Tài liệu Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN oo Nguyễn Viết Quỳnh TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN SÓNG TRONG RỪNG NGẬP MẶN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN oo Nguyễn Viết Quỳnh TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN SÓNG TRONG RỪNG NGẬP MẶN Chuyên ngành: Hải Dương học Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Minh Huấn HÀ NỘI – 2012 ii Mục lục Lời cảm ơn CHƢƠNG 1 – QUÁ TRÌNH TIÊU TÁN NĂNG LƢỢNG SÓNG ......................... 3 TRONG RỪNG NGẬP MẶN .................................................................................... 3 1.1 Rừng ngập mặn ................................................................................................ 3 1.2 Lý thuyết sóng tuyến tính và phổ sóng ........................................................... 6 1.2.1 Lý thuyết sóng tuyến tính ............................................................................. 6 1.2.2 Năng lượng sóng và phổ năng lượng sóng.................................................. 8 1.3 Các phƣơng pháp xác định tiêu tán năng lƣợng sóng .................................. 9 1.3.1 Phương pháp sử dụng hệ số ma sát đáy .................................................... 10 1.3.2 Phương pháp hình khối trụ ........................................................................ 12 CHƢƠNG 2 - MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO SÓNG SWAN ................. 15 2.1. Giới thiệu mô hình SWAN ............................................................................ 15 2.2. Bổ sung tiêu tán năng lƣợng sóng do cây trong mô hình SWAN .............. 22 CHƢƠNG 3 - ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAN TÍNH TOÁN SUY GIẢM SÓNG DO RỪNG NGẬP MẶN TẠI KHU VỰC CỬA TRÀ LÝ – THÁI BÌNH ........... 28 3.1. Đặc điểm địa hình, hải văn của khu vực nghiên cứu ...................................... 28 3.1.1 Đặc điểm địa hình và lƣới tính ................................................................... 28 3.1.2. Chế độ sóng .............................................................................................. 31 Hình 3.3a Hoa gió tại trạm Hòn Dáu giai đoạn 1960 - 2010 ............................ 33 3.1.3. Chế độ thuỷ triều trong khu vực nghiên cứu ............................................ 34 3.1.4. Bão và nước dâng trong bão .................................................................... 35 3.1.5 Đặc điểm rừng ngập mặn .......................................................................... 37 3.2. Kiểm nghiệm mô hình ................................................................................... 38 3.2.1 Thiết lập đầu vào ....................................................................................... 38 3.2.2 Kết quả kiểm nghiệm mô hình ................................................................... 40 3.3. Áp dụng mô hình cho vùng nghiên cứu ....................................................... 43 3.3.1 Thiết lập số liệu đầu vào cho mô hình....................................................... 43 3.3.2 Nhận xét kết quả mô phỏng chế độ sóng ................................................... 