không khí, theo quan trắc nhiều nh nghiên cứu dòng xiết thờng liên quan tới tợng nghịch nhiệt v front khí 7.7 Những kết ln chÝnh Sai sè tÝnh sãng biĨn phơ thc vμo nhiều nguyên nhân v trớc hết vo chất lợng trờng khí áp xuất phát v độ xác tính gió, chất lợng mô hình toán v độ xác liệu quan trắc dùng để so sánh gồm bắc phần v trung phần Đại Tây Dơng Sai số tính yếu tố sóng gió theo mô hình phổ tham số khác với sai số tính toán mô hình WAM Mô hình phổ tham số sóng gió mới, ®ã sư dơng phÐp quy chn theo tèc ®é gió động lực, diễn tả đợc chuyển động tự ho hợp lớp biên khí gần mặt nớc v mặt biển dậy sóng Các thử nghiệm mô hình đà cho biết có khả tính sóng bÃo với độ xác cao so với mô hình đồng loại đà có trớc So sánh khí áp mặt đất truyền từ Trung tâm châu Âu Dự báo Trung hạn với liệu đo dn quan trắc cho thấy độ xác dự báo áp suất đủ cao thời gian báo trớc đến ngy Từ ngy thứ t chất lợng dự báo bắt đầu hẳn, dó l nguyên nhân suy giảm độ xác tính toán yếu tố khí tợng khác Sai số lớn tính gió v sóng bắt nguồn từ độ gián đoạn thời gian v không gian thô trờng khí áp truyền từ ECMWF nh mô hình tính gió Sái số bình phơng trung bình tính gió mặt đất 23 m/s, lớn hơn, l sai số điển hình phần lớn hệ phơng pháp tính dùng, điều lm hạn chế độ xác tính toán c¸c u tè sãng giã TriƠn väng tiÕp theo cđa h−íng nghiªn cøu nμy liªn quan tíi sù tÊt u phải tính đến hiệu ứng front, quy mô vừa v không dừng, tính đến chi tiết tơng tác dòng không khí với độ gồ ghề biến thiên mặt biển Các kết tính toán số trờng sóng gió biển phần phía tây Bắc Băng Dơng chứng tỏ khả "nhớ lâu" trình sóng, sóng tới vùng điểm chúng đợc quan trắc, đợc phát triển vùng nớc rộng, bao 475 Chơng Ước lợng độ cao cực trị sóng gió vùng ven bê 8.1 TÝnh cÊp thiÕt cđa vÊn ®Ị NhËp đề Sự phát triển mạnh khai thác dầu khí biển năm gần v nhu cầu tất yếu xây dựng loại công trình kỹ thuật khai thác dầu khí, có công trình vùng nớc thềm lục địa, đà đặt đòi hỏi cao phơng pháp tính toán tác động môi trờng lên công trình Một nhân tố quan trọng định độ bền v ổn định công trình kỹ thuật biển l sóng biển Tuy nhiên, chế độ sóng biển vùng thềm thờng đợc nghiên cứu cha đầy đủ, điều ny liên quan tới thực tế thiếu vắng quan trắc tin cậy đủ di lẽ sử dụng để tính toán giá trị cực trị sóng Những ớc lợng 476 yếu tố sãng giã cã mét sè tμi liÖu tra cøu mang tính chất không đơn trị Chúng thờng dựa sở liệu quan trắc mắt đội hoa tiêu thực thời kỳ hng hải [21, 45] Để có đợc ớc lợng tin cậy chế độ sóng gió vùng thềm cụ thể số liệu quan trắc mắt rõ rng l không đủ, lý l chúng có chất lợng thấp v tính không đồng không gian cao cđa tr−êng sãng giã ë c¸c vïng biĨn nớc nông ven bờ Vì