NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA SÓNG SAU ĐỚI SÓNG ĐỔ TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG (LUẬN VĂN THẠC SĨ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG 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


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ........................................................... Error! Bookmark not defined.
MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................. Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................... Error! Bookmark not defined.
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chƣơng 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN ..2
1.1.

Giới thiệu về vùng sóng tràn (swash zone) ................................................2

1.1.1.

Giới thiệu chung ..................................................................................2

1.1.2.

Các khu vực gần bờ .............................................................................4

1.1.3.

Sóng và sóng gây ra sóng tràn ............................................................5

1.1.4.

Chu kỳ sóng tràn..................................................................................7

1.1.5.

Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn ...................................11

1.2.

Tình hình nghiên cứu ...............................................................................12

1.3.

Mục tiêu luận văn .....................................................................................14

Chƣơng 2 – PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG
TRÀN ........................................................................................................................15
2.1.

Phƣơng pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sát .....................................15

2.1.1.

Khảo sát thực địa...............................................................................15

2.1.2.

Phương pháp xử lý số liệu Vectrino ..................................................16

2.1.3.

Phương pháp đồng bộ số liệu Vectrino và số liệu Video ..................20

2.2.

Mô hình Dam-Break ................................................................................24

2.2.1.

Lý do chọn mô hình Dam-break ........................................................24

2.2.2.

Giới thiệu mô hình Dam-break .........................................................24

2.2.3.

Mô hình dòng chảy nước nông ..........................................................26

2.3.

Tổng quan khu vực vịnh Nha Trang ........................................................31

i


2.3.1.

Vị trí địa lí .........................................................................................31

2.3.2.

Đặc điểm gió .....................................................................................31

2.3.3.

Đặc điểm dòng chảy ..........................................................................32

2.3.4.

Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước .....................................33

2.3.5.

Đặc điểm chế độ sóng .......................................................................33

Chƣơng 3 – KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TẠI BÃI BIỂN NHA TRANG ....................36
3.1.

Kết quả phân tích trƣờng dòng chảy trong vùng sóng vỡ và sóng tràn ...36

3.2.

Phân bố năng lƣợng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn .......................41

3.3.

Mối quan hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi và chiều cao bore sóng tràn ..52

3.4.

Mô phỏng vận tốc bore nƣớc bằng mô hình số Dam-break .....................53

KẾT LUẬN ...............................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................61

ii


MỞ ĐẦU
Việt Nam có bờ biển dài khoảng 3260 km và nằm ở phía tây biển Đông nên
chịu ảnh hƣởng trực tiếp của các điều kiện khí tƣợng thủy văn biển Đông. Trƣờng
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 trƣờng 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 nƣớc. Sau khi sóng đổ, chuyển động sóng
thành chuyển động rối, đặc trƣng bởi các xoáy cuộn có kích thƣớc khác nhau. Do
chuyển động rối này, năng lƣợng sóng truyền từ khơi vào sẽ bị tiêu hao trong vùng
sóng vỡ. Dƣới ảnh hƣởng 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 nƣớc nông là vấn đề cần phải nghiên
cứu hiện nay của lĩnh vực nghiên cứu biển nhƣng do quy mô diễn ra nhỏ và bao
gồm nhiều quá trình tƣơng tác phức tạp nên vẫn chƣa đƣợc tập trung nghiên cứu.
Luận văn này trình bày những tổng quan cơ bản về các quá trình vật lý của
hiện tƣợng sóng tràn sau quá trình tiêu tán năng lƣợng 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 đƣa ra các phân tích đặc trƣng của quá
trình lan truyền sóng trên bãi biển. Các kỹ thuật xử lý số liệu, xử lý ảnh hiện đại đã
đƣợc ứng dụng để phân tích số liệu. Mô hình số cũng đã đƣợc ứng dụng để mô tả số
quá trình lan truyền sóng sau khi sóng đổ. Các kết quả mô phỏng của mô hình đã
đƣợc 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 tƣợng lan truyền
sóng sau đới sóng đổ.

