Đặtvấnđề1. Tạisaocầnmôhìnhhóa?2. Côngcụmôhìnhhóa3. Môhìnhvậtlý4. Môhìnhtoándiễnbiếnbờbiển

•  Tổngquanvềmôhình•  Hệphươngtrìnhcơbản•  Điềukiệnbiên•  Sốliệuchomôhình

153

CHƯƠNG6:MÔHÌNHHÓADIỄNBIẾNBỜBIỂN

1.  Bờbiểnthayđổi,đôikhikhôngtheomongmuốndotựnhiên&hoạtđộngkinhtế-xãhội.

2.  Kỹthuậtbờbiểnsửdụngcácgiảiphápcôngtrìnhhoặcphicôngtrìnhđểgiảiquyếtcácvấnđềcóliênquantớicácbiếnđổikhôngmongmuốn.

3.  Phươngphápmôhìnhhóađượcsửdụngnhưmộtcôngcụđểđưaracácdựbáovềsựpháttriểncủađườngbờtheothờigian.Haynói1cáchkhácvới1tổhợpchọnlọccủatựnhiênsẽcó1loạiđườngbờđặctrưngmàtacóthểmôhìnhhóađượcchohiệntạivàtươnglai.

4. Môhìnhcòncóthểđánhgiáđượchiệuquảvàảnhhưởngcủacôngtrìnhlàmthayđổibờbiểntrongtươnglai.

5.  Cácloạimôhìnhbaogồm(i)Môhìnhvậtlývà(ii)Môhìnhtoán

154

Cácvấnđềởbờbiển(xóilở,ngậplụt,ônhiễm..)

Đánhgiácácgiảiphápbảovệbờbiển

Kinhnghiệm Môhìnhhóa

Môhìnhvậtlý Môhìnhtoán

Giảitích Môhìnhsố

155

•  Dựavàokếtquảcáchoạtđộngthựctiễnđểđềxuấtnhữnggiảipháphạnchếcácảnhhưởngxấutớicửasôngvàđớibờ.Hạnchế

•  Thiếutínhhệthống•  Khôngkhảthiđốivớihệthốngquáphứctạphoặcxemxétvấnđềquáđơn

giản•  Rủirocao/quyhoạchvàgiảiphápbịchiphốibởiýkiếnchủquan.

Phươngphápkinhnghiệm

Môhìnhvậtlý(tỉlệ)

•  Môhìnhvậtlýgồmhaidạng:lòngcứng(cốđịnh)vàlòngđộng.•  Môhìnhlòngcứngmôphỏngcáchiệntượngdiễnraởbờbiểnmàkhôngxéttớisựbiếnđổiđịahìnhđáytrongquátrìnhmôphỏng,lòngdẫnđượccoilàcốđịnhtrongtoànbộthờigianmôphỏng.

(Nghiêncứusóng,dòngchảy,phânnướccácnhánhsông)

•  Môhìnhlòngđộngmôphỏngcácquátrìnhdiễnbiếnbờbiểncóxéttớitácdụngvậnchuyểnbùncátởvenbờdotácđộngcủasóngvàdòngchảy,lòngdẫncủamôhìnhthayđổitrongquátrìnhmôphỏng.

(Biếnđổimặtcắt,đườngbờbiểntạicácthờiđiểmkhácnhau)

•  Vớiđặctínhtrênmỗimôhìnhsẽcóphạmviápdụngvànghiêncứuriêng,tùythuộcvàotínhnăngcủamôhình.

•  Khônggianthựclớn(đôikhilàrấtlớn)nênphảidùngtỉlệ•  Trongphòngcóbểsóng,mángsóng;ngoàitrờicóbãithínghiệm

156

•  Nếuchếtạomôhìnhbằngđúngvớinguyênmẫu:Môhìnhtỉlệ1:1.•  Trườnghợptổngquát,tỉlệvềkíchthướclà1:Lr.HệsốtỉlệLr=Lp/Lm(nguyênhình/môhình).

•  Thựctếcácthuỷvựcthườngrộngvànôngnênphảidùnghailoạitỉlệdài:ngangvàđứng.→môhìnhbiếndạng,Lr>hr.