vậy, để khôi phục số liệu thiếu vắng, nên sử dụng cách tiếp cận dựa kết mô hình hóa số trị Ta xét thí dụ kiểu tính toán nh biển Pêtrora Các điều kiện tạo sóng thủy vực biển Pêtrora Biển Pêtrora nằm phía đông nam biển Barens, l nơi hay diễn b·o tè nhÊt ë n−íc Nga ë biĨn Barens, sãng cao m v có xuất đảm bảo mùa đông đến 3%, mùa hè 0,10,2% Cờng độ sóng giảm dần từ phía tây sang phía đông Tơng ứng, đặc trng cực trị sóng giảm 20 30% chuyển động từ phía tây sang phía đông Những đặc điểm phân bố không gian sóng đà nêu l đặc thù hon lu khí biển v điều kiện tạo sóng [21, 27, 45, 163] X©m nhËp vμo vïng biĨn nμy lμ sóng gió v sóng lừng không từ biển Nauy v Greenland, m từ vùng nớc phía bắc Đại Tây Dơng Trong đánh giá chế độ sóng thủy vực biển Barens, v đặc biệt biển Pêtrora, phải ý tới diện thảm băng, vo mùa khác lm thay đổi nhiều kích thớc phần thóang thuỷ vực Sự phát triển sóng cục biển Pêtrora bị hạn chế nhiều độ sâu vùng v khoảng cách tới bờ lân cận Cờng độ sóng tất vùng biển Pêtrora nhỏ so với vùng 477 khác biển Barens, biển Pêtrora mở phía tây v tây bắc cho sóng từ trung phần v nam phần biển vo Trên hớng khác, sóng đợc quy định tốc độ v thời gian tác động gió địa phơng, độ sâu v khoảng cách tới bờ khuất gió Những đặc điểm hình thnh sóng nguy hiểm vùng nớc biển Pêtrora chủ yếu gây nên sóng gió xâm nhập từ biển Barens Các độ sâu tơng đối nhỏ (cỡ 10100 m) dẫn tới biến dạng mạnh sóng nớc nông đà sinh v phát triển điều kiện nớc sâu với tốc độ gió lớn Quy mô truyền sóng đặc trng vùng nớc biển Pêtrora (cỡ vi trăm km) cho thấy trờng sóng gió địa phơng góp phần rõ rệt vo chế độ sóng chung Nh vậy, để mô số đắn trờng sóng, phải ý không tới tính nớc nông biển, m loạt hiệu ứng khác hình thnh nên phổ sóng thủy vực xét, kể tác động gió 8.2 Mô hình toán sóng gió biển nông Tổng quan vấn đề Mô hình hóa toán học sóng gió biển nông l bi toán phức tạp, bao gồm vấn đề lý thuyết hình thnh sóng vùng biển sâu nh đới nớc nông ven bờ Trong chơng đà xem xét kết khảo sát điều kiện hình thnh sóng nớc sâu gió cung cấp lợng, tơng tác phi tuyến yếu v tiêu tán sóng đổ, chơng đà mô tả biến dạng sóng nớc nông v ảnh hởng ma sát đáy không tính đến tác động gió Tuy nhiên, phép cộng đơn hiệu ứng diễn tả đầy đủ phát triển sóng dới tác động gió thủy vực nông đáy không phẳng 478 Trong thủy vực nớc nông tính chất chế vật lý hình thnh phổ sóng thay đổi v xuất hiệu ứng bổ sung Thí dụ, phát triển sóng thủy vực nông, tơng tác phi tuyến yếu bốn sóng có đặc điểm mạnh mẽ hơn, ngoi có tơng tác cộng hởng ba sóng (xem chơng 6) Thêm nữa, nớc nông đới ven bờ, giả thiết xuất phát độc lập pha hợp phần phổ sóng không nữa, thân phổ sóng trở nên