1


Chƣơng 1 - TỔNG QUAN NGHIÊN 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 nƣớc 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 nhƣ rất phức tạp của các quá trình thủy động lực học. Tuy
nhiên, sự thay đổi đƣờng bờ, bãi biển chính là kết quả của các quá trình rối, quá
trình vận chuyển trầm tích... cũng nhƣ các tác động trực tiếp của sóng. Chính sự
thay đổi này định hình nên địa mạo của các bãi biển.
Do gia tăng sự tƣơng tác giữa chuyển động của các hạt nƣớc và đáy đã 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 vỡ cho đến giới hạn cao nhất mà nƣớc biển có thể đi lên bao gồm
hai vùng:

2


-

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

-

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

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 ƣớt do
hiện tƣợng dao động mực nƣớc của biển. Theo Short (1999) định nghĩa vùng sóng
tràn là một phần của bãi biển nằm giữa giới hạn thấp của pha nƣớc đi xuống và giới
hạn trên của pha nƣớc 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
nƣớc trong sóng tràn có thể rất nhỏ, đặc biệt trong pha nƣớc 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 nƣớc ở phía dƣới đáy, đây là một khía
cạnh quan trọng liên quan đến vận chuyển bùn cát.

3


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 đƣợc đặc trƣng bởi dòng chảy
mạnh và không ổn định, mức biến động cao, vận chuyển bùn cát diễn ra mạnh mẽ
gây 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 lƣợng sóng tiêu hao mạnh mẽ gây ra
bởi hiện tƣợng phi tuyến (sóng vỡ, sự sụp đổ của bore nƣớc, 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 nƣớc đã giảm
đến một mức độ làm cho vận tốc truyền sóng (cg) giảm. Trƣớc khi sóng vỡ, thông
lƣợng của năng lƣợng sóng đƣợc bảo toàn trong lan truyền sóng [ví dụ: Holthuijsen,
2007]:
P = Ecg = constant

(1.1)

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

4


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 đƣợc gây ra bởi sóng khác (sóng tần số thấp). Các chu kỳ sóng có thể
khác nhau từ nhỏ hơn 0.1 s 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 hƣởng của thủy

triều trong vùng sóng tràn có thể đƣợc biểu diễn nhƣ là một sự thay đổi mực nƣớc,
chứ không phải là một dao động của sóng.
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 tƣơng tác với mặt biển) và độ
sâu của nƣớc. Chu kỳ của chúng thƣờng lớn hơn 0.25 s và nhỏ hơn 30 s, và nó đƣợc
gọi là sóng trọng lực bề mặt, sóng ngắn hoặc sóng tần số cao. Sóng gió tƣơng đối
ngắn, và bao gồm các chuyển động khá ngẫu nhiên và không thƣờng xuyên.
Sóng có thể lan truyền với một quãng đƣờng dài, nhƣng do quá trình phân
tán tần số (nơi mà những sóng đƣợc sắp xếp theo tần số sóng của chúng do sự khác

5


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 hƣớng di chuyển trong
nhóm sóng (hình 1. 4). Trong vùng nƣớc nông, nơi mà sóng biển đang hoàn toàn
thay đổi bởi quá trình vỡ, sóng tách nhóm.
Trong hình 1. 4 các đƣờng nét liền tƣợng trƣng cho sự chuyển động sóng tần
số cao, các đƣờng 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
Bên cạnh đó sóng cao tần chuyển động có thể đạt đƣợc một chu kỳ sóng đến
năm phút (với tần số 0,003÷0,03 Hz). Những sóng có bƣớc sóng dài hơn, nhƣng
biên độ thƣờng nhỏ hơn nhiều so với sóng tần số cao, và đƣợc liên kết với các nhóm
sóng ngắn. Trong văn liệu chúng đƣợc 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.