•  VídụcầnnghiêncứusóngtruyềndọcMCNbãibiểncóchiềudàiLp=5000m;độsâunướctốiđahp=4m.Nếulấytỉlệ1:10thìmôhìnhphảicóLm=500m;vàhm=0.4m.Tỉlệchiềuđứngcóthểđápứngđược,nhưngtỉlệngangthìkhôngphùhợpdokhônggianphòngthínghiệmquábé.Khiđótacóthểchọntỉlệngang1:100vàtỉlệđứng1:10vàmôhìnhgọilàbiếndạng.

•  Lưuýhệsốtỉlệthờigiantr=√Lr.→ảnhhưởngđếnchukìsóngcầnphátsinhtrongmáng/bểsóng.

157

•  KhibàitoáncóquánhiềubiếnphụthuộclẫnnhauvàchúngcóthểmôphỏngbằngcácPTtoánhọc(cácPTviphântrongbàitoánthuỷđộnglực–hìnhthái).

•  Khigiảiđượctrongcáctrườnghợpđơngiản→môhìnhgiảitích.Trườnghợpkhácphảisaiphânhóa→môhìnhsố.

•  Ứngdụngđể:•  Pháthiệncácquiluật•  Dựbáoxuthếpháttriển•  Lậpcácdựánvềcửasông,biểnvàđớibờ

•  Ràngbuộcvềquymôhìnhthái

Tạisaocầnsửdụngcácmôhìnhtoán?

158

Thờigian

Khônggian

Cácloạimôhìnhtoán

A-MÔHÌNHTHỦYĐỘNGLỰCHỌC•  Môhìnhdòngchảy(1,2,3D)•  Môhìnhsóng•  Môhìnhtriềuv.v…

B-MÔHÌNHHÌNHTHÁI•  Môhình1D,2D,3D→Môhìnhhìnhđườngđơn(1D)

Phânloạitheomụcđích•  Môhìnhtoánphụcvụthiếtkế•  Môhìnhtoánnghiêncứuhìnhthái

159

NhằmDựbáođặctrưngbờbiển(địnhlượng)MôhìnhđơngiảnhayPhứctạp?

Việclựachọnmôhìnhcầncăncứvào+Yêucầucủaviệcmôhìnhhoá(độchitiết,chínhxác)+Tínhnăngcủamôhình+Cácyêucầukhác(sốliệuđầuvào,phầncứng,kỹnăngsửdụngmôhình…)

MôhìnhhoáMCNtheolýthuyếtđườngđơn

Môhìnhhoátheolýthuyếtđườngphức

160

d

( ) dydxddtdSSdtS xxx =+−Phươngtrìnhliêntụcbùncát

d :độdàycủalớpbêntrênnơixảyrasựbiếnđổiSx :lượngbùncátvậnchuyểndọcbờbiểntạivịtríxSx+dSx:lượngbùncátvậnchuyểndọcbờbiểntạivịtríx+dxCânbằngbùncátvào,ravàlượngbùncátluỹtích:

xx

SdS dx

x∂

=∂

ydy dtt∂

=∂

0xS yd

x t∂ ∂

+ =∂ ∂

161

(KíhiệuSxthaychoQLtronghệtoạđộhìnhvẽ)

Hệphươngtrìnhcơbảncủalýthuyếtđườngđơn(Pelnard-Considère,1956)

Phươngtrìnhchuyểnđộng

•  Biểudiễnsựbiếnđổibùncátdọcbờbiển∂Sx/∂x•  Phươngtrìnhchuyểnđộngcódạng

•  sx(m3/s)làhằngsốbờbiển(coastalconstant)

•  Dùngquytắcchuỗiviphân

•  Góctạogiữađườngđỉnhsóngtạiđộsâuhvàđườngbờtứcthờitạithờigiant

(giảthiết∂y/∂xnhỏ,đườngbờgầnnhư//đườngcơsở)•  Nhưvậy:

sx =∂Sx∂ϕ

x xS Sx x

ϕϕ

∂ ∂ ∂=

∂ ∂ ∂

2

2

yx xϕ∂ ∂=−

∂ ∂

' yx

ϕ ϕ∂

= −∂

162

TừPTc.động:vàhệthứcsx =∂Sx∂ϕ

x xS Sx x

ϕϕ

∂ ∂ ∂=

∂ ∂ ∂

2

2

yx xϕ∂ ∂=−

∂ ∂Ápdụngquytắcchuỗiviphâncho∂Sx/∂xtacó:

→∂Sx∂x

=− sx∂2 y∂x2

ThếvàoPTliêntụctacó: −sx∂2 y∂x2

+d ∂y∂t= 0

G ∂2 y∂2x

−∂y∂t

= 0Viếtdướidạngchuẩn(PTparabolic):

G=sxd=QLϕ 'd

Phươngtrìnhviphân

163

VớiG:hệsốkhuếchtánđườngbờ(coastlinediffusivity)

Đơnvịm2/s,độlớnnhỏ,cỡ10-3m2/s.