hẹp, gây nghi ngờ khả sử dụng phép gần rối yếu sóng v phơng trình động học Trong điều kiện nớc nông thay đổi đặc điểm cung cấp lợng từ gió cho sóng [63] Chẳng hạn, nớc sâu, điều kiện sóng phát triển hon ton đạt đợc vận tốc pha sóng tiến gần tới tốc độ dòng không khí trung bình Vận tốc pha sóng nớc sâu thực tế không bị hạn chế (trong phép gần chất lỏng lý tởng không nén) Vì lý đó, sóng đại dơng v biển đạt tới kích thớc lớn Trong trờng hợp nớc nông, vận tốc pha sóng bị giới hạn ảnh hởng độ sâu Giai đoạn phát triển hon ton sóng đạt đợc sơm so với trờng hợp nớc sâu Điều diễn sóng có kích thớc cho tốc độ truyền sóng tơng ứng đạt giá trị cực đại độ sâu thủy vực quy định, sóng gió thủy vực nớc nông nhỏ so với nớc sâu với tốc độ gió Lu ý quy mô không gian-thời gian đặc trng biến đổi trờng sóng nớc sâu đợc quy định quy mô synop hay kích thớc hình học thủy vực, thủy vực nông quy mô không gian biến đổi độ sâu thủy vực lại l nhân tố bổ sung sóng giã thđy vùc n«ng [83, 143, 277, 363, 386] Một mô hình gần đợc R Ris [346] xây dựng, ngoi phép tham số hóa xác truyền thống chế vật lý, tính đến đổ nho sóng nớc nông v tơng tác ba sóng Các mô hình nớc nông khác nhiều [363], điều ny lần nói lên phức tạp v nghiên cứu cha đầy đủ trình Có thể l, lý m mô hình sóng gió nớc nông mức độ lớn so với mô hình sóng biển sâu, dựa nh÷ng mèi phơ thc thùc nghiƯm t−êng minh rót từ điều kiện tạo sóng đơn giản [143] Vậy vấn đề lý luận ứng dụng chúng cho trờng hợp phức tạp thờng cha sáng tỏ, v hợp lý ứng dụng mô hình ny hay mô hình khác đợc chứng minh nhờ so sánh kết tính với liệu quan trắc Trong mục ny xét mô hình phổ tham số mô tả phát triển sóng gió biển nông với mức đắn chung Mô hình ny đợc hình thnh khuôn khổ thiết lập bi toán tổng quát Các biểu thức giải tích chế chua đợc nghiên cứu lý thuyết nhiều (nh trình phát triển sóng thủy vực độ sâu không đổi giới hạn, đổ nho sóng ®íi ven bê) sÏ suy tõ d÷ liƯu thùc nghiệm tin cậy Ngoi ra, mô hình sử dụng kết lý thuyết đà đợc thừa nhận (chẳng hạn, vấn đề khúc xạ sóng thủy vực đáy không phẳng) Mô hình phổ tham số phát triển sóng gió biển nông Thiết lập bi toán Xuất phát từ phơng trình cân lợng sóng gió tổng quát (5.1), ta viết phơng trình ny với hm mật độ phổ S S (k , , x, y, t ) phô thuéc vμo sè  sãng k  k vμ gãc   arctg (k y / k x ) d−íi d¹ng Hiện đà có nhiều mô hình toán diễn tả sù tiÕn triÓn 479 480 S S S S d k S d G    C gx  C gy , t x y  k d t  d t (8.1) dy dx vμ C gy  hình chiếu vận tốc C gx dt dt nhóm C g trôc x vμ y C gx  C g cos , C gy  C g sin  , 2kH  d   , 1  Cg    sh(2kH )  dk k  gk th(kH ) mô tả sau Các phơng trình diễn tả biến thiên số sóng k v góc dọc theo quỹ đạo truyền chùm sóng, theo (5.2) viết dới dạng: (8.6) (8.2)   H   H dk  cos   sin  ; H x H  y dt (8.3) d    H   H  sin   cos  H  y dt k H x (8.7) (8.4) Hμm nguån G mô tả chế vật lý hình thnh phỉ sãng giã, ta sÏ biĨu diƠn d−íi d¹ng tỉng ba hμm: G  Gin  G nl  G ds , Gin cung cấp lợng từ gió cho sóng, G ds tiêu tán lợng sóng, G nl tơng tác phi tuyến phổ sóng gió Ta xem tiêu tán lợng sóng G ds đợc xác định hai chế: ma sát đáy G ds v đổ nho đỉnh sóng G ds nớc nông Với t cách l hm tiêu tán lợng sóng ma sát đáy ta sử dụng đề xuất công trình [365]: kS (1 , (8.5) G ds )   g sh (2kH ) 0,076 m s Hm tiêu tán G ds chấp nhận theo mô hình cụa J Battjes v J Jonssen [208] BiĨu thøc xÊp xØ cđa nã nhËn đợc dới dạng phổ, m dới dạng tham số, v đợc dẫn sau ny Về hm nguồn hợp phần lại, chúng đợc 481 Ta xem hệ phơng trình (8.1), (8.6), (8.7), cho trớc điều kiện biên v ban đầu tơng ứng, diễn tả bi toán phát triển sóng thủy vực nớc nông Chuyển sang hệ phơng trình tham số phổ Phơng pháp tham số tính sóng có nghĩa l chuyển từ phơng trình mật độ lợng phổ (8.1) sang phơng trình tham số phổ [185, 257] Các phơng pháp tham số đà trở thnh truyền thống tính sóng nớc sâu Chúng dựa giả thuyết tồn dạng phổ ổn định sóng gió, đợc kiểm soát tơng tác phi tuyến yếu sóng Còn trờng hợp phát triển sóng thủy vực độ sâu hữu hạn, ứng dụng ý tởng Căn quan ®iĨm nμylμ nh÷ng d÷ liƯu thùc nghiƯm [219], theo ®ã đà xác lập đợc tính bất biến phổ kh«ng gian cđa sãng giã (trong kh«ng gian "k " ) thủy vực nớc nông v mối liên hệ tham số phổ với điều kiện tạo sóng Ngoi ra, tác giả công trình ny đà đến kết luận ma sát đáy không ảnh hởng đáng kể tới dạng phổ sóng gió Vai trò ma sát đáy, đơng nhiên, dẫn tới tiêu tán lợng sóng, nhng có mặt tác động gió tổ hợp với chế khác lm cho phổ có dạng bất biến Ma sát đáy 482 áp đảo gió trở nên thấp giá trị tạo lợng bản, v truyền sóng lừng động lên phơng trình cân lợng sóng (8.1) toán tử tích phân chọn chuyên cho mục đích ny [185]: Việc dẫn lập hệ phơng trình cho tham số phổ dựa sử dụng phơng trình phổ (8.4), v kỹ thuật dẫn lập nói chung không khác với kỹ thuật đà đợc đề xuất công trình [185] nớc sâu, nhng thủy vực nớc nông không nên dùng phổ tần số góc, m dùng phổ sè sãng k vμ h−íng   L1 [ P ]   thêi gian t Nh− vËy mèi phơ thc cđa phỉ vμo c¸c tham sè cã thĨ viÕt d−íi d¹ng:   S  S m0 ( x, y, t ), k max ( x, y, t ),  ( x, y, t ), k ,  Hμm mËt ®é phỉ cã thĨ viÕt dới dạng tích phổ số sóng nhân víi hμm ph©n bè gãc: S  S ( m0 , k max , k ) Q (,  ) , khi   (n q  1)   , (8.12)   Nh− vậy, đến hệ phơng trình vi phân phi tuyến tham số phổ: mômen không m0 v hớng tổng quát truyền sóng Hệ phơng trình tham số phổ viÕt d−íi