44 Kết luận và đề xuất ............................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………..…………………………...…...65 iii Mở đầu Rừng ngập mặn (RNM) phát triển chủ yếu tồn tại và sinh trưởng tại khu vực bờ biển ngập nước. Rừng ngập mặn trên thế giới rải rác chủ yếu ở những khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới vì chúng không chịu được sự lạnh giá ( Taal, 1994). Trong quá khứ rừng ngập mặn được xem như là vô dụng và như một kết quả chúng bị biến mất nhanh chóng [3]. Chỉ gần đây rừng ngập mặn được nhận là một hệ sinh thái quan trọng, không chỉ vẻ đẹp mà còn vì tầm quan trọng đối với sự ổn định đường bờ biển và môi trường nuôi dưỡng nhiều sinh vật biển. Đặc biệt những khu rừng ngập mặn gần bờ có thể làm giảm độ cao sóng và thậm chí sóng thần. Tháng 7 năm 1996, cơn bão số 2 (Frankie) với sức gió 103 ÷ 117 km/giờ đổ bộ vào huyện Thái Thụy (Thái Bình) nhờ có dải RNM bảo vệ nên đê biển và nhiều bờ đầm không bị hư hỏng, trong lúc đó huyện Tiền Hải do phá phần lớn RNM nên các bờ đầm đều bị xói lở hoặc bị phá vỡ. Năm 2005, vùng ven biển huyện Thái Thụy tuy không nằm trong tâm bão số 7 (Damrey) nhưng sóng cao ở sông Trà Lý đã làm sạt lở hơn 650m đê nơi không có RNM ở thôn Tân Bồi, xã Thái Đô trong lúc phần lớn tuyến đê có RNM ở xã này không bị sạt lở vì thảm cây dày đặc đã làm giảm đáng kể cường độ sóng. Trận sóng thần khủng khiếp tại Ấn Độ Dương tháng 12 năm 2004, Kathiresan and Rajendran (2005) đã cho thấy tầm quan trọng của rừng ngập mặn trong việc làm suy giảm ảnh hưởng của sóng thần.Ví dụ, tại Indonesia tâm sóng thần rất gần với đảo Simeuleu, tuy nhiên số lượng người chết đặc biệt thấp bởi vì sự hiện diện của những khu rừng ngập mặn với mật độ dày đặc, phía đông nam của Ấn Độ, thiệt hại về kinh tế và con người ít tại những vùng có rừng ngập mặn rậm rạp. Do tầm quan trọng to lớn của chúng, rừng ngập mặn và hệ sinh thái rừng ngập mặn đã được chú trọng nghiên cứu trong thời gian gần đây nhưng sự hiểu biết về chúng còn rất hạn chế. Thiếu trầm trọng những nghiên cứu động lực và nghiên cứu về sự tương tác giữa trầm tích học và thủy động học. Đặc biệt, những nghiên cứu về quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn là không nhiều. Trong bối cảnh như vậy, đã lựa chọn “Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn” là tên của đề tài nghiên cứu. Bố cục luận văn gồm 3 chương và phần kết luận: Chương 1: Quá trình tiêu tán năng lượng sóng trong rừng ngập mặn 1 Chương 2: Mô hình tính toán và dự báo sóng SWAN Chương 3: Áp dụng mô hình SWAN tính toán suy giảm năng lượng sóng do rừng ngập mặn tại khu vực cửa Trà Lý – Thái Bình Kết luận và kiến nghị 2 CHƢƠNG 1 – QUÁ TRÌNH TIÊU TÁN NĂNG LƢỢNG SÓNG TRONG RỪNG NGẬP MẶN 1.1 Rừng ngập mặn [4,6] Rừng ngập mặn (RNM) là rừng có những loại cây đặc biệt, thường mọc ở ranh giới giữa những phần đất tiếp giáp bờ biển và biển, ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. RNM thường phát triển trong những vùng triều, giữa mực nước biển