Nghiệmsốtrị:

ĐKổnđịnh:

yit+Δt = yi +G

ΔtΔx2

yi−1 − 2yi + yi+1( )

https://repl.it/B6mz/4G ΔtΔx2

≤12

Xâydựngđậpmỏhànnhưhìnhvẽ,đánhgiábồilắngsaukhixây.

Điềukiệnbanđầu:y=0tạit=0

Điềukiệnbiên:x=–∞→Sx=QLvớimọit

x=0� Sx=0vớit>0

'yx

ϕ∂

→ =∂

x=0vớit>0

y (t) = ϕ ' 4Gtπ

e−u2

−uθ π⎡⎣⎢

⎤⎦⎥Nghiệmcủabàitoán:

Trongđó:, (hàmbùsaisố)u =− x

4Gtθ =

2π

e−u2

u

∞

∫ du = erfc(u)

Bàitoánmôphỏngbồitụtrướcđậpmỏhàn

164

KhôngphảisốShields!

Vịtríbồixanhấtlàtạiđập(u=0): L(t) =max y(t) =ϕ ' 4Gtπ

= 2ϕ 'QLπd

t

Nhậnxét:Hướngđườngbờởsátđậpthìvuônggócphươngtruyềnsóng:

Tạiu=0,dy/dx=φ’

Mộtsốgiátrịcủaθ=erfc(u)và[exp(–u2)– uθ]=F(u)đượctrìnhbàyởbiểuđồbên.

Vớiu>2,5,θ≈0và[exp(–u2)– uθ]<10-4(lượngbồilắngnhỏhơn0.01%đốivớithểtíchbồilắngởgầnđậpphásóng).

Từcóthểđiđếnkếtluậnrằng,đậpphásóngcóảnhhưởngrấtnhỏtớiđoạnbờcáchnókhoảng>5vềphíathượnglưu.Gt

165

Bàitoánmôphỏngbồitụtrướcđậpmỏhàn(2)

Nhậnxétvềphạmvibồi:K.ca'ch OB 'K.ca'ch OC

ϕ≈

K.ca'ch 2.5 4.43K.ca'ch

OAOC

π≈ =

TrongthựctếbồitụkhôngxảyrabênngoàiđiểmADiệntíchbềmặtcủaOCBvàOAB:Dovậy,64%tổnglượngbồitíchsẽđượcgiữlạiởphầndiệntích(OCB)đượcgạchchéotrênhình.

OCB→ 2π

QLtd

OAB→QLtd

166

Thờigiancầnthiếtđểbồitụbắtđầuvượtrakhỏiđầuđập:

t1 =πL2d4QLϕ '

=0.785 L2d

QLϕ '

Bồitụvàxóilởở2phíađậpvớidạnggầnnhưđốixứngnhauBồivượtrangoàiđầuđập:

Với bờ biển ban đầu thẳng,một cửa sông chạy vuông góc với lưulượngbùncátđổrabiểnbằngQR,bỏquaảnhhưởngcủasóng.Cóthểcoilượngbùncátnàyđượcchiađềusang2bêncửasônggâybồi.

Điềukiệnbanđầu:y=0tạit=0

Điềukiệnbiên:x=±∞→Sx=0vớit>0

x=0� Sx=±QR/2vớit>0

'yx

ϕ∂

→ =∂

x=0vớit>0

y (t) = ϕ ' 4Gtπ

exp(−u2 )−uθ π⎡⎣⎢

⎤⎦⎥Nghiệmcủabàitoán:

Vẫnvới:,(hàmbùsaisố)u =− x

4Gtθ =erfc(u)

Bàitoánpháttriểncửasôngchâuthổ

167

Nhưngφ’đượclấytheobiểuthức: ϕ ' = arcsinQR2Gd

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

Khoảngcáchbồilớnnhấtbằngbaonhiêu?

