *.mat
Trong file số liệu có chứa thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc đo. Để
thuận tiện cho việc xử lý và phân tích số liệu sau này, thì tác giả đã thay đổi tên file
thành: Vectrino dd-mm-yyyy start time_end time.mat.
c, Trích xuất một đoạn số liệu từ một chuỗi số liệu đo đạc
Trong quá trình đo máy Vectrino thì tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam là một
điều kiện tiên quyết cho bất kỳ phép đo và chúng ta cần SNR Beam tốt để đảm bảo
có đủ tán xạ trong nước và công suất phát là đủ cao để tạo ra một phản xạ mạnh.
Trong điều kiện đo đạc phức tạp tại bãi biển vì vậy dữ liệu đo về cần phải có quá
trình xử lý loại bỏ các đoạn số liệu bị nhiễu, số liệu chất lượng kém do SNR Beam

dayday
2 1

thấp hơn 20db.
Tiến hành xử lý và phân tích số liệu bằng việc phân tích các chuỗi số liệu

nts

SNR Beam. Tín
hiệu/tỷRaw
lệ nhiễu (SNR Beam) (hình 2.
2) biểu
Vectrino
NT1diễn cho các cực

NT2
đoan cục bộ. Các chấm đen trong hình thể hiện đầu sensor của máy Vectrino nổi lên
khỏi mặt nước.

18


Hình 2. 2. Biểu đồ tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam cao và thấp trong quá trìnhđo.
Để có số liệu dòng chảy tốt thì tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam phải tốt. Để
loại bỏ các đoạn số liệu bị nhiễu và chọn ra các đoạn số liệu tốt thì ta c lick vào
haiđiểmđểchọn một chuỗi. Việc lựa chọnxuất hiện trongđoạn màu đỏtrên biểu đồ.

Hình 2. 3. Lựa chọn một đoạn dữ liệu (đoạn màu đỏ) trong chuỗi dữ liệu.
Khi đã chọn được đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam thì chúng ta tiến hành
phân tích số liệu dòng chảy tương ứng với đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam mà
ta đã chọn và được thể hiện trên hai hình dưới đây:

19


Hình 2. 4. Độ lớn vận tốc (màu xanh dương) và hướng (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 dưới).
Năng lượng rối theo từng cell và theo thời gian được ước tính:
Hình 2. 5. Năng lượng rốiTKE ước tính trong micro-profile.
Dựa vào đồ thị khoảng cách sensor – đáy cho ta thấy tín hiệu/tỷ lệ nhiễu
SNR Beam tốt thì chưa chắc số liệu dòng chảy đã tốt. Vì theo nguyên tắc đo của
máy Vectrino (hình 2. 1), để có số liệu dòng chảy tốt thì đầu sensor phải ngập trong
nước và khoảng cách từ sensor – đáy phải lớn hơn hoặc bằng 7,5cm.
Từ đó, cần phải kết hợp với số liệu của máy quay để loại bỏ các đoạn số liệu

khi đầu đo nổi trên không khí.
2.1.3. Phương pháp đồng bộ số liệu Vectrino và số liệu Video
Do sự thay đổi của độ cao mực nước thủy triều, nên khi tiến hành đo máy
Vectrino trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và do đó số liệu ghi lại sẽ bị sai khi đầu
đo đã nổi lên khỏi mặt nước. Các dữ liệu có được khi đầu đo Vectrino đã nằm trong
vùng sóng tràn sẽ được lựa chọn từ sự đồng bộ hóa giữa các đoạn video và số liệu
Vectrino theo thời gian thực.

Hình 2. 6. Đo đồng bộ máy Vectrino và máy quay Video.
Dữ liệu tương ứng để mức nước cao hơn đầu sensor (tức là độ sâu lớn hơn 7,5 cm
dưới các cảm biến) được phát hiện bằng cách xử lý các tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam).
Bộ dữ liệu có tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam) cao nhất và đầu sensor nằm trong nước
được vẽ bằng màu xanh lá cây (hình 2. 7).