6


Hình 1. 5. Đại diện của dao động sóng dài cƣỡng bức bởi hai thành phần sóng của
nhóm sóng ngắn.
Trong hình 1. 5 một dao động sóng dài là sơ đồ đại diện cho hai thành phần
sóng của nhóm sóng ngắn.
Trong hình 1. 5 các đƣờng nét liền đại diện cho sóng tần số cao, trong khi
các đƣờng 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
nƣớc đi lên và đi xuống. Hiện tƣợng đi lên và đi xuống của pha nƣớc do sóng đƣợc
gọi là chu kỳ sóng tràn. Một chu kỳ sóng tràn bao gồm hai giai đoạn riêng rẽ, mỗi
một giai đoạn có đặc trƣng riêng [Bakthtyar cùng cộng sự, 2009]. Quá trình đi lên
của nƣớc trên bãi biển là quá trình nƣớc chuyển đến dồn lên. Trong khoảng dồn lên
của nƣớc trên bãi biển thì vận tốc dòng chảy sẽ giảm đi (vì do ma sát đáy và trọng
lực) cho đến khi vận tốc bằng 0. Trong một thời gian ngắn nƣớc di chuyển lên bãi
biển đến vị trí cao nhất mà nƣớc biển có thể đi lên và sau đó nƣớc sẽ bắt đầu di
chuyển xuống. Sau khi nƣớc di chuyển xuống thì vận tốc dòng chảy tăng thêm lần
nữa, nhƣng lúc này hƣớng dòng chảy ra ngoài khơi, cho đến khi gặp chu kỳ sóng

7


tràn tiếp theo. Sự đi xuống của nƣớc trên bãi biển hƣớng ra biển là chuyển động
nƣớc cuộn ngƣợc. Trong hình 1. 6 biểu diễn một chu kỳ sóng tràn trên bãi biển.
Chu kỳ sóng tràn nói chung có thể đƣợc phân thành ba dải tần số và đƣợc 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

8


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 đƣợc 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 nƣớc 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

9


ngƣợc đƣợc thực hiện; nƣớc 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 tƣợng dồn lên và rửa ngƣợc trong một chu kỳ sóng
tràn đƣợc gọi là sóng tràn bất đối xứng. Trong hình 1. 7 thể hiện một chuỗi thời
gian của mực nƣớc và vận tốc đo đƣợc trong vùng sóng tràn, nơi mà sóng tràn bất
đối xứng có thể đƣợc quan sát thấy. Ngƣợc lại với hiện tƣợng rửa ngƣợc, thì hiện
tƣợng dồn lên diễn ra trong thời gian ngắn và tốc độ mạnh. Ngoài ra mực nƣớc dồn
lên sẽ cao hơn mực nƣớc rửa ngƣợc. Khi vận tốc dồn lên lớn và mực nƣớc dồn lên
cao sẽ tạo ra lƣu lƣợng trong quá trình dồn lên lớn hơn trong quá trình rửa ngƣợc.

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].
Với trƣờng hợp trên một bãi biển; sẽ có hai khía cạnh đƣợc xem xét. Khía
cạnh đầu tiên là sự khác biệt trong thời gian dồn lên và rửa ngƣợc; trong hình 1. 7
thời gian dồn lên là ngắn hơn so với thời gian rửa ngƣợc. Khía cạnh thứ hai là dòng
chảy ngầm. Nƣớc xâm nhập bãi biển (khô) trong dồn lên và sẽ thoát ra trong rửa

10


ngƣợc, do đó một phần của nƣớc đƣa lên bãi cát bởi sự dồn lên là vẫn còn lại trong
khoảng rửa ngƣợc.
Cả hai quá trình dồn lên và rửa ngƣợc có nhiều quá trình thủy động lực diễn
ra mà có ảnh hƣởng đến vận chuyển bùn cát trong vùng sóng tràn.