d¹ng nh− sau:  m0  m0  m0    C mx  C my  D mx  Dmy  t x y x y u ref ds  G m cos(   U )  G m  G m     n q  m0  m0     C x  C y  Dx  Dy  t x y x y (8.13) ref u  G cos(   U ) G (8.9) ij hớng giã; C mx , Dmx , C x , Dx , C my , Dmy , C y , Dy  (n q )  nh©n tư quy chn, b»ng ( n q ) (8.11) phơng trình (8.1) (8.8)  ;    ;  P k d k d  ; ®ã Pj số hạng số hạng có tính tổng nq ( n q ) cos (   ) Q (,  )   0    Pj k d k   L2 [ P ]    Skdk Chúng ta đa xấp xỉ giải tÝch cđa nã d−íi d¹ng mét hμm phơ thc vμo phơng sai trình sóng m0 , số sóng cực đại phổ k max v hớng tổng quát truyÒn sãng  TiÕp theo sÏ cho thÊy r»ng thủy vực nông tham số m0 v k max cã thĨ thiÕt lËp mét mèi liªn hƯ t−êng minh Ta sÏ xem r»ng c¸c tham sè phỉ phụ thuộc vo tọa độ không gian x, y v hệ số phiếm hm, định dạng phỉ hai chiỊu; u ref G m  hμm tỉng quát phát sinh lợng sóng gió; G m (8.10) Để có hệ phơng trình c¸c tham sè phỉ, ta sÏ t¸c 483 ds hμm ảnh hởng khúc xạ lên phân bố lợng sóng; G m u tiêu tán lợng sóng; G  hμm biÕn ®ỉi h−íng trun 484 ref sãng tỉng quát đổi hớng gió; G hm ảnh hởng khúc xạ lên biến đổi hớng truyền sóng Những hƯ sè vμ hμm nμy lμ nh÷ng biĨu thøc tÝch phân từ phép xấp xỉ hai chiều phổ v hợp phần tơng ứng hm nguồn đợc thể phơng trình (8.1) Ta đa ký hiÖu sau: IC   Cg S k d k,  m0 I D   Cg S k d k, 1 (n q )  2 nq   mo  mo  mo     I D sin    I C sin    I C cos  x y x t  1 I D cos   mo  mo 1   1 m0 I C sin  m0 I C cos     nq  t1 n q x y   m0 I D cos  Khi chúng vo phơng trình (8.13), ta biểu diễn hệ số cần tìm hệ dới dạng:   C my  L1 [C g sin  ( S /  m0 )]   (n q )  I C  sin  ;   C x  L2 [C g cos  ( S /  m0 )]  n q m0  I C  sin  ;   ref u   G sin (   U )  G  m0 I D sin  y x  S d k S d ref G m  L1 G ref  L1      k d t  d t  Dmx  L1 [C g cos  ( S /   )]   (n q )  I D  sin  ; (8.14) (8.15) T−¬ng tù, ta biểu diễn hm mô tả khúc xạ v đứng vế phải hệ phơng trình (8.15) C mx  L1 [C g cos  ( S /  m0 )]   (n q )  I C  cos  ; Dmy  L1 [C g sin  ( S /  m0 )]  1 ( n q )  I D  cos  ;  u ref ds  G m cos (   U )  G m  G m ; y (8.16) Sử dụng phơng trình (8.6), (8.7), ta đợc H H ref ), sin  G m  J k    (cos  y x (8.17) ®ã J k  J k  J k ;   C y  L2 [C g sin  ( S /  m0 )]  n q m0  I C  cos  ; J k1    Dx  L2 [C g cos  ( S /   )]  m0  I D  cos  ;  Dy  L2 [C g sin  ( S /  m0 )]  m0  I D  sin  S  k d k; k H J k2   S kdk k H Hm khúc xạ phơng trình thứ hai tìm cách tơng tự v đợc viÕt nh− sau: S d k S d ref ], (8.18)  G  L2 [G ref ]  L2 [  k d t  d t ViÕt l¹i hệ (8.13) dới dạng sau: đợc biến ®ỉi ®Õn d¹ng    H H ref  G  m  J k  J k    sin   cos     nq x y        (8.19) BiÕn ®ỉi tiÕp theo cđa c¸c hƯ sè phiÕm hμm hƯ (8.15) 485 486 chØ cã thĨ tr−êng