trung bình và mực nước triều lớn. Phía ngoài biển của rừng ngập mặn thường là vùng đất bùn, với độ dốc khoảng 1:1000. Phía sau RNM có thể là những đê biển, đầm muối và khu vực dân cư sinh sống. Phía trong RNM cây sẽ mọc song song với đường bờ biển với nhiều loài khác nhau. Hình 1.1 Cấu trúc rừng ngập mặn Trên thế giới RNM được giới hạn từ vĩ độ 300N và 300S. Phía bắc giới hạn bởi Nhật Bản (31022’N và Bermuda (32020’N)). Phía nam giới hạn bởi New Zealand (38003’S) và Australia (38045’) và bờ phía tây của Nam phi (32059’) (theo Spalding 1997). RNM thường mở rộng về phía bờ biển ấm phía đông của Châu Mĩ và Châu Phi hơn là về phía bờ biển lạnh phía tây. Sự khác biệt này xảy ra do sự phân bố của các dòng chảy nóng, lạnh trên các đại dương. Nguồn gốc rừng ngập mặn ven biển Việt Nam, theo nhiều tác giả, trung tâm hình thành cây ngập mặn là Indonesia và Malaysia (Cương, 1964, Chapman, 1975) từ đó phát tán ra các nơi khác. Theo Phan Nguyên Hồng thì vận chuyển nguồn giống vào Việt Nam chủ yếu là do các dòng chảy đại dương và dòng chảy ven bờ. Gió mùa Tây Nam vào mùa hè đưa dòng chảy mang giống từ phía Nam lên, nhưng khi đến vĩ 3 độ 12 thì dòng chảy chuyển hướng ra khơi nên một số loài không phát tán ra bờ biển phía Bắc. Chính vì vậy một số loài phong phú ở phía Nam không có mặt ở phía Bắc. Phân bố rừng ngập mặn vùng ven biển Việt Nam, dựa vào các yếu tố địa lý, RNM Việt nam có thể chia ra làm 4 khu vực (theo Phan Nguyên Hồng, 1999) như sau: - Khu vực 1: Ven biển Đông bắc, từ mũi Ngọc đến mũi Đồ Sơn. Đặc điểm các quần xã RNM là hệ thực vật gồm những loài ưa mặn và chịu muối giỏi, không có loài ưa lợ. Thành phần loài nghèo hơn ở Miền Nam (24 loài). Hầu hết các loài cây ngập mặn ở đây như đước vòi, vẹt dù, trang, sú lại ít gặp ở Nam Bộ. - Khu vực 2: Ven biển đồng bằng Bắc bộ, từ mũi Đồ Sơn đến mũi Lạch Trường. Quầ n xã cây ngâ ̣p mă ̣n gồ m những loài ưa nước lơ ̣ , trong đó loài ưu thế nhấ t là bần chua , trang. Dưới tán của bầ n là sú và ô rô , tạo thành tầng cây bụi ; ở mô ̣t số nơi sú và ô rô phát triể n thành từng đám . - Khu vực 3: Ven biển Trung bộ, từ mũi Lạch Trường đến mũi Vũng Tàu. Do địa hình trống trải sóng lớn, bờ dốc, nên nói chung không có RNM dọc bờ biển, trừ các bờ biển hẹp phía tây các bán đảo nhỏ ở Nam Trung Bộ. Phía trong các cửa sông, cây ngập mặn mọc tự nhiên, phân bố không đều do ảnh hưởng của địa hình và tác động của cát bay. - Khu vực 4: Ven biển Nam bộ, từ mũi Vũng Tàu đến mũi Nải – Hà Tiên. Điều kiện sinh thái ở đây thuận lợi cho RNM sinh trưởng và phát triển mạnh, thành phần cây ưa mặn chiếm ưu thế, chủ yếu là đước, vẹt, sú, dà. Dọc triền sông phía trong, quần thể mấm lưỡi đòng phát triển cùng với loài dây leo và cốc kèn. Sâu vào nội địa thì dừa nước mọc tự nhiên hay được trồng thành bãi. 4 Hình 1.2 Phân bố rừng ngập mặn và đầm phá vùng biển Việt nam (nguồn:Phân viện Hải Dương học tại Hà Nội ) 5 1.2 Lý thuyết sóng tuyến tính và phổ sóng [6] 1.2.1 Lý thuyết sóng tuyến tính Sóng được miêu tả một cách tổng quát bởi lý thuyết sóng tuyến tính hay lý thuyết sóng Airy (Airy, 1845). Trong đó: - Độ sâu nước là hằng số - Chuyển động của sóng là hai chiều - Sóng chuyển động trong dạng nhất định bất biến theo thời gian. - Chất lỏng không nén được - Nhớt, rối và sức căng bề mặt được bỏ qua - Chiều cao sóng (H) nhỏ so với chiều dài sóng (L) và độ sâu (d) Phương trình điều chỉnh vận tốc thế vị  (Young, (1999)), u, w     ,   theo hai hướng (x,z)  x z   2  2  0 x 2 z 2 (1.1) Điều kiện biên động lực trên bề mặt:    z t z0   g  0 t Điều kiện biên đáy:  0 z z  h 6 Hình 1.3 Lý thuyết sóng tuyến tính Ở đây ɳ (m) là dao động mực nước, g (m/s2) là gia tốc trọng trường,  thế vận tốc, u (m/s) là vận tốc theo hướng x, w (m/s) là vận tốc theo hướng z. Phân loại sóng theo độ sâu Sóng có thể được phân loại dựa theo mối quan hệ giữa chiều dài sóng với độ sâu hay tích số của số sóng k và độ sâu nước d (kd). Hầu hết tham số sóng sẽ thay đổi khi sóng lan truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông. Chiều dài sóng, vận tốc nhóm sóng và chuyển động quỹ đạo của hạt nước sẽ thay đổi. Hình 1.4 Phân loại sóng theo độ sâu 7 Bảng 1.1 Phân loại sóng phi tuyến theo tích số kd kd d/L Loại sóng 0 -  /10 0 – 1/20 Sóng nước nông (sóng dài)  /10 -  1/20 – 1/2 Sóng nước trung bình - 1/2 -  Sóng nước sâu (sóng ngắn) 1.2.2 Năng lượng sóng và phổ năng lượng sóng Năng lượng sóng bao gồm động năng và thế năng (Battjes, (1998)). Năng lượng sóng tổng cộng bằng tổng động năng và thế năng (mật độ năng lượng) trên một đơn vị chiều rộng được tính bằng: E 1 gH 2 8 (1.2) Trong đó, là mật độ nước (kg/m), g là gia tốc trọng trường (m/s2) và H là độ cao sóng (m). Vận tốc nhóm sóng được xác định: c g  n.c (1.3) C là tốc độ của từng sóng riêng rẽ và n là yếu tố vô hướng phụ thuộc vào tỷ số giữa độ sâu và chiều dài sóng. Tốc độ C được tính bằng: c Và n  k 1 2kh  1   2  sinh 2kh  (1.4) (1.5) ω là tốc độ quay của sóng, k là số sóng (m-1), h là độ sâu (m),  và k được tính bởi:   2 T (1.6) k 2 T (1.7) 8 L là chiều dài sóng phụ thuộc vào độ sâu L  L0 tanh 2h L (1.8) L0  gT 2 2 (1.9) Tính toán chiều dài sóng là quá trình lặp. Dòng năng lượng F, năng lượng sóng truyền theo hướng truyền sóng. F = E.cg hay F = E.n.c (1.10) Phổ sóng Một phương pháp để nghiên cứu các quá trình dao động là xem xét chúng là một tổ hợp các sóng hình sin với độ lớn, tần số và pha khác nhau. Các hàm số thể hiện sự phân bố của biên độ và pha theo tần số được gọi là phổ tần số. Phổ có thể là liên tục hay rời rạc, nhưng phổ sóng là liên tục. Phổ mật độ năng lượng sóng đặc trưng được thể hiện trong hình 1.5 dưới đây. Hình 1.5 Phân bố mật độ năng lượng phổ Trục ngang thể hiện tần số, trục thẳng đứng thể hiện mật độ năng lượng. 