Nghiên cứu phổ sóng ở vịnh gành rái

GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

1

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...........................................................................5
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG:........................................................................5
1.2. MỤC TIÊU LUẬN ÁN: ......................................................................6
1.3. PHẠM VI CỦA LUẬN ÁN:................................................................7
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SÓNG VÀ PHỔ SÓNG.................8
2.1. SÓNG BIỂN ........................................................................................8
2.1.1. Định nghóa: ...................................................................................8
2.1.2. Phân loại sóng biển: .....................................................................8
2.1.3. Đặc điểm chung của sóng gió: ...................................................12
2.1.4. Quá trình hình thành và lan truyền của sóng gió:.......................12
2.1.5. Sóng thực và tính ngẫu nhiên: ....................................................14
2.2. PHỔ SÓNG: ......................................................................................15
2.2.1. Khái niệm:..................................................................................15
2.2.2. Phổ sóng có hướng......................................................................17
CHƯƠNG 3: CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ........................................19
3.1. MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH PHỔ TẦN ĐƠN HƯỚNG................19
3.1.1. Phổ Neumann (1952): ................................................................19
3.1.2. Phổ Pierson-Moskovitz lần 1 (P-M1) (1964). ............................19
3.1.3. Phổ Pierson-Moskovitz lần 2 (P-M2). ........................................20
3.1.4. Phổ hai tham số Bretschneider (1959) - Mitsuyasu(1968).........21
3.1.5. Phổ ITTC. ...................................................................................21
3.1.6. Phổ ISSC (hội nghị về độ bền tàu thủy):....................................22
3.1.7. Phổ sóng có đà gió giới hạn của Liu (1971) ...............................22
3.1.8. Phổ JONSWAP (1973). ..............................................................23

3.1.9. Phổ sóng nước cạn TMA (1984).................................................25
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RAÙI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

2

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

3.2. MỘT SỐ HÀM PHÂN BỐ NĂNG LƯNG THEO HƯỚNG ..........26
3.2.1. Công thức cosin bình phương (1949) ..........................................26
3.2.2. Công thức SWOP (1960) ............................................................26
3.2.3. Công thức tổng quát Longuet-Higgins (1961) ............................27
3.3.4. Công thức Mitsuyasu (1975) ......................................................29
3.3.5. Công thức Hasselmann (1980) ...................................................30
CHƯƠNG 4: THU THẬP SỐ LIỆU ĐO SÓNG ..........................................32
4.1. THIẾT BỊ ĐO:...................................................................................32
4.2. NGUYÊN LÝ ĐO: ............................................................................33
4.3. CÔNG TÁC ĐO VÀ KẾT QUẢ ĐO:................................................34
CHƯƠNG 5: XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CỦA SÓNG ..37
5.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT: .......................................................................37
5.1.1. Xác định chiều cao và chu kỳ sóng đơn trong hệ sóng: .............37
5.1.1.1. Phương pháp vượt qua điểm “0” (zero-upcrossing)..................38
5.1.1.2. Phương pháp vượt xuống điểm “0” (zero-downcrossing). ........39
5.1.1.3. Phương pháp đếm đỉnh sóng. ...................................................39
5.1.1.4.- Phương pháp đếm chân sóng. .................................................40
5.1.2. Sóng đại biểu của hệ sóng:.........................................................41
5.1.3. Phân bố chiều cao sóng: .............................................................42
5.1.3.1. Xác định phân bố chiều cao sóng thực đo: ...............................42

5.1.3.2. Hàm phân bố Rayleigh:............................................................43
5.2. LỜI GIẢI SỐ: ....................................................................................44
5.2.1. Xác định Ztb và η........................................................................44
5.2.2. Xác định N0, H, T. ......................................................................44
5.2.3. Sắp xếp thứ tự các con sóng theo chiều cao giảm dần. ..............45
5.2.4. Xác định giá trị sóng đại biểu.....................................................46

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

3

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

5.2.5. Xác định phân bố chiều cao sóng của từng hệ sóng...................47
5.2.6. Sơ đồ khối...................................................................................47
CHƯƠNG 6: PHỔ SÓNG ............................................................................52
6.1. Cơ sở lý thuyết: .................................................................................52
6.1.1. Phân tích phổ tần ........................................................................52
6.1.2. Ước tính phổ tần với phương pháp làm nhẵn đồ thị....................59
6.1.2.1. Cửa sổ dữ liệu (Data Window). ................................................59
6.1.2.2. Tính toán Periodogram. ...........................................................60
6.1.2.3. Làm nhẵn Periodogram............................................................60
6.1.3. Các tham số phổ: ........................................................................63
6.1.3.1. Mômen phổ: .............................................................................63
6.1.3.2. Tần số trung bình, chu kỳ trung bình (công thức 1): ................63
6.1.3.3. Tần số trung bình, chu kỳ trung bình (công thức 2): ................63
6.1.3.4. Tần số đỉnh: .............................................................................64

6.1.3.5. Tham số đỉnh phổ: ....................................................................64
6.1.3.6. Tham số bề rộng phổ: ..............................................................64
6.1.3.7. Chiều cao sóng trung bình bình phương:..................................64
6.1.3.8. Chiều cao sóng có nghóa ..........................................................65
6.2. Lời giải số ..........................................................................................65
6.2.1. Xác định Ztb và η:.......................................................................65
6.2.2. Biến đổi dữ liệu: .........................................................................65
6.2.3. Phân tích dữ liệu đo đạc thành chuỗi Fourier:............................65
6.2.4. Tính Ik :.......................................................................................65
6.2.5. Tính toán mật độ phổ: ................................................................65
6.2.6. Tính toán các giá trị đặc trưng phổ: ............................................65
6.2.7. Sơ đồ khối:..................................................................................66

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

4

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

CHƯƠNG 7: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN CHO SÓNG QUAN TRẮC TẠI
NGHI SƠN VÀ GÀNH RÁI ........................................................................70
7.1. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN: ..................................................................70
7.1.1. Kết quả thống kê: .......................................................................70
7.1.1.1 Giá trị đặc trưng sóng:..............................................................70
7.1.1.2. Phân bố chiều cao sóng: ..........................................................88
7.1.2. Kết quả phân tích phổ: .............................................................103
7.1.2.1. Giá trị đặc trưng phổ: .................................................................. 103

7.1.2.2. Mật độ phổ:.................................................................................. 103

7.2. NHẬN XÉT KẾT QUẢ:..................................................................128
7.2.1. Kết quả thống kê: .....................................................................128
7.2.2. Kết quả tính phổ: ......................................................................133
CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ .................................................137
8.1. KẾT LUẬN: ....................................................................................137
8.2. KIẾN NGHỊ: ...................................................................................138
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................139

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RAÙI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

5

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG:
Các lý thuyết sóng: Airy, Stoker, Cnoidal và sóng đơn (Solitary) đều xem
chuyển động sóng là điều hòa (regular) có chu kỳ T = const. Thực tế sóng biển
do gió tạo ra luôn là một trường ngẫu nhiên (random field). Nó phụ thuộc vào
không gian thời gian, vào các yếu tố của môi trường khí tượng thủy- hải văn. Các
thông số ảnh hưởng trực tiếp đến trường ngẫu nhiên của sóng biển là:
U - tốc độ gió;
t - thời gian gió thổi;
F - đà gió;
P - áp suất;

h - chiều sâu nước và các yếu tố khác.
Thêm nữa, nước biển còn được giả thiết là chất lỏng lý tưởng, tức là chất
lỏng không nén được, không nhớt. Như vậy sóng biển do gió sinh ra diễn tả theo
các lý thuyết trên được coi là các sóng không thực. Đặc biệt yếu tố hình thái địa
hình đáy biển-bờ biển-hải đảo tại từng nơi làm thay đổi mạnh cả hướng sóng và
các thông số của nó. Do vậy, sóng biển mang tính địa phương rõ rệt...Tất cả các
lý do nêu trên dẫn đến sự ra đời các phương pháp mô tả đúng, chính xác các đặc
trưng sóng biển ngẫu nhiên, với tên gọi là lý thuyết sóng thực
Lý thuyết sóng thực bao giờ cũng kết hợp xen kẽ lý thuyết lẫn thực nghiệm.
Hiện nay, người ta mô tả sóng biển thực theo 2 nhóm phương pháp sau:
a) Coi mặt sóng biển thực là tổ hợp của nhiều sóng riêng biệt rời rạc, mà
mỗi sóng có: chiều cao H, chu kỳ T và pha khác nhau. Như vậy, có thể mô tả
sóng ngẫu nhiên không điều hòa bằng tổ hợp tuyến tính một số lượng lớn các

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

6

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

sóng điều hòa thành phần. Các sóng điều hòa thành phần này có biên độ, tần số,
pha, hướng khác nhau.
b) Mặt sóng biển được mô tả bằng các đặc trưng thống kê của chiều cao
sóng. Số liệu quan trắc thực tế cho thấy tung độ của mặt sóng biển biến đổi ngẫu
nhiên theo không gian và thời gian:
η = f(x,y,z,t)
x; y; z: toạ độ ba chiều theo không gian;

t: thời gian.
Sau đó được mô tả bằng mô hình xác suất.
Sau khi đã có bản ghi dao động chiều cao sóng theo thời gian, người ta tiến
hành xử lý để mô tả theo một trong 2 cách:
- Theo phổ sóng: coi quá trình ngẫu nhiên của tung độ η là những quá trình
ngẫu nhiên dừng, do đó có thể mô tả bằng hàm mật độ phổ, ký hiệu E(σ).
- Theo sóng thống kê: các thông số sóng biển ngẫu nhiên được mô tả theo
tần suất bảo đảm i% phù hợp với từng tiêu chuẩn thiết kế công trình cảng của
từng nước; chẳng hạn trong tiêu chuẩn 22TCN-222-95 tần suất bảo đảm i = 0,1%;
1%; 2%; 3%; 5%; l0%; 13%
1.2. MỤC TIÊU LUẬN ÁN:
Mục đích của luận văn này là tiến hành thu thập số liệu đo đạc sóng ở khu
vực Nghi Sơn và khu vực vịnh Gành Rái, thiết lập các chương trình phân tích số
liệu đo sóng bằng phương pháp thống kê và phương pháp phổ. So sánh, đánh giá
kết quả giữa 2 phương pháp này và kết quả của chúng với một số kết quả nghiên
cứu đã có. Từ đó xác định công thức phù hợp để tính toán phổ cho khu vực nghiên
cứu.

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RAÙI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

7

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

1.3. PHẠM VI CỦA LUẬN ÁN:
- Luận án chỉ giới hạn trong phân tích, đánh giá các phân bố chiều cao sóng
và tính toán phổ tần.