hỵp cho t−êng minh d¹ng cđa xÊp xØ phỉ S  S (m0 , k max , k ) Q (,  ) XÊp xØ phỉ sãng thđy vùc n−íc n«ng VÊn đề dạng biểu diễn giải tích phổ sãng giã thđy vùc n−íc n«ng mét thêi gian di cha đợc giải Theo công trình đợc thực Bắc Hải v Đại Tây Dơng, bờ đông Hoa Kỳ [219, 327] đà khẳng định khả sử dụng gọi l phổ TMA để tính toán biến dạng phổ tần số từ nớc sâu sang nớc nông Xấp xỉ phổ tần số TMA dựa ý tởng áp dụng tính bất biến khoảng cân b»ng phỉ kh«ng gian cđa sãng sang toμn bé phỉ Phỉ cã d¹ng S TMA (, H )   g  5 e 1,25 ( max / )  f  (, H ) ,  (8.20)    max 2   ; , ,   c¸c tham sè phơ thc 2 2 max vo giai đoạn phát triển sóng, hm đợc biểu diễn nh sau: k (, H ) k 3 (, H )  (8.21)  (, H )   k (, ) k 3 (, )  ®ã f  exp    KÕt ln chÝnh cđa viƯc ph©n tÝch liệu thực nghiệm l biến dạng phổ tần số sóng gió (tức sóng chịu tác ®éng trơc tiÕp cđa giã) chØ phơ thc vμo phỉ xuất phát nớc sâu v vo tốc độ gió v không phụ thuộc vo độ nghiêng đáy Trong đà giả thiết xấp xỉ phổ TMA tận đới đổ nho Những kết nh nhận đợc Bắc Hải, vùng với độ nghiêng đáy 0,0003, miền bờ Hoa Kỳ với độ nghiêng đáy 0,005 [162] với độ nghiêng đáy lớn hơn, 0,006 độ sâu 1118 m v với độ nghiêng đáy 0,025 độ sâu bé hơn, đà gây nghi ngờ kết trớc Chẳng hạn, đà nhận đợc kết luận: độ sâu không thứ nguyên H ( H   H max ) , c¸c phỉ g thực nghiệm không diễn tả xấp xỉ phổ TMA Trên độ sâu tơng đối bé 0,16 H 0,50 * nhánh thăng phổ biến thiên dốc đứng so với phổ TMA, nhánh giáng xuất cực đại thứ cấp ổn định tần số l bội v không bội tần số đỉnh phổ Tuy nhiên, lu ý thí nghiệm ny đà đợc tiến hnh vùng ven bờ với độ nghiêng lớn nhiều, cho ý kiến không thống võa råi lμ sù hiƯn diƯn cđa c¸c sãng bị phản xạ từ sờn nghiêng đáy, nh từ đế bệ quan trắc Có thể l biểu hiệu ứng tơng tác ba sóng Có lẽ tình ny không cho phép tác giả công trình nhận đợc biểu thøc tin cËy cho xÊp xØ phỉ tÇn sè TÝnh tíi tÝnh bÊt biÕn cđa phỉ sãng kh«ng gian, chóng ta sư dơng biĨu diƠn hμm mËt ®é phỉ d−íi dạng xấp xỉ phổ Cruzeman [331], nhng đợc thể cho phổ số sóng Dới dạng nh nhánh giáng đợc xấp xỉ S (k ) ~ k , nhánh thăng phổ l hm tuyÕn tÝnh cña k : (k / k max ) 4 S max k  k max S (k )   max 0, a (k  k max ) k k max * Một thí nghiệm khác thực vùng bờ Bungari, Hắc H¶i 487 (8.22) a  S max /( k max  k ) ; k   k max ( ) Trên độ sâu nhỏ hơn, tiến triển sóng diễn điều kiện đới sóng vỗ bờ 488 Thoạt nhìn tởng xấp xỉ (8.22) l thô Tuy nhiên, không mâu thuẫn với liệu thực nghiệm [162] Nếu có chi tiết hoá tỉ mỉ việc xấp xỉ dạng phổ S (k ) , không dẫn tới lm xác nhiều phơng trình tham số phổ Với mục đích xác định tham số S max ta sử dụng liệu thí nghiệm [162], đà xác lập mối phụ thuộc mômen