20


Hình 2. 7.SNR (màu đen), dữ liệu được lựa chọn trước (màu xanh) và cực tiểu của
SNR (màu đỏ).
Từ đó chúng ta chọn những đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNRmàu xanh đã loại
bỏ số liệu bị nhiễu do đầu sensor nằm trên không khí hoặc khoảng cách giữa đầu
sensor tới đáy nhỏ hơn 7,5cm. Tiến hành chọn đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR màu
xanh tốt (đoạn dữ liệu màu đỏ tronghình 2. 8).
Hình 2. 8.Lựa chọn một đoạn dữ liệu tốt (màu đỏ) trong một chuỗi dữ liệu.
Khi đã chọn được đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR tốt thì chúng ta tiến hành
phân tích số liệu dòng chảy, năng lượng rối tke tương ứng với đoạn tín hiệu/tỷ lệ
nhiễu SNR mà ta đã chọn và được thể hiện trên hai hình 2.9 và 2.10.
Điều kiện dòng chảy tương ứng với đoạn dữ liệu được lựa chọn (màu đỏ)
trong vùng sóng vỡ và sóng tràn được trình bày trên hình 2.9.
Hình 2. 9.Đồ thị 1: Vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) của

dòng chảy; đồ thị 2: Thành phần ngang của dòng chảy (hướng lên trên bờ); đồ thị 3:
độ sâu đo được từ các cảm biến (đường màu đỏ tương ứng với vị trí của các cell đo
được); đồ thị 4: Năng lượng rối trung bình các cell đo được.

21


Năng lượng rối (TKE)bên trong các cellđođược hiển thị trên hình 2.10 dưới
đây.

Hình 2. 10.Năng lượng rối (TKE) trong 3,5cm micro-profile.
2.2.

Mô hình Dam-Break

2.2.1. Lý do chọn mô hình Dam-break
-

Vì quá trình lan truyền nước trong vùng sóng tràn là sự sụp đổ của bore nước tương
tự như quá trình vỡ đập.

-

Kiểm chứng mô hình xem mô hình có thực sự mô phỏng được quá trình lan truyền
sóng trong vùng sóng tràn không.
2.2.2. Giới thiệu mô hình Dam-break
Mô hình thủy lựctính toánbằngviệc sử dụng cácmô hìnhtoán học đểhiểu khái
niệmcơ chếchuyển động củanướctrong không gianvà thời gian.
Phương trình sai phân hữu hạn (PDE- Partial Differential Equation) sử dụng
cho cácmô hình mô phỏng dòng chảybề mặt tự dodựatrên quy luật bảo tồn khối

lượngvàđộng lượng.
a, Các phương phápsố:
Ba loại phương phápsố sẽ đượcsử dụng đểgiải quyết vấnđề củaphương trình
sai phân hữu hạn:
1-Phương phápsai phân hữu hạn.
2-Phương pháp phần tử hữu hạn.
3-Phương phápthể tích hữu hạn.
Phươngpháp sai phân hữu hạn là một phương pháp đại số dựa trên các khai
triển của Taylor, đó là một phương pháp xấp xỉcác nghiệm bằng cách giải phương
trình sai phân hữu hạn.
Để giải quyết vấn đề này, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể
tích hữu hạn có thể là giải pháp.

22


Phương pháp phần tử hữu hạn có nguồn gốc từ lĩnh vực phân tích kết cấu, nó
sau đó đã được áp dụng cho cơ chất lỏng, phương pháp phần tử hữu hạn là phức tạp
hơn so với phương pháp sai phân hữu hạn tuy nhiên nó cung cấp kỹ thuật đa năng
cho các vấn đề phức tạp với hình học.
Phương pháp phần tử hữu hạnxem xétcácnghiệm có phù hợp với liên kết
cácsố hữu hạn của cácyếu tốphân tử vàcác phương trình sai phân hữu hạnđượcbiến
đổi đếnphương trình đồng thờituyến tính hoặckhông tuyến tính.
Cácvấn đềliên tụcđược đơn giản hóabằng cáchlàm giảm đimiềntính thành
các phần tửnhỏnhư vậyđại lượngvô hạnkhông biết sẽ bịbiến thành đại lượnghữu
hạnkhông biếttại một nútnào đó.
Phương pháp thể tích hữu hạnlàmộtphiên bảntinh tế của phương pháp sai
phân hưu hạn vì nó cung cấpmột tính chất bảo tồntuyệt vời vàgiải thích vật lýrõ
ràng. Các miền tính đượcchia ra thành mộttập hợp cácthể tíchkiểm soát.
Phương pháp thể tích hữu hạn là phương phápxác địnhnghiệmtrong một