- Sử dụng kết quả đo đạc sóng tại Nghi Sơn và khu vực vịnh Gành Rái để
phân tích.

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

8

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SÓNG VÀ PHỔ SÓNG
2.1. SÓNG BIỂN
2.1.1. Định nghóa:
Sóng biển là những dao động đứng của mặt biển do các ngoại lực khác nhau
như lực gió, lực tạo triều, khí áp, lực động đất, …. Ta gọi sóng biển thông thường
là những dao động sóng gây ra do gió, biểu hiện trên mặt biển bằng những dãy
vô tận các gợn sóng gần như song song và đồng dạng với nhau, các gợn sóng này
di chuyển hay truyền gần như đều theo hướng gió thổi vào bờ.
2.1.2. Phân loại sóng biển:
Có nhiều cách phân loại sóng biển: Dưới đây là mười quan điểm phân chia
sóng biển.
a. Theo nguyên nhân hình thành:
Sóng trên các đại dương, các biển thậm chí cả ở các hồ lớn do 5 nguyên
nhân sau đây sinh ra:
- Sóng do gió tiếp nhận năng lượng từ gió thổi trên mặt nước;
- Sóng thuỷ triều được tạo ra do dao động triều.
- Sóng động đất hay sóng Tsunami là hậu quả kéo theo của bất kì trận động
đất nào có tâm dao động ở biển;

- Sóng khí áp do áp lực chênh nhau giữa hai luồng áp suất chuyển động
ngay trên mặt nước
- Sóng tàu do động cơ chân vịt khuấy động nước ở phía sau tàu dọc theo
luồng tàu chạy.
b. Theo tính chất lực tác dụng
- Phụ thuộc vào tính chất lực tác dụng, sóng biển được chia làm hai loại:

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

9

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

- Sóng mao dẫn do lực nhớt của chất lỏng, lực dính kết giữa các phân tử,
giữa các khối nước hoặc do lực căng bề mặt;
- Sóng trọng lực do trọng lượng tạo bởi sức hút trái đất của các khối có kích
thước lớn không đối xứng qua trục đứng và qua trục ngang.
c. Theo tính chất của chuyển động
Dựa vào đặc thù của chuyển động sóng biển có rất nhiều loại với những tên
gọi rất đặc trưng:
- Sóng tiến: Lấy một điểm (thường là một hạng mục công trình cảng biển)
làm mốc cho sóng lan truyền đến, sẽ gọi là sóng đi tới;
- Sóng khúc xạ là sóng bị đổi hướng do ảnh hưởng của đáy biển;
- Sóng nhiễu xạ là sóng khi đi vào một bể cảng hay một vịnh có cửa hẹp
làm giảm năng lượng và giảm rõ rệt chiều cao sóng.
- Sóng đứng là sóng trùng hợp toàn phần hoặc trùng hợp một phần, khi sóng
đi tới gặp công trình tường đứng đặt tại vùng nước sâu hoặc vùng nước nông được

trùng hợp với sóng phản xạ;
- Sóng phản xạ là sóng phản ra của sóng đi tới gặp phải vật cản đứng có
chiều dài tương đối lớn so với chiều dài sóng;
- Sóng giao thoa là trường hợp hai sóng đi từ hai hướng khác nhau gặp nhau;
- Sóng Seiche là trường hợp riêng của sóng đứng xảy ra tại khu nước có diện
tích bị hạn chế;
- Sóng vỡ sóng xô, khi tiến vào gần bờ có độ sâu d < dcr (chiều sâu giới hạn)
hoặc tại chân công trình (đê chắn sóng mái nghiêng);
- Sóng leo là sóng leo lên mái dốc công trình hoặc bãi biển phía trên mép
nước;
- Sóng tụt là hiện tượng kế tiếp bởi hậu quả của sóng leo gây ra xói công
trình;

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

10

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

- Sóng tràn xảy ra khi sóng tới leo lên công trình có cao trình đỉnh thấp;
- Sóng truyền qua thân công trình là sóng còn dư do phần năng lượng chưa
tiêu tan hết khi chui qua thân các công trình được cấu tạo bởi vật liệu có nhiều
khe hở (đá hộc, khối bê tông đổ).
d. Theo độ sâu nước:
Theo độ sâu tương đối (tỷ lệ giữa chiều sâu nước d và chiều dài sóng L) tồn
tại ba loại sóng:
- Sóng nước sâu khi d/L > 0.5; khi đó tốc độ truyền sóng c chỉ phụ thuộc vào

chiều dài sóng L:
c

=

gL
2 π

(2.1)

- Sóng nước nông khi d/L ≤ 0.5; khi đó tốc độ truyền sóng c phụ thuộc cả
chiều dài sóng L và độ sâu d:
c

=

gL
2 π

th

2 π d
L

(2.2)

- Sóng nước rất cạn khi d < < L; lúc đó tốc độ truyền sóng c chỉ phụ thuộc
vào độ sâu d:
c

=

gd

(2.3)

e. Theo chu kỳ T kết hợp với chiều dài sóng L:
Có hai loại sóng ngắn và sóng dài:
Sóng ngắn T < 1 phút là loại sóng thường gặp;
Sóng dài T > 1 phút với chiều dài L đạt tới hàng chục, hàng trăm km (loại
sóng này rất hiếm).
g. Theo thời điểm tác động của gió:
Sóng gió trên mặt biển được tách ra làm hai giai đoạn
- Sóng cưỡng bức từ lúc gió bắt đầu thổi cho đến lúc gió thổi mạnh;