1.1.5. Hình thái bãi biển và chuyển động sóng tràn
a, Hình thái bãi biển
Theo Wrigh & Short [1984] bãi biển có thể đƣợc 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 tƣợng lao lên đến sụp đổ
của các sóng vỡ hoặc sóng không vỡ và sau đó đƣợc phản xạ. Các loại trầm tích tại
các bãi biển này là tƣơng đối thô và không có bar chắn sóng vỡ [Short, 1999]. Do
sự phân tán năng lƣợng sóng thấp, các bãi biển phản xạ thƣờng đƣợc gọi là bãi biển
có năng lƣợng thấp.
- Bãi biển khuếch tán: Đó là những bãi biển tƣơng đối bằng phẳng với một vùng
sóng vỡ và sóng tràn rộng và có nhiều bar chắn sóng vỡ hiện diện trong profile
ngang bờ [Short, 1999]. Chuyển động của sóng trên bãi biển khuếch tán là hiện
tƣợng sóng vỡ sau đó tràn lên bãi biển và các trầm tích trên bãi biển là tƣơng đối
mịn [Short, 1999]. Các chuyển động sóng tràn chính bao gồm bore nƣớc sụp đổ đi
lên và đi xuống bãi biển. Do tiêu tán một phần lớn năng lƣợng sóng nên các bãi biển
khuếch tán thƣờng đƣợc gọi là bãi biển có năng lƣợng cao.
- Bãi biển trung gian: Những bãi biển có sự kết hợp các đặc điểm của hai hình thái
bãi biển phản xạ và khuếch tán, có thể đƣợc xem nhƣ là bãi biển bán khuếch tán
(hoặc bán phản xạ).

11


Hình 1. 8. Hình thái bãi biển.
b, Sự thống trị của sóng tần số cao và thấp
Một số thí nghiệm đã đƣợc tiến hành để nghiên cứu sự khác biệt các quá
trình trong vùng sóng tràn cho một bãi biển khuyếch tán và phản xạ [ví dụ:
Masselink & Russell, 2006; Miles et al., 2006]. Trên bãi biển phản xạ các sóng tần
số thấp đƣợc phản xạ, còn sóng tần số cao hơn bị vỡ khá đột ngột (lao dốc hoặc bị

sụp đổ), làm cho các sóng tần số cao hơn chiếm ƣu thế hơn trong vùng sóng tràn.
Trên bãi biển khuếch tán, do độ dốc bãi biển tƣơng đối thoai thoải nên tăng cƣờng
phát triển sóng tần số thấp hơn. Do hiện tƣợng tiêu tán của sóng tần số thấp và sóng
tần số cao, nên bãi biển khuếch tán chi phối đến chuyển động của sóng tần số thấp
[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 hƣởng bởi các đặc điểm của khu vực nghiên cứu
(độ dốc bãi biển, phân bố kích thƣớc hạt, chế độ sóng) (Masselink và Puleo, 2006).
+ Đo đạc trong vùng sóng tràn

12


Bởi vì vùng sóng tràn không ổn định, năng lƣợng rối lớn, thủy triều chi phối,
dòng chảy hẹp, rất khó khăn để có đƣợc các dữ liệu chính xác trong vùng sóng tràn.
Các nghiên cứu trƣớc đã tiến hành bằng cách sử dụng thiết bị đo dòng chảy tần số
cao (ADV) và cảm biến quang tán xạ ngƣợc (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 đƣợc thử nghiệm thành công (Vousdoukas et al,
2014; Lefebvre et al. 2014).
+ Vận chuyển trầm tích
Nghiên cứu sự ảnh hƣởng 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 đƣợc
nghiên cứu trong điều kiện kiểm soát ở trong phòng thí nghiệm (Erikson et al. 2005;
Lobovsky et al. 2013; Kikkert et al. 2013).
+ 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 nƣớc tƣơng tự nhƣ 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 trƣờng 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 đƣợc tạo ra bởi một sóng vỡ và mở
rộng cho dòng chảy cả vùng sóng vỡ và sóng tràn trong máng sóng.

13


Mục tiêu luận văn

1.3.

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 đƣa ra đƣợc bức tranh trƣờng dòng
chảy và phân bố năng lƣợng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trên bãi biển Nha
Trang.
Trong quá trình xử lý và phân tích số liệu sóng của máy AWAC tại 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 nƣớc 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 tƣợng lan truyền sóng sau đới sóng đổ.

14


Chƣơng 2 – PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG
TRÀN
Phƣơng pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sát

2.1.

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” – Chƣơng trình KH&CN nghị định thƣ cấp Nhà nƣớc 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 nƣớc 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 nƣớc 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 nƣớc 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 0,015 s (hình 2.1). Các số liệu đo đạc của máy
Vectrino đƣợc hỗ trợ bởi một trạm đo sóng ngoài khơi bằng máy AWAC tại độ sâu
10 m.

