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 ii 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 iii 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 1 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 2 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 3 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 30 0 N và 30 0 S. Phía bắc giới hạn bởi Nhật Bản (31 0 22’N và Bermuda (32 0 20’N)). Phía nam giới hạn bởi New Zealand (38 0 03’S) và Australia (38 0 45’) và bờ phía tây của Nam phi (32 0 59’) (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 4 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. Quần xa ̃ cây ngâ ̣ p mă ̣ n gồm như ̃ ng loa ̀ i ưa nươ ́ c lơ ̣ , trong đo ́ loa ̀ i ưu thế nhất là bần chua , trang. Dươ ́ i ta ́ n cu ̉ a bần la ̀ su ́ va ̀ ô rô , tạo thành tầng cây bụi ; ở mô ̣ t số nơi sú và ô rô pha ́ t triê ̉ n tha ̀ nh tư ̀ ng đa ́ m. - 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. 5 Hình 1.2 Phân bố rừng ngập mặn và đầm phá vùng biển Việt nam (nguồn:Phân viện Hải Dương học tại Hà Nội ) 6 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)),              zx wu  ,, theo hai hướng (x,z) 0 2 2 2 2       zx  (1.1) Điều kiện biên động lực trên bề mặt: 0           g t tz 0z Điều kiện biên đáy: 0   z  hz  7 Hình 1.3 Lý thuyết sóng tuyến tính Ở đây ɳ (m) là dao động mực nước, g (m/s 2 ) 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 [...]... 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. .. 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. .. tới bờ trong góc từ 30º tới 45º trên hướng truyền của sóng nước sâu Để khắc phục vấn đề này thì biên bên nên lấy ở xa vùng cần tính để tránh những lỗi trong vùng tính 20 Các tham số tính toán liên quan tới sóng được sử dụng trong đầu vào và đầu ra của mô hình (sử dụng các ký hiệu trong chương trình tính) gồm có: Hsign-độ cao sóng hữu hiệu, Hswell–độ cao sóng hữu hiệu sóng lừng, TM01–chu kỳ sóng trung... 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... 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... 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... 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... 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... 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... lượng phù sa được mang ra từ sông Thái Bình Một phần của bờ biển được bảo vệ bởi vành đai rừng ngập mặn đã trưởng thành Để thực hiện việc tính toán quá trình lan truyền sóng trong khu vực nghiên cứu cần sử dụng hai loại số liệu gồm số liệu độ sâu và số liệu các đặc trưng sóng tiêu biểu Các số liệu độ sâu và đặc trưng sóng được lấy từ đề tài “Nghiên cứu và phát 28 triển ứng dụng công nghệ dự báo ngắn hạn . 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. 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. 1: Quá trình tiêu tán năng lượng sóng trong rừng ngập mặn 2 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