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

11

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

- Sóng lừng lúc gió đã ngừng thổi hay chuyển hướng, sóng lừng còn được
gọi là sóng đã ổn định.
h. Theo vị trí của sóng so với mặt nước:
- Sóng mặt ngay trên mặt nước biển;
- Sóng nội trong lòng khối nước tại một độ sâu nào đó.
i. Theo tính chất đường mặt sóng:

Dưới quan điểm này, sóng biển được phân tích thành các loại sóng sau:
- Sóng hai chiều (hay còn gọi là sóng hai kích thước) đó là sóng có đường
đầu sóng song song theo một hướng và chiều dài đầu sóng lớn hơn chiều dài sóng
rất nhiều.
- Sóng ba chiều (hay còn gọi là sóng ba kích thước) là sóng đi theo nhiều
hướng và chiều dài đầu sóng xấp xỉ bằng chiều dài sóng;
- Sóng đơn (solitary wave) đó là sóng đặc biệt chỉ có đầu sóng không có
bụng sóng. Sóng đơn tạo thành một trường phái riêng và gọi là lý thuyết sóng đơn
cùng song trùng với các lý thuyết khác;
- Sóng Sinusoidal đó là tất cả các sóng mà đường mặt sóng được diễn tả
bằng các hàm lượng giác thường và hyperbolic. Trong thực tế, đây là sóng được
tiếp cận ở hầu khắp mọi nơi;
- Sóng Cnoidal - Sóng có đầu sóng lớn hơn nhiều so với bụng sóng. Nó
không diễn tả bằng các hàm toán học như sóng Sinusoidal mà bằng các hàm
Elliptic của Jacoby: sn (x;kM); cn (x;kM); dn (x;kM).
- Sóng điều hòa và sóng không điều hòa , đây chính là cách diễn tả bằng
ngôn ngữ khác của sóng hai chiều và ba chiều.
k. Theo mức độ dao động:
Theo mức độ đao động sóng trên mặt biển gồm hai loại:
- Sóng có mức dao động bé, khi tỷ số:

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

12

H
<< 1

d

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

(2.4)

H - chiều cao sóng;
d - chiều sâu nước.
- Sóng dao động lớn khi chiều cao sóng H không quá nhỏ so với độ sâu d.
Những sóng gần bờ phần lớn là các sóng dao động lớn.
l. Theo tính chất lặp lại:
Nhìn theo góc độ thời gian: sóng biển có sóng chu kỳ và không chu kỳ.
Sóng gió luôn được coi là sóng có chu kỳ T(s).
Trên đây là 10 cách phân loại sóng biển. Trong khuôn khổ đề tài này đối
tượng nghiên cứu tập trung vào sóng gió.
2.1.3. Đặc điểm chung của sóng gió:
- Sóng gió là sóng xuất hiện nhiều nhất, có tác dụng uy hiếp thường xuyên
đối với các loại công trình
- Sóng gió là loại sóng không đều, các yếu tố sóng luôn biến đổi theo thời
gian và địa điểm. Hướng truyền sóng luôn thay đổi. Hướng sóng chính phù hợp
với chiều gió thổi.
- Sóng gió chịu ảnh hưởng của các yếu tố tạo sóng, chủ yếu là tốc độ gió,
thời gian gió thổi, đà gió, ngoài ra còn chịu ảnh hưởng của độ sâu nước, địa hình
địa thế đường bờ và đáy biển.
2.1.4. Quá trình hình thành và lan truyền của sóng gió:
Theo thủy khí động học, khi một chất lỏng một chất khí tiếp xúc với nhau,
nếu có chuyển động tương đối thì sẽ hình thành sóng tại mặt tiếp xúc. Mặt biển là
mặt tiếp xúc giữa không khí và nước nên khi gió thổi tạo nên dòng khí chuyển
động. Như vậy, giữa nước và không khí có chuyển động tương đối, ắt sẽ sinh ra

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

13

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

sóng tại mặt tiếp xúc. Gió thổi mang theo năng lượng và truyền từ gió sang nước.
Quá trình hình thành và phát triển của sóng do gió có thể mô tả như sau:
- Giai đoạn phát sinh sóng do gió: khi có một ngọn gió mặt biển sẽ xuất
hiện những gợn lăn tăn, gió càng mạnh thì biến dạng của mặt biển càng lớn tạo
thành những xao động có tính hỗn độn, không có thứ tự, không biểu lộ rõ ràng
một hướng truyền sóng nào, đó là những dao động mang tính ba chiều.