1.3 Các phƣơng pháp xác định tiêu tán năng lƣợng sóng [6] Một cơ chế tiêu tán năng lượng sóng hiệu quả nhất là quá trình sóng vỡ, tuy nhiên khi sóng lan truyền trong rừng cây ngập mặn trong phần lớn trường hợp không bị tiêu tán năng lượng do hiện tượng này, quá trình tiêu tán năng lượng quan trọng là do các chướng ngại mà cây tạo ra, các cây sẽ áp đặt lực ma sát và lực quán tính lên chuyển động của nước tạo ra sự mất mát năng lượng và làm cho sóng hạ thấp độ cao 9 và suy giảm vận tốc quỹ đạo. Hầu hết các mô tả vật lý dựa trên cán cân năng lượng vì từ đại lượng này dễ dàng tính toán được độ cao sóng, và độ cao sóng được sử dụng để tính toán hệ số truyền qua là hệ số xác định bằng thương của độ cao sóng tới với độ cao của sóng truyền qua. 1.3.1 Phương pháp sử dụng hệ số ma sát đáy Sóng lan truyền ở vùng nước nông gần bờ chịu tác động ma sát do đáy sinh ra. Độ lớn của lực ma sát này phụ thuộc vào một loạt các tham số như vận tốc quỹ đạo sóng theo phương ngang, độ nhám của đáy và độ sâu nước. Trong nhiều tài liệu về hiện tượng suy giảm sóng trong rừng cây ngập mặn hiện tượng ma sát đáy rất ít được chú ý mặc dù các biểu thức của lực ma sát thường được sử dụng để mô tả các thành phần tiêu tán do rừng cây ngập mặn. Theo Mazda và nnk (1997), tiêu tán năng lượng do ma sát đáy có giá trị nhỏ hơn một bậc so với lực kéo gây ra bởi các cây. Đây cũng chính là một trong những kết luận rút ra từ các kết quả đo đạc hiện tượng suy giảm sóng tại vùng ven bờ đồng bằng Bắc Bộ tại khu vực có và không có rừng cây ngập mặn. Sự lý giải lý thuyết là do vận tốc quỹ đạo hạt nước ở gần đáy suy giảm mạnh khi có cây tồn tại. Phương pháp thường được sử dụng để mô tả hiện tượng tiêu tán năng lượng sóng do cây là sử dụng tham số ma sát đáy. Các biểu thức ma sát đáy như của Van Rijn (1989), Collins (1968) hay Chezy thường được sử dụng. Tham số này phụ thuộc vào các đặc điểm của cây. Các số liệu đo đạc chính xác rất cần thiết cho phương pháp này để hiệu chính và kiểm chứng tham số ma sát cho các dạng cây khác nhau. Công thức của Van Rijn Theo Van Rijn (1989), tiêu tán năng lượng do ma sát đáy được thể hiện bằng đại lượng Df là công trung bình theo thời gian của lực ma sát Df  1 T  b .U  .dt T 0 (1.11) trong đó T là thời gian, ηb là ứng suất tiếp đáy, Uδ vận tốc quỹ đạo sóng theo phương ngang. Trong trường hợp sóng 10 (1.12) và (1.13) với fw là hệ số ma sát, là giá trị cực đại của vận tốc quỹ đạo theo phương ngang, ρ mật độ của nước và ω tần số góc của sóng do đó (1.14) Công thức này cho thấy rằng sự tiêu tán năng lượng do ma sát đáy liên quan tới hệ số ma sát fw và đại lượng bậc ba của vận tốc quỹ đạo sóng theo phương ngang tại đáy. Công thức của Collins Ma sát đáy theo Collins (1972) dựa trên công thức thông thường đối với sóng có chu kỳ với các tham số phụ để phù hợp với trường sóng ngẫu nhiên. Cường độ tiêu tán năng lượng được xác định bằng công thức ma sát đáy thông thường: Cbot = cf . g. Uorb (1.15) trong đó cf là hệ số ma sát Collins cf = 0.015. Trong các nghiên cứu hiện thời (Vries và Roelvink (2004)), công thức của Van Rijn (1989) cho thấy rằng hệ số ma sát Collins về nguyên tắc có thể sử dụng để mô tả hiện tượng tiêu tán năng lượng sóng do cây. Kết quả là: (1.16) trong đó Sds, b là năng lượng sóng bị tiêu tán, ζ là tần số góc, θ hướng lan truyền của các thành phần sóng. Biểu thức này khá giống với công thức của Van Rijn (1989) và được sử dụng trong mô hình SWAN với hệ số ma sát do cây tương đương cv cv = (1.17) 11 trong đó: là hệ số ma sát do cây, D là đường kính cây, n là mật độ của cây và dz là độ cao của cây. 1.3.2 Phương pháp hình khối trụ Một phương pháp khác dựa trên công thức lý thuyết đối với tiêu tán năng lượng sóng do thực vật với các biểu thức riêng biệt trong đó xác định phần năng lượng bị tiêu tán do các quá trình quan trọng nhất. Theo một số tác giả như Dalrymple và nnk (1984), Kobayashi và nnk (1993) các thực vật thân cứng hoặc cỏ sinh ra các lực tác động lên chất lỏng được thể hiện thông qua dạng biểu thức của Morison (1950), trong đó bỏ qua chuyển động của thực vật. Phần năng lượng mất đi được tính toán bằng công sinh ra của thực vật trong chuyển động sóng. Trong lý thuyết này, lực kéo được coi là tham số quan trọng nhất. Ma sát mặt và građien áp suất sinh ra lực kéo. Tuy nhiên lực kéo do ma sát nhỏ hơn rất nhiều lực cản sinh ra do chênh lệch áp suất, do đó chúng ta chỉ xét tới lực kéo do áp suất gây ra. Khi bỏ qua chuyển động của thực vật trong nước, chúng ta cần xem xét các lực quán tính. Trong cơ học, quán tính là khả năng chống lại sự biến đổi của vận tốc, cây ngập mặn là tương đối cứng so với các loại cỏ do đó chuyển động tương đối của cây so với chuyển động của nước là khá nhỏ, đối với các loại sậy, cỏ biển hay tán lá của các loài cây ngập mặn, hiện tượng này cũng xảy ra nhưng đóng góp của các lực quán tính trong tiêu tán năng lượng sóng là khá nhỏ nên có thể bỏ qua. Công thức của Morrison Morrison và nnk (1950) đã xác định được lực tác động lên một cọc mảnh đơn lẻ trong sóng bề mặt: 1 dU 1 f t   C m D 2   C d D U U 4 dt 2 (1.18) trong đó Cm là hệ số quán tính, D là đường kính của cọc, Cd hệ số tiêu tán và U là giá trị cực đại của vận tốc quỹ đạo theo phương ngang. Công thức của Dalrymple Dalrymple và nnk (1984) xác định một hệ số tiêu tán năng lượng dựa trên biểu thức của Morrison đối với các thực vật chìm trong nước ở đầm lầy. Mendez và 12 Losado (2004) sử dụng phương pháp của Dalrymple và nnk (1984) trong mô hình vật lý của họ để mô phỏng hiện tượng lan truyền sóng vỡ ngẫu nhiên và không vỡ trên các vùng có thực vật. Lý thuyết này sử dụng sóng tuyến tính và coi sóng tới vuông góc với đường bờ và đáy biển có các đường đẳng sâu song song. Các thí nghiệm cho thấy mối quan hệ phụ thuộc các lực trên một đơn vị thể tích theo phương ngang với hệ số kéo tổng cộng trung bình theo độ sâu, với vận tốc theo phương ngang trong vùng có thực vật do chuyển động sóng, diện tích của vùng và mật độ theo phương ngang. Theo các giả thiết trên, bảo toàn năng lượng sẽ là:  Ec g  x   v (1.19) trong đó E là năng lượng sóng trên một đơn vị diện tích, cg là vận tốc nhóm sóng và εv là năng lượng tiêu tán trung bình theo thời gian trên một đơn vị diện tích theo phương ngang trên độ cao của thực vật. v  __________ ______  h h  F udz x (1.20) h trong đó Fx là lực kéo tác động lên một cây trên hướng x, u là vận tốc theo phương ngang của chuyển động sóng, h là độ sâu nước và αh là độ cao trung bình của thực vật. Và Fx  1 C d bv N v u u 2 (1.21) Các đặc điểm của thực vật sử dụng trong phương pháp này là các giá trị trung bình theo độ sâu với Cd là hệ số tiêu tán, bv là độ dày của thân