không chuẩn hoá phổ vo số sóng cực đại phæ nh− sau: ~ ~ m  2,0  10 3 k 1,47 (8.23) max Phô thuéc nμy đợc thực nớc sâu lẫn nớc nông tận độ sâu không thứ nguyên H   0,16 Tu©n theo mèi quan hƯ nμy, tất trờng hợp sóng truyền từ biển khơi vo vùng ven bờ nớc nông trớc đới sóng vỗ bờ v chịu tác động cđa giã, sÏ cã mét mèi ~ phơ thc gi÷a đại lợng mômen không phổ m0 v số sóng ~ k m cực đại phổ (8.23) không tuỳ thuộc vo độ nghiêng đáy v tính chất trầm tích đáy tần số cực đại phổ không thay đổi trình truyền sóng gió từ nớc sâu tới nớc nông, cho phép viết gk m th k m H  const , víi m tần số cực đại phổ m nớc sâu, k m số sóng cực đại phổ nớc nông với độ m0 v k max liªn hƯ víi b»ng quan hƯ (8.23) Dạng hm phân bố lợng theo góc quen thuộc sóng gió nớc sâu [45] Còn trờng hợp nớc nông vấn đề ny thời gian di đợc nghiên cứu Trong thí nghiệm [162] đà nhận đợc số quy luật định diễn biến hm phân bố góc Khi phân tích liƯu cđa thÝ nghiƯm [162] xÊp xØ hμm ph©n bè góc nớc nông đà đợc dùng dới dạng truyền thống , (8.24) ( s )  / 2 ( s  1) / ((2s  1) / 2) , (s )  hμm Gama Q( s, )   ( s ) cos 2s Việc đánh giá tham số xấp xỉ hm phân bố góc (8.24) đà phụ thuộc ổn định chúng vo tần số v độ sâu Thí dụ, giá trị số số s tơng ứng với tần số cực đại v tần số cao v thấp tần số cực đại, vợt trội số tơng tự trờng hợp nớc sâu; độ sâu giảm, số luỹ thừa s tăng lên tất tần số Những quy luật vừa nêu biến dạng phân bố góc đợc xấp xỉ c«ng thøc: ˆ s  s ()  A  2,5 , đây: Lấy tích phân phổ (8.22) theo số sóng tham số S max , nhận đợc m0 k max  2       6   A  45  18 H .5 ; 0,25  H   2,56 ;  /  max    max ; ˆ   max /     max ; s©u H S max  (8.25) H  H max g , Ước lợng biểu thức tích phân phơng pháp tiệm cận Việc dẫn lập tiếp phơng trình tham 489 490 số phổ liên quan tới việc xấp xỉ phổ (8.22)(8.25) vo biểu thức tích phân (8.14), (8.16)(8.19) Không thể biểu diễn biểu thức ny dới dạng tờng minh đợc chí hm số đơn giản xấp xỉ phổ sóng Vì vậy, ta thử cố gắng nhận ớc lợng tiệm cận biểu thức tích phân Lu ý rút biểu thức ny đà sử dụng xấp xỉ hm phân bố góc dới dạng (8.9), đà không tính đến phụ thuộc vo tần số, xấp xỉ (8.24), (8.25) khác với (8.9) vμ chøa ®ơng mèi phơ thc t−êng minh vμo tần số Tuy nhiên hm phân bố góc (8.9) l gần với xấp xỉ (8.24) n q 0,46 s [53] v không khó khăn tÝnh mét phơ thc xÊp xØ th«ng qua mét phơ thuộc khác Ngoi ra, rằng: giá trị lớn tham số n q (theo d÷ liƯu cđa [162] n q ( max ) ~10 ), hiệu chỉnh cho tích phân (8.14), (8.16)–(8.19) tÝnh tíi sù phơ thc cđa tham sè n q vo tần số đại lợng bé cỡ Với mục đích tìm giá trị tích phân I D (8.14), (8.15) phổ (8.22)(8.24) ta dùng ớc lợng tiệm cận theo phơng ph¸p Laplace [189] Cuèi