Hình 2.1: Dạng của đường mặt sóng ở những giai đoạn khác nhau trong quá
trình hình thành sóng do gió
a) Sóng đang phát triển; b) Sóng đã ổn định; c) Sóng thực ở các thời điểm
- Giai đoạn phát triển của sóng do gió: nếu gió thổi liên tục thì các sóng nhỏ
chồng lên nhau thành các sóng lớn, hình thành các con sóng rõ nét và truyền đi
theo hướng gió thổi, các dao động dần dần mang tính chất hai chiều. Trong giai
đoạn phát triển, đường mặt sóng do gió có dạng không đối xứng, đầu sóng bị xô
về hướng gió thổi, bụng sóng kéo dài và có độ dốc nhỏ (hình 2.1a). Khi độ dốc
sóng đạt một giá trị tới hạn nào đó thì các đầu sóng bị xô vỡ tạo thành các cuộn
bọt nước màu trắng, đây là hiện tượng sóng vỡ ở nước sâu, dân gian thường gọi là
sóng bạc đầu. Những con sóng trong giai đoạn phát triển là các dao động cưỡng
bức hình thành trong vùng gió thổi hay khu vực bão, ta gọi khu vực này là vùng

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI

GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

14

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

tạo sóng hay khu đà gió. Độ lớn sóng phụ thuộc vào vận tốc gió, thời gian gió
thổi và chiều dài khu đà gió. Nếu các điều kiện đều thuận lợi thì sóng sẽ phát
triển hoàn toàn và có chiều cao rất lớn (trên 30 m). Thông thường do giới hạn về
đà gió, về thời gian gió thổi, … sóng chỉ phát triển đến một chiều cao hạn chế hơn.
- Giai đoạn truyền sóng ổn định: các con sóng cưỡng bức trong khu đà gió
lại tạo ra các rung động của mặt nước truyền ra ngoài vùng gió thổi như là các
dao động tự do. Các dao động tự do này có tính ổn định và đều hơn, các đường
đầu sóng sẽ thẳng hơn, dài hơn, tạo thành các sóng hai chiều hay sóng lăng trụ,
đó là các sóng biển theo nghóa thông thường (hình 2.1b). Đây là giai đoạn truyền
ổn định của sóng do gió.
Trong quá trình lan truyền, các thông số của sóng có nhiều biến đổi. Các
biến đổi đó do các nguyên nhân như: phân tán sóng theo chu kỳ, biến dạng sóng
theo độ sâu, hiện tượng sóng vỡ ở nước cạn, hiện tượng khúc xạ, nhiễu xạ, phản
xạ, …
2.1.5. Sóng thực và tính ngẫu nhiên:
Trên thực tế, tính đều hay nói khác đi là tính chất có chu kỳ theo không gian
và thời gian của sóng biển chỉ là tương đối, vì thực tế các con sóng truyền liên tục
nhưng trùng lấp lên nhau, mỗi con sóng có biên độ, chiều dài và chu kỳ khác
nhau. Nếu ghi nhận liên tục các con sóng truyền qua một điểm cố định ta có thể
nhận ra những chuỗi sóng gồm một số sóng có đặc trưng khác nhau (hình 2.1c).
Các chuỗi này nối tiếp nhau tương đối đều nhưng phân bố các con sóng trong một
chuỗi mang tính ngẫu nhiên, không theo quy luật rõ ràng, ta gọi sự thay đổi ngẫu

nhiên của các đặc trưng sóng là tính không đều, các sóng có tính chất này gọi là
sóng không đều. Đối với các sóng thực, có các đặc trưng chiều cao, chu kỳ,...
phân bố ngẫu nhiên như vậy khó có thể xác định các độ lớn đặc trưng chung cho

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

15

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

sóng đo được tại một điểm, khi đó thay cho các đặc trưng sóng xác định chắc
chắn phải sử dụng các đặc trưng thống kê dựa vào các phương pháp thống kê áp
dụng cho hiện tượng sóng biển.
2.2. PHỔ SÓNG:
2.2.1. Khái niệm:
Nếu xem hệ sóng thực phức tạp đo tại một vị trí là tổng của các sóng đơn
thành phần, có biên độ an, tần số góc σn (hoặc tần số fn) và góc pha ϕn khác nhau
(xem hình 2.2), được biểu diễn bằng công thức:
η(t) = ∑ancos(σnt - ϕn), với n=1,2,…,∞

(2.5)

η(t) = ∑ancos(2πfnt - ϕn), với n=1,2,…,∞

(2.6)

hay

với σ = 2πf = 2π/T, T: chu kỳ (s)

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

16

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

Hình 2.2: Ví dụ một sóng ngẫu nhiên không điều hòa được xếp chồng bởi 5
sóng đơn hình sin.
Nếu thay đổi biên độ an theo σn được vẽ lên đồ thị ta có phổ biên độ của
sóng. Tuy nhiên sử dụng phổ biến nhất là phổ năng lượng của sóng, vì năng
lượng E=ρga2/2 nên phổ năng lượng thực chất là biểu diễn a2/2 theo σ.
Mỗi sóng có tần số σn có năng lượng tương ứng là En, biểu diễn En theo σn là
một phổ hình que hay phổ rời rạc. Tổng năng lượng của hệ sóng là tổng các que
trong phổ (hình 2.3):
1
2

Etổng = ∑n En = ∑n an2

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI

(2.7)

GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

a)

17

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

b)

Hình 2.3: Sơ đồ định nghóa phổ rời rạc (a) và phổ liên tục (b)
Thực tế có nhiều thành phần có tần số σ gần nhau trong một dải tần số σn ±
(∆σ/2) được gộp chung và người ta thường biễu diễn năng lượng trung bình trong
một dải tần số En/∆σ theo σn. Đường cong này liên tục và được gọi là phổ mật độ
năng lượng (enegy density spectrum) E(σ). Thứ nguyên thường dùng cho E(σ) là
L2.T (tức là chưa kể đến ρg, chưa phải là thứ nguyên năng lượng thực sự). Đơn vị
của tần số góc σ =2π/T là rad/s, cũng thường dùng tần số f=1/T tính bằng Hertz
(1Hz =1 vòng/s =rps =1/s).
Nếu lấy tổng hay tích phân E(σ) trên toàn bộ dải tần số σ ta sẽ có diện tích
bên dưới đường E(σ) là năng lượng toàn phần Etổng của sóng thực.
∞