cây hoặc đường kính Nv và mật độ của thực vật. Giả thiết rằng có thể áp dụng lý thuyết sóng tuyến tính đối với sóng lan truyền trên đáy không thấm để tính toán giá trị của u không chỉ đối với toàn bộ vùng nước mà còn ở vùng giữa các thực vật. Dalrymple và nnk (1984) biểu diễn năng lượng tiêu tán là kết quả từ biểu thức của εv và Fx trên vùng có thực vật như sau: 13 3 2  kg  sinh kh  3 sinh kh 3 C d bv N v   H 3 3k cosh 3 kh  2  3 v  (1.22) trong đó k là số sóng, ζ là tần số góc, αh là độ cao trung bình của thực vật. Hiện tượng phản xạ sóng từ thực vật không được tính đến trong công thức này. Hai cơ chế cơ bản để mô tả hiện tượng tiêu tán năng lượng sóng do thực vật được mô tả ở các phần phía trên là phương pháp khối trụ và tăng cường tham số nhám đáy. Phương pháp tăng cường tham số nhám đáy dựa trên các kết quả của Collins (1968) được Vries và Roelvink (WL Delft Hydraulíc, 2004) nghiên cứu và áp dụng bổ sung vào mô hình SWAN, các kết quả này được hiệu chỉnh cho cỏ biển - Spartina Anglica. Phương pháp này có vẻ phù hợp khi hiệu chỉnh nhưng không tồn tại nguyên tắc vật lý để tham số hóa các dạng thực vật, các dạng thực vật phức tạp không dễ dàng đưa vào mô hình do thực vật chỉ được tham số hóa bằng một tham số. Mendez và Losada (2004) đã mở rộng công thức của Dalrymple (1984), kết quả này có thể áp dụng cho vùng đáy nghiêng và sóng vỡ. Các thí nghiệm vật lý trong máng chứng minh các kết quả rất triển vọng của phương pháp này, Mendez và Losada cho thấy rằng dạng mô hình này có thể dễ dàng áp dụng trong các mô hình tính toán lan truyền sóng chuẩn để tích hợp quá trình tiêu tán năng lượng sóng do thực vật và còn có thể dự tính dòng chảy sóng cũng như vận chuyển trầm tích trong vùng có thực vật. Kết luận là công thức của Dalrymple (1984) là phương pháp xấp xỉ quá trình tiêu tán năng lượng sóng do thực vật tốt nhất và thích hợp nhất để tích hợp vào mô hình SWAN. 14 CHƢƠNG 2 - MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO SÓNG SWAN 2.1. Giới thiệu mô hình SWAN SWAN là mô hình tính toán sóng thế hệ ba, tính toán phổ sóng hai chiều bằng cách giải phương trình cân bằng tác động sóng (trong trường hợp không có dòng chảy có thể dùng phương trình cân bằng năng lượng sóng) có tính tới sự lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào vùng nước nông ven bờ, đồng thời trao đổi năng lượng với gió thông qua hàm nguồn cùng với sự tiêu tán năng lượng sóng. SWAN (được viết tắt từ Simulating Waves Nearshore) cho phép tính toán các đặc trưng sóng vùng gần bờ, trong các hồ và vùng cửa sông từ các điều kiện của gió, điều kiện đáy và dòng chảy. Các tính năng của mô hình * Theo quá trình truyền sóng SWAN có khả năng tính: - Truyền sóng tuyến tính. - Khúc xạ sóng do thay đổi độ sâu đáy và do dòng chảy. - Bị vật chắn và phản xạ do dòng chảy ngược hướng. * Theo quá trình tạo sóng SWAN có khả năng tính: - Sóng phát sinh do gió. - Tiêu tán năng lượng do hiện tượng sóng bạc đầu. - Tiêu tán năng lượng sóng do quá trình sóng vỡ gây ra do ảnh hưởng của độ sâu. - Tiêu tán năng lượng sóng do ma sát đáy. - Tương tác giữa các sóng (tương tác bậc ba và tương tác bậc bốn). - Tính toán sóng do các vật cản. 2.1.