celldosự trao đổi(thông quacác luồng) tại bề mặtvới tất cả cáccelllân cận.
b, Phương pháp thể tích hữu hạn Godunov:
Chương trình Godunov làmột phương phápphân tíchthể tích hữu hạn giải bài
toánRiemann.
Bài toánRiemannsử dụngcác giá trịmặtcủa các biếndòng chảyở hai bêncủa bề
mặt (trạng thái Riemann).
Chương trìnhGodunovcó thể tính toánsự trao đổi giữacác dòng chảyngay cả
khicácnghiệmlà không liên tục.
Chương trình nàycũngcó thể mô phỏngcác hiện tượngphức tạp củanước
nôngvới các loạikhác nhaucủa các tình huống (siêu tới hạn, dưới tới hạn, bề
mặtkhôướt).
2.2.3. Mô hình dòng chảy nước nông

23


a, Phương trìnhnước nông1D
Cácphương

trìnhnước

nônghay

còn

gọi

làphương

trình

SaintVenantlàmộtloạicủaphương trìnhphi tuyếnhyperbolic.Nócó nguồn gốctừtích
hợpphương trìnhNavier-Stokestrong đóquy mô chiều dàinganglớnhơn chiều sâuchất
lỏng. Đối với điều này, nó được giả địnhrằng vận tốcthẳng đứngcủa nước làcực
kỳnhỏ. Dạng ma trậncủaphương trình nước nông 1-Dlà:
η 
∂U ∂F
+
= S →U =  
∂t ∂x
q 

q


0


S=
F=
1
∂zb 
2
uq + g (η − 2πz b )
− gη ∂x 
2



(2.1)

Trong đó:
t: thời gian,

U: vector chứa các dòng chảy được bảo toàn;

x: tọa độ Decartes;

F: vector thông lượng trong x-hướng;

S: vector nguồn;

η và zb là độ cao bề mặt nước, độ cao đáy so với mốc;

h = η - zb;

q = uh: lưu lượng đơn vị chiều rộng;

g: gia tốc do trọng lực;

u:vận tốc trung bình theo độ sâu;

���/��:độ dốcđáy
b, Phương phápthể tíchhữu hạn
Sự tích hợp củaphương trình nước nông 1-Dtheo thời gian vàthể tích kiểm
soátlà:
t + ∆t

∫
t

t + ∆t

∫
t

t + ∆t
t + ∆t
∂U i
∂Fi
dVdt
+
dVdt
=
∫CV ∂t
∫t CV∫ ∂x
∫t CV∫ S i dVdt

t + ∆t

∫
t

t + ∆t
t + ∆t
∂U i
∫ ∂t dVdt + ∫t ( AFie − AFiw )dt = ∫t CV∫ S i dVdt
CV

24

t + ∆t
t + ∆t
∂U i
dVdt
+
F
dSdt
=
∫CV ∂t
∫t ∫S i
∫t CV∫ S i dVdt


U in +1 = U in −

∆t
( Fie − Fiw ) + ∆tS i
∆x

trong đó:ΔxvàΔtlàđộ dài củacáccell

(2.2)
vàbước thời

gian,nlà

mứcthời gian,

FiwvàFielà vectơthông lượngquacác bề mặt trái và phảinhư thể hiệntrong hình 2. 11.

Hình 2. 11.Sơ đồ vecto thông lượng qua các bề mặt.
c, Chương trình bậc hai
Chương trình bậc haichính xácđược xây dựngvới sự kết hợpcủađộ dốcgiới
hạnvà tích phân thời gianRunge-Kutta để có đượcđộ chính xác bậc haitrong thời
gian,kết quả là:
U in +1 = U in −

∆t
1
( Fie − Fiw ) + ∆tS i U in +1 = U in − ∆t ( K i (U n ) + K i (U * ))
∆x
2

U * = U in + ∆tK i (U n )

(2.3)

(2.4)

trongđó:��=-���-���/Δ�+��;là hệ sốRungeKutta
�*là biếnlưu lượngtrung gian.
d,Giải pháp Harten-Lax-Van LeerRiemann
Chương trìnhGodunovmô tảcácvấn đềRiemann, giải pháp Harten-Lax-Van
LeerRiemannsau đó đượcsử dụng đểgiải quyết chocác thông lượngbề mặt. Xấp
xỉchocáccell thông lượngđạt đượctrực tiếp vì nóchỉ gồmba trạng tháiliên tụccách

25