Etổng = ∫ E (σ ).dσ

(2.8)

0

Như thế E(σ) có thể đặc trưng cho toàn bộ hệ sóng thực: chiều cao, chu kỳ,
năng lượng…

2.2.2. Phổ sóng có hướng
Nếu xem toàn bộ năng lượng sóng trong phổ E(σ) truyền theo một hướng là
hướng truyền sóng chính ta có phổ đơn hướng (unidirectional spectrum). Thực tế
năng lượng sóng tại một điểm là tổng năng lượng đến từ nhiều hướng khác nhau
và cũng sẽ truyền đi theo nhiều hướng, nói khác đi năng lượng sóng được phân
chia ra cho các hướng khác nhau. Năng lượng sóng lớn ứng với tần số đỉnh sẽ
truyền theo hướng truyền sóng chính αc, phần năng lượng sóng ứng với tần số lớn

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

18

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

hoặc nhỏ hơn tần số đỉnh sẽ phân bố từ hướng truyền chính giảm dần về 2 phía.
Hàm mật độ năng lượng như thế sẽ là hàm của σ (hay f) và hướng truyền α, ký
hiệu là E(σ, α), gọi là phổ có hướng, để phân biệt với E(σ) là phổ tần đơn hướng.
Trong thực tế thường giả định E(σ, α) là tích của hai hàm số
E(σ, α) = E(σ).D(σ, α)

(2.9)

trong đó: E(σ) – là mật độ năng lượng tổng cộng tại một điểm, hay còn gọi là phổ
điểm (point spectrum).
D(σ, α) là hàm phân bố năng lượng theo hướng (energy spreading function).
D(σ, α) là một hàm không thứ nguyên, không âm và tích phân theo α trên tất cả
các hướng phải bằng đơn vị.

Hướng sóng chính α thường được thay bằng θ = α - αc là góc truyền so với
hướng sóng chính.
Trong trường hợp tổng quát D(σ, θ) phụ thuộc vào cả σ và θ, tuy nhiên dạng
đơn giản thường dùng là giả định D = D(θ) không phụ thuộc vào σ.

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

19

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

CHƯƠNG 3: CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
Lý thuyết phổ sóng được rất nhiều người nghiên cứu trên các số liệu sóng
biển thống kê được tại một vùng quan sát nào đó. Do đó mỗi một công thức phổ
chỉ có tác dụng trong phạm vi nhất định, có thể áp dụng cho vùng biển xác định,
còn việc áp dụng cho các địa phương khác cần phải được xem xét kỹ. Cho đến
bây giờ chưa có công thức vạn năng cho phổ sóng biển.
3.1. MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH PHỔ TẦN ĐƠN HƯỚNG
3.1.1. Phổ Neumann (1952):
Phổ Neumann áp dụng cho sóng ở giai đoạn đã phát triển, một trong những
phổ được viết sớm nhất.
Trong hệ mét công thức phổ Neumann có dạng:
 2g 2 
πc
E (σ ) =
exp− 2 2 
2σ 6

 σ U 7.5 

(3.1)

trong đó: c: hằng số, c = 3.05(m2.s-5);
σ =2πf=2π/T: tần số góc (rad/s), (trong đó f : tần số sóng (1/s), T: chu
kỳ sóng (s))
g: gia tốc trọng trường (m/s2)
U7.5: vận tốc gió tính ở độ cao 7.5m trên mặt biển (m/s).
3.1.2. Phổ Pierson-Moskovitz lần 1 (P-M1) (1964).
Căn cứ vào số liệu thu thập về sóng biển Bắc Đại Tây Dương, mô tả trạng
thái sóng đã phát triển hoàn toàn ứng với tốc độ gió nhất định. Đây là loại phổ
một tham số vì chỉ phụ thuộc tốc độ gió mà không phụ thuộc vào đà gió và thời
gian gió thoåi:
E (σ ) =

 0.74 g 4 
8.1 * 10 −3 g 2
 − 4 4 
exp
σ5
 U 19.5σ 

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI

(3.2)


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

20

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

trong đó: U19.5: vận tốc gió tính ở độ cao 19.5 m trên mặt biển (m/s)
Có thể viết phổ Pierson-Moskovitz (P-M1) theo tham số chính của hệ sóng
bằng cách thừa nhận quan hệ giữa mômen phổ bậc 0 (m0) và chiều cao sóng có
nghóa Hs(m) theo giả thiết sóng phổ hẹp:
Hs = 4.004(m0)1/2

(3.3)

∞

với m0= ∫ E (σ )dσ
0

Sử dụng quan hệ này ta tìm được quan hệ giữa Hs và U19.5
U 2 
H s = 0.21 19.5 
 g 

(3.4)

Như vậy phổ Pierson-Moskovitz có thể viết theo tham số là Hs:
E (σ ) =

 0.032 g 2 
8.1*10 −3 g 2
exp

−
2 4 
σ5
 Hsσ 

(3.5)