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAN 15 Trong mô hình SWAN các sóng được mô tả bằng phổ mật độ tác động sóng hai chiều. Phương trình cân bằng phổ mật độ tác động được sử dụng trong điều kiện phi tuyến cao. Trong mô hình SWAN phổ mật độ tác động N(,) được chú ý hơn bởi vì, khi có mặt dòng chảy mật độ phổ tác động được bảo toàn trong khi phổ mật độ phổ năng lượng thì không. Các biến độc lập là tần số  và hướng sóng . Mật độ phổ tác động được tính bằng mật độ phổ năng lượng chia cho tần số. - Phương trình cân bằng tác động phổ: Trong SWAN sự tiến triển của phổ sóng được mô tả bằng phương trình cân bằng tác động phổ được viết trong hệ toạ độ Đề Các :      S N  Cx N  C y N  C N  C N  t x y    (2.1) Thành phần đầu trong vế trái là thay đổi của phổ mật độ tác động theo thời gian. Thành phần thứ hai và thứ ba là sự lan truyền của phổ mật độ tác động trong không gian địa lý (với vận tốc truyền là Cx và Cy tương ứng trong hướng x và y). Thành phần thứ tư biểu thị sự thay đổi của tần số dưới ảnh hưởng của độ sâu và dòng chảy (với vận tốc truyền là C). Thành phần thứ năm biểu thị sự tác động của độ sâu và dòng chảy đối với hiệu ứng khúc xạ. Vế phải của phương trình biểu thị các nguồn năng lượng sóng được cung cấp và tiêu tán trong quá trình truyền sóng với S là hàm nguồn. Trong hệ toạ độ địa lý phương trình có thể viết dưới dạng:     S 1  N C N  cos   C cos N  C N  C N  t      (2.2) Với  là kinh độ,  là vĩ độ. * Năng lượng gió truyền cho sóng: Quá trình năng lượng truyền từ gió cho sóng trong mô hình SWAN được mô tả thông qua hai cơ chế: cơ chế cộng hưởng (Phillips, 1957) và cơ chế phản hồi (Miles, 1957). Giá trị nguồn năng lượng của gió tương ứng với hai cơ chế trên được biểu thị bằng tổng của quá trình tăng tuyến tính và quá trình tăng theo hàm mũ. Giá trị hàm nguồn có dạng: 16 S in ( , )  A  BE ( , ) (2.3) Với A là hệ số tăng tuyến tính, B là hệ số tăng theo hàm mũ. Hệ số A và B phụ thuộc vào tần số và bước sóng đồng thời phụ thuộc vào vận tốc và hướng của gió. + Hệ số tăng tuyến tính A: Biểu thức của Cavaleri và Malanotile-Rizzli (1981) được sử dụng để loại bỏ sự tăng trưởng của sóng tại các tần số thấp hơn tần số Pierson-Moskovitz. A 1,5.10 3 U * max 0, cos(   w )4 H 2 g 2 (2.4) Trong đó  là hướng gió, H là giá trị để lọc + Hệ số tăng theo hàm mũ B: Trong mô hình SWAN sử dụng biểu thức tính hệ số tăng theo hàm mũ B: Công thức của Kome và nnk (1984):   B  max 0,0.25 a w   U*  28 cos(    )  1    W  C ph   (2.5) Với Cph là vận tốc pha, a và w là mật độ không khí và nước. - Mất mát năng lượng trong khi truyền sóng (Sds): Mất mát năng lượng khi truyền sóng gây ra do ba quá trình: sự bạc đầu của sóng, ma sát đáy và sóng vỡ do ảnh hưởng của độ sâu địa hình. - Ma sát đáy. Mô hình ma sát đáy sử dụng trong SWAN bằng mô hình thực nghiệm của Jonswap, mô hình sức cản của Collins (1972) và mô hình nhớt rối của Madsen (1980). Công thức sử dụng trong các mô hình này là. S ds,b ( , )  Cbottom 2 g 2 sinh 2 (kd ) E ( , ) 17 (2.6)