15

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 chƣơng trình
Matlab.
Để một chƣơng trình đọc dữ liệu một cách tốt thì tác giả đã xây dựng sơ đồ dữ
liệu:

Nha Trang
NT1

Vectrino Processed

Vectrino Raw
nts

day 1

NT2

day 2

a, Chuyển đổi dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab
Dữ liệu thô là các số, ký tự đƣợc mã hóa bởi chƣơng trình của máy Vectrino.
Để chuyển đổi dạng dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chƣơng trình Matlab
đọc đƣợc thì trong phần mềm Nortek Vectrino II, có tool Export Matlab để xuất số
liệu sang dạng *.mat. Nhƣng để số liệu xuất ra đúng theo thời gian thực đo thì cần
kết hợp giữa file configuration tƣơng 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 nƣớc và công suất phát là đủ cao để tạo ra một phản xạ mạnh.

16


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 lƣợng kém do SNR Beam
thấp hơn 20db.
Tiến hành xử lý và phân tích số liệu bằng việc phân tích các chuỗi số liệu
SNR Beam. Tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam) (hình 2. 2) biểu diễn cho các cực
đoan cục bộ. Các chấm đen trong hình thể hiện đầu sensor của máy Vectrino nổi lên
khỏi mặt nƣớc.

Hình 2. 2. Biểu đồ tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam cao và thấp trong quá trình đo.
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 click vào hai
điểm để chọn một chuỗi. Việc lựa chọn xuất hiện trong đoạn màu đỏ trên biểu đồ.

17


Hình 2. 3. Lựa chọn một đoạn dữ liệu (đoạn màu đỏ) trong chuỗi dữ liệu.
Khi đã chọn đƣợc đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam thì chúng ta tiến hành
phân tích số liệu dòng chảy tƣơng ứng với đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam mà

ta đã chọn và đƣợc thể hiện trên hai hình dƣới đây:

18


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).
Năng lƣợng rối theo từng cell và theo thời gian đƣợc ƣớc tính:

19


Hình 2. 5. Năng lƣợng rối TKE ƣớc tính trong micro-profile.
Dựa vào đồ thị khoảng cách sensor – đáy cho ta thấy tín hiệu/tỷ lệ nhiễu
SNR Beam tốt thì chƣa 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
nƣớc và khoảng cách từ sensor – đáy phải lớn hơn hoặc bằng 7,5 cm.
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 nƣớc 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 nƣớc. Các dữ liệu có đƣợc khi đầu đo Vectrino đã nằm trong
vùng sóng tràn sẽ đƣợc lựa chọn từ sự đồng bộ hóa giữa các đoạn video và số liệu
Vectrino theo thời gian thực.

20

Hình 2. 6. Đo đồng bộ máy Vectrino và máy quay Video.
Dữ liệu tƣơng ứng để mức nƣớc cao hơn đầu sensor (tức là độ sâu lớn hơn 7,5 cm
dƣới các cảm biến) đƣợc 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 nƣớc
đƣợc vẽ bằng màu xanh lá cây (hình 2. 7).

Hình 2. 7. SNR (màu đen), dữ liệu đƣợc lựa chọn trƣớc (màu xanh) và cực tiểu của
SNR (màu đỏ).

21


Từ đó chúng ta chọn những đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR màu 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 7,5 cm. Tiến hành chọn đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR màu
xanh tốt (đoạn dữ liệu màu đỏ trong hình 2. 8).

Hình 2. 8. Lựa chọn một đoạn dữ liệu tốt (màu đỏ) trong một chuỗi dữ liệu.
Khi đã chọn đƣợc đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR tốt thì chúng ta tiến hành
phân tích số liệu dòng chảy, năng lƣợng rối tke tƣơng ứng với đoạn tín hiệu/tỷ lệ
nhiễu SNR mà ta đã chọn và đƣợc thể hiện trên hai hình 2.9 và 2.10.
Điều kiện dòng chảy tƣơng ứng với đoạn dữ liệu đƣợc lựa chọn (màu đỏ)
trong vùng sóng vỡ và sóng tràn đƣợc trình bày trên hình 2.9.

22