Công thức (3.5) được viết lại theo f(s-1), với σ=2πf, ta được:
E( f ) =


8.1*10 −3 g 2
0.032 g 2 
exp
−

4
2 4
(2π ) 4 f 5
 (2π ) H s f 

(3.6)

3.1.3. Phổ Pierson-Moskovitz lần 2 (P-M2).
Hai tác giả Pierson-Mosskowitz còn quan sát thống kê một chuỗi số liệu
sóng ở một vùng biển khác và đã sáng lập ra phổ Pierson-Mosskowitz lần 2 (PM2), với hai tham số là chiều cao sóng có nghóa Hs và chu kỳ trung bình Ttb, có
dạng:
4π 3 H s2
16π 3
E (σ ) = 4 5 exp(− 4 4 )

Ttb σ
Ttb σ

(3.7)

Công thức (3.7) được viết lại theo f, ta được:
E( f ) =

H s2
1
exp(− 4 4 )
4 5
4πTtb f
πTtb f

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI

(3.8)


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

21

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

3.1.4. Phổ hai tham số Bretschneider (1959) - Mitsuyasu(1968)
Phổ một tham số dạng P-M1 là phổ sóng hoàn toàn phát triển, trong thực tế
khi vận tốc gió lớn, ít khi sóng có đủ đà gió hoặc thời gian gió thổi cần thiết để
phát triển hoàn toàn, để xét đến yếu tố chưa phát triển hoàn toàn Bretschneider

(1959) đưa ra dạng phổ phụ thuộc vào 2 tham số là Hs và tần số đỉnh σp (1/s) sau:
4
 5 σ p
1.25  σ p  2
− 
E (σ ) =
H
exp
s
4  σ 5 
 4  σ





4





(3.9)

với σp là tần số đỉnh, ứng với giá trị E(σ) max
Dạng phổ này được sử dụng nhiều vì khá đơn giản và thực tế, vì vậy đã có
nhiều hiệu chỉnh khác nhau tùy theo tác giả và nguồn số liệu quan trắc sóng. Ví
dụ, trên cơ sở một dạng phổ của Bretschneider (1968), Mitsuyasu(1968) đã hiệu
chỉnh các hệ số để có dạng phổ Bretschneider – Mitsuyasu (B-M) sau đây, được
Goda (1985) xem như một dạng chuẩn:

[

E ( f ) = 0.257 H s2Ts (Ts f ) exp − 1.03( fTs )
−5

−4

]

(3.10)

Viết lại theo σ =2π/T=2πf, và σs =2π/Ts, ta được:
4

σ s4 2
σs  
E (σ ) = 0.257 5 H s exp − 1.03  
σ
 σ  


(3.11)

Các phổ này phụ thuộc vào 2 tham số là Hs và Ts (hoặc chu kỳ đỉnh Tp), như
vậy để sử dụng được trong thực tế cần phải có các số liệu đo sóng thực ứng với
từng điều kiện gió bão để rút ra các tham số này cho từng trường hợp đó.
3.1.5. Phổ ITTC.
Phổ ITTC một tham số, kiến nghị của hội nghị ITTC lần thứ 11:
E (σ ) =

 3.11 
8.1 * 10 −3.g 2
exp− 2 4 
5
σ
 Hsσ 

Phổ này có dạng giống dạng phổ P-M 1.

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI

(3.12)


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

22

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

Phổ ITTC hội nghị lần thứ 12, năm 1969, sử dụng hai tham soá:
E (σ ) =

 691 
173 * H s2
exp− 4 4 
4 5
T01σ
 T01σ 

(3.13)

trong đó: T01 là chu kỳ trung bình của sóng tính từ mômen phổ:
T01 = 2π

m0
m1

(3.14)

với mômen bậc k được tính từ công thức:
∞

mk= ∫ σ k E (σ )dσ
0

∞

∞

0

0

từ đó: m0= ∫ E (σ )dσ , m1= ∫ σE (σ )dσ

(3.15)

3.1.6. Phổ ISSC (hội nghị về độ bền tàu thủy):

−4

0.11 2
σ −5
 Tvσ  
E (σ ) =
H v Tv (Tv
) exp− 0.44
 
2π
2π

 2π  

(3.16)

hoaëc:
0.11 2  σ
E (σ ) =
H v Tv 
2π
σ

5

σ

 exp− 0.44

σ










4





(3.17)

trong đó: Hv, Tv – giá trị đặc trưng của chiều cao sóng và chu kỳ sóng
Có thể thay thế Hv = Hs và Tv = T01
σ = 2π/Tv – tần số góc tương ứng với chu kỳ ảo trên.

3.1.7. Phổ sóng có đà gió giới hạn của Liu (1971)
Để xét đến mức độ chưa phát triển hoàn toàn của trường sóng, yếu tố đà gió
được đưa vào biểu thức phổ sóng. Sau đây là ví dụ về phổ sóng do Liu (1971) đề
nghị qua phân tích thứ nguyên và tổng hợp các số liệu thực nghiệm trong phòng,
số liệu đo đạc trong hồ Michigan và một số số liệu đo trên đại dương (theo
Komar, 1976)

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI

GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

23



0.4 g 2
g
E (σ ) = 1 / 4 5 exp − 5.5 * 10 3 
1/ 3
F0 σ

 U * F0 σ





4

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN





(3.18)

trong đó: U* - là đại lượng đặc trưng cho ứng suất ma sát của gió tại mặt nước gọi

là vận tốc ma sát. U* tính theo công thức kinh nghiệm
1/ 3

U 2 
U * = U 10  10 
 gF 

(3.19)