Vớibờbiểnbanđầuthẳng,thựchiệnnuôibãivớilượngcáttrênmặtbằnglàhìnhchữnhật(kíchthước2ℓdọcbờ×Yngangbờ).Hãytínhdiễnbiếnmặtbằngbờbiển.

Điềukiệnbanđầu:tạit=0:

y=0với|x|>ℓ

y=bvới|x|≤ℓ

Điềukiệnbiên:x=±∞→Sx=0vớit>0

y (t) = Y2erf ℓ− x

2 Gt

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟+ erf

ℓ+ x

2 Gt

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥Nghiệmcủabàitoán:

với:erflàhàmsaisố(trađồthịslide…)

Bàitoánnuôibãi

168

Dobảnchấtkhuếchtánnênvùngnuôibãibị“bẹt”đi.

Vịtríđườngbờnhôranhất(ítbịbẹtđinhất)làđiểmgiữavùngnuôibãi(x=0)vớiymax(t)=?

http://bit.ly/2ugpQXk

Cácgiảthiếtcủalýthuyếtđườngđơn1.  Hìnhdạngmặtcắtngangcốđịnh2.  Nănglượngsinhrakhisóngvỡ

tạothànhdòngchảycótácdụngVCBC

3.  Mặtcắtngangbãibiểndịchhuyểntronggiớihạnchotrước(B+h*)

4.  Khôngxéttớidòngtuầnhoànởvenbờdocôngtrìnhtạora

5.  Biểuthịxuthếdiễnbiếnđườngbờtrongthờiđoạndàimộtcáchrõrệt

6.  Gócđườngbờnhỏ(hạnchếđốivớitrườnghợpđườngbờbiếndạngnhiềusovớiđườngcongcơsởbanđầu).

169

Hạnchếkháccủalýthuyếtđườngđơnriêngvớibàitoánđậpliềnbờ1.Giảthiếtgócϕ’nhỏchưađúngvớithựctế

2.Đườngbờtínhtoánphảilàđườngbờthẳngvàcógiátrịbằng(4,43/ϕ')lầnchiềudàicủađậpphásóng.Giảsửϕ'=10°=0.175radvàLđậpphásóng=1000m,thìđoạnbờthẳngtheogiảthiếtkéodàiđến25km!!

3.Giảthiếtđộdốcđáybiểnkhôngđổidọcdảibờtrongsuốtquátrìnhtínhtoánlàkhôngthựctếvìquátrìnhbồiđộdốcthayđổicảphíabồivàphíaxói(Hìnha).

4.Cànggầnđậpmỏhànlưutốcdòngchảygiảmdần,nhưnglạixuấthiệnthànhphầnhướngngangchảyrangoàikhơi.Hiệntượngnàykhôngđượcxéttới(Hìnhb).

5.Chưaxéttớiảnhhưởngcủadòngtriều(Hìnhc).

6.Ảnhhưởngcủacửasông?

Hình a

Hình b

Hình c

170

GiớithiệumôhìnhGENESIS(1D)•  Tínhtoánbiếnđổiđườngbờdochênhlệchbùn

cátvậnchuyểndọcbờtheokhônggianvàthờigian•  Phạmvitínhtoándọcbờ:từ1-300km•  Giớihạntínhtoántheokhônggian:từ1-30năm

171

•  TínhnăngGENESIS:•  Môphỏngvớiđiềukiệnsóngphứchợp(biếnđổitheothờigian)

•  Biểudiễnđượcmộttậphợpcáccôngtrìnhnhiềuchủngloại,xếptuỳýbaogồm:mỏhàn,đêchắnsóng,tườngbiển,cácphươngánnuôibãi,chuyểncát.

•  Cáchiệntượngkhúcxạsóng,nhiễuxạsóng,truyềnquacôngtrình.