Với U10 là vận tốc gió ở 10m trên mặt biển, F là đà gió, còn F0 là thông số
không thứ nguyên của đà gió được định nghóa là
F0 =

gF
U *2

(3.20)

3.1.8. Phoå JONSWAP (1973).
Phoå JONSWAP (Joint North Sea Wave Project) được thiết lập từ kết quả
khảo sát sóng cho một dự án khai thác dầu giữa Anh-Na Uy ở biển Bắc. Đó là
chữ viết tắt của Joint North Sea Wave Observation Project. Mật độ phổ
JONSWAP có dạng:
2

g
1
E( f ) = α
e
4

(2π ) f 5

 f 
−1, 25 P 
 f 

−1

4

.γ

2  f − fP
e 2 ε 
 fP





2

(3.21)

với:
f =1/T là tần số tính bằng Hz; fp =1/Tp là tần số đỉnh tính bằng Hz.
ε = εa đối với f≤ fp ; ε = εb đối với f >fp
α là một hệ số tỷ lệ, phụ thuộc vào yếu tố tạo sóng như vận tốc gió và đà
gió.
γ là hệ số hình dạng đỉnh phổ (peak shape parameter), phụ thuộc vào các

yếu tố tạo sóng.
Hàm số γ e

−


1  f
−1 


2ε 2  f p 

2

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI

(3.22)


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

24

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

được gọi là hàm điều chỉnh đỉnh phổ (peak-enhancement function) vì thực tế
dạng phổ này là tích số của một phổ Pierson-Moskowitz có cùng α và fm với hàm
số điều chỉnh đỉnh phổ.
Nếu viết theo tần số vòng σ = 2πf với σp =2πfp ta có biểu thức sau:
E (σ ) = α

2

g
e
σ5

σp
−1.25
 σ





4

.γ

−1  σ −σ p
2 σ
e 2ε  p






2

(3.23)

Phoå JONSWAP phụ thuộc vào 5 tham số fp; α; γ; εa; εb. Giá trị của các tham
số này được xác định bằng cách xấp xỉ hàm lý thuyết với kết quả đo đạc phổ sóng
ứng với điều kiện gió bão thực tế. Các kết quả rút ra từ chương trình JONSWAP
như sau:
γ =3.30

(3.24)

εa = 0.07 vaø εb = 0.09

(3.25)

 gF 
α = 0.076 2 
U 
f p = 3.5

−0.22

g  gF 


U U 2 

trong đó: F0 =

−0.33

(3.26)
(3.27)

gF
- là đà gió không thứ nguyên
U2

U – là vận tốc gió ở độ cao 10m.
Như vậy các tham số α và fp đã được liên kết với tốc độ gió và đà gió, phổ
JONSWAP có thể dùng để dự báo phổ sóng khi biết hai yếu tố tạo sóng này.
Nhiều nghiên cứu sau đó cho thấy α còn phụ thuộc vào tần số đỉnh không
thứ nguyên f p* = f pW / g . Tham số γ cũng phụ thuộc vào các yếu tố tạo sóng và
có giá trị từ 1 đến 7, giá trị γ =3.3 là giá trị ứng với phổ JONSWAP trung bình.

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI


GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

25

HVTH: PHAN TRƯỜNG ÂN

3.1.9. Phổ sóng nước cạn TMA (1984)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0

0

0.2

0.4

0.6

0.8
1
1.2
ωd =2πf (d/g)1/2

1.4

1.6

1.8

2

Hình 3.1 Dạng của hàm điều chỉnh đỉnh phổ sóng theo độ sâu Φ(2πf,d) theo
thông số không thứ nguyên ωd
Các phổ sóng có xét đến độ sâu nước chưa được nghiên cứu nhiều, sổ tay kỹ
thuật EM1110-2-1414 (1989) sử dụng một dạng phổ đơn giản đúc kết từ các
chương trình khảo sát biển Bắc và Đại Tây Dương bằng phương tiện viễn thám
MARSEN (Marine Remote Sensing Experiment) và chương trình ARSLOE
(Atlantic Remote Sensing Land-Ocean Experiment), dạng phổ này mang tên
TMA (Texel- Marsen- Arsloe) được Hughes giới thiệu năm 1984.
Phổ TMA có dạng của phổ JONSWAP và được nhân thêm vào một thừa số

Φ phụ thuộc vào tần số góc 2πf và độ sâu d.
2

g
1
E( f ) = α
.Φ (2πf , d ).e
4
(2π ) f 5

 fp 

−1.25
 f 

4

.γ

−1  f − f p
2 fp


e 2ε






(3.28)

Các tham số α, γ, ε, fp … được đề nghị lấy theo EM với chiều dài sóng Lp tính
theo công thức của sóng bậc nhất ở nước cạn, hàm điều chỉnh Φ(2πf,d) là có giá
trị bằng một ở nước sâu và giảm dần về không khi độ sâu giảm. Hàm Φ có thể
xấp xỉ bằng các công thức sau
0.5ω d2
Φ (2πf , d ) = 
1 − 0.5(2 − ω d ) 2

khi ωd ≤ 1
khi ω > 1

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHỔ SÓNG Ở VỊNH GÀNH RÁI

(3.29)