Đườngcơsở(baseline)vàsơđồhóađườngbờ

172

PhânôvàcácthànhphầnVCBCtại1ôlướitínhtoán

173

CácPTcơbảntrongmôhìnhGENESIS

174

QL = (H2Cg )b a1 sin 2αb − a2 cosαb

∂H∂x

⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟b

∂y∂t+

1DB +DC

∂QL∂x

− q⎛

⎝⎜

⎞

⎠⎟= 0

•  Hạnchếcơbảncủalýthuyếtđườngđơn•  Tínhtoánsựbiếnđổimựcnướctriềugiántiếp•  Khôngxéttớisóngphảnxạtừcôngtrình•  Mộtsốhạnchếkhibốtrícôngtrìnhtrênmôhình

HạnchếcủamôhìnhGENESIS

a1 =K1

16Δ(1− n)(1.416)2.5

a2 =K2

8Δ(1− n) tanβ (1.416)3.5

DC =

Yêucầuchungsốliệuđầuvàocủamôhình-  Vịtríđườngbờ(trong3thờiđiểmkhácnhauđểhiệuchỉnhthôngsố&kiểmđịnhmôhình)

-  Chuỗisốliệusóng(H,T, θ)

-  Mặtcắtngangbãibiểnvàđịahìnhđáyởvùngvenbờ

-  ĐườngkínhbùncáttrungvịD50

-  Cáchoạtđộngdiễnraởlâncậnbờbiển(côngtrình,nuôibãi,khaitháccát,v.v.):vịtrí,thờigian,đặcđiểm.

-  Vậnchuyểnbùncáttrongkhuvực(dòngvenbờ,đườngVCBC,cânbằngbùncát)

-  Địachấttrongkhuvực(sources&sinksofsediments);phânbốđườngkínhbùncát,xuthế

diễnbiếnđườngbờtrongkhuvực,hiệntượngsụtlúnvàhiệntươngdânglêncủaMNB.

-  Mựcnước(biênđộtriềuvàcaotrìnhMNsovớicaotrìnhbờbiển)

-  Cáchiệntượngthờitiếtbấtthường(sóng,nướcdâng,côngtrìnhhưhỏng,hiệntượnglấp,mởcửabiển,độngđấtv.v.)

-  Cáchiệntượngkhác(vùngkhuấtsóngdoảnhhưởngđịahình,dòngchảymạnhởbờbiển)

175

Cânbằngbùncátvàtácđộngcủasóng,dòngchảy1.Xácđịnhcânbằngbùncáttrongmiềntínhcủamôhìnhtừtấtcảcácnguồn:Mặtcắtdọcbãibiển,nuôibãi,nạovét,khaitháccát,côngtrìnhchắngiữbùncát(đập,cửabiển),diễnbiếnđườngbờtrongquákhứ,xóilởđụncát,váchbờ…

176

2.Đánhgiáphânphốibùncáttừcácnguồnđốivớiquátrìnhdiễnbiếndọcbờ

3.Kếthợpcáctácđộngdosóngvàdòngtriềugâyrađốivớicânbằngbùncátdọcbờ

Lựachọnchuỗisốliệuđườngbờ,hiệuchỉnhthôngsốvàkiểmđịnhmôhình

-  Chọncácvịtríđườngbờtrongquákhứởcùng1thờiđiểmhoặccùng1mùatrongnăm

-  Xácđịnhcácxuthếdiễnbiếnđườngbờtươngđốiđồngnhất(khôngnênhiệuchỉnhmôhìnhtronggiaiđoạnxóilởđườngbờvàkiểmđịnhmôhìnhtronggiaiđoạnđườngbờđượcbồi!)

-  Nênhiệuchỉnhthôngsốmôhìnhtrongthờiđoạnngắn(từ3-10năm)

-  Nênkiểmđịnhmôhìnhchothờiđoạndài(từ5-20năm)

177

Môphỏngdiễnbiến2Dtrênmặtbằng

•  PTExner

•  Phânchiaôlướitínhtoán•  Kèmthêmtínhthuỷđộnglực(sóng,triều)•  Vídụ:môhìnhXBeachwww.xbeach.org•  Hìnhbên:bảnđồmàubiểudiễnđịahình

đáycùngvớivectơvậntốcdòngchảykhicócôngtrìnhđêchắnsóng.

•  Đểđịnhlượngbồixóingườitacòndùngbảnđồ“biếnđổicaotrình”sovớibanđầu:

178

∂zb∂t

= −∂h∂t=11− n

∂qx∂x

+∂qy∂y

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

Δz = zb(t ) − zb(t=0)