cïng ta cã   k max H  (8.26) I D  c L1  S ( k max )  m  0,143   sh (2k max H ) (2,5  2k max H )    Khi c L1  1,0 giá trị (8.26) tơng ứng với ớc lợng nhận đợc với giá bé tham số kH Với mục đích xác hoá tiếp xấp xỉ tích phân (8.26) đà thực tính toán số tích phân I D với số giá trị tham số k max H §é lín cđa tham sè nμy ®· biÕn ®ỉi hai bËc ph¹m vi tõ 0,05 đến 5,00, tức phủ qua dải biến thiên hợp lý So sánh giá trị số tích phân víi −íc l−ỵng tiƯm cËn cđa nã (8.26) cho thÊy r»ng tham sè c L1 nªn chÊp nhËn b»ng 1,43 Bằng cách dùng công thức (8.26) đảm bảo độ xác tính toán thoả mÃn, sai số không 2,5% ton dải biến thiên xét cđa tham sè k max H BiĨu thøc tÝch phân thứ hai I C biểu thị dới d¹ng n q ( max ) ~ O( ) 1  n q ( max ) n q ( max ) IC   Cg vμ hiÖu chØnh nμy cã thĨ bá qua Nh− vËy, víi mét ®é xác chấp nhận đợc, tơng lai dùng biểu thức (8.14), (8.16)(8.19) để ớc lợng biểu thức tích phân Tuy nhiên, chí trờng hợp ny tích phân theo số sóng không lấy đợc dới dạng cuối v ớc lợng chúng cách gần Ta dùng phơng pháp Laplace [189] để nhận đợc số hạng thứ nhÊt cđa khai triĨn tiƯm cËn c¸c biĨu thøc tÝch phân, sau ny xác hoá thêm theo liệu tính toán số trị biểu thức x¸c 491     ~ 0,53 S k d k   10 3  C g k 3 k max  (k  k max ) d k m0 m0 (8.27) (k )  hμm Heviside, cßn k max vμ m0 liªn hƯ víi b»ng phơ thc (8.23) BiĨu thøc tích phân (8.27) dễ biến đổi tới dạng   ~ 0,53 I C   10 3  C g k 3 k max [0,681 k max  (k  k max )   0,360  (k  k max )] / m0 d k , 492 (k ) hm Delta cđa Diracle u VỊ sè h¹ng G biĨu diƠn sù ®ỉi h−íng trun sãng trung Nh− vËy cã thĨ nhËn ®−ỵc r»ng I C  1,36 C g (k max )  0,36 I D / m0 (8.28) T−¬ng tù cã thĨ biĨu diƠn tÝch ph©n J k biĨu thøc khóc x¹ (8.17) Sè h¹ng thø nhÊt cđa đợc ớc lợng bằng: J k c L S (k max )  g k m  m ch (k m H ) (2,5  2k m H ) (8.29) §é lín cđa tham số c L đà đợc xác định nhờ so sánh tính toán số tích phân (8.17) với biĨu thøc tiƯm cÇn cđa nã (8.29) Tham sè c L lμ mét hμm biÕn ®ỉi chËm theo ®é s©u c L  1,13 (k max H ) 0,064 BiĨu thøc (8.29) cho phÐp thùc hiƯn tÝnh toán với sai số không 2% Đối với số h¹ng thø hai ta cã biĨu thøc  max 1 J k  S (k max ) k max  J k1 sh (2k max H ) Xuát phát từ hệ phơng trình tham số (8.15), hm cần u tìm G biĨu diƠn b»ng u G  (8.30) §èi víi hμm tiêu tán ma sát đáy ta cho có ảnh hởng tới sóng gió trờng hợp tốc độ gió giảm cục v trở thnh thấp giá trị tạo lợng Khi nhận đợc biểu thức cho (8.5) dới dạng sau: 0   0,124   G ds    S (k max ) k max 1   ch (k max H  0,5)     2,0 g sh (2k max H ) (1 k max H ) bình thay đổi hớng gió, nhiều tác giả [200, 257, 258] đà nhận đợc ớc lợng theo liệu quan trắc ®iỊu kiƯn n−íc s©u Song ®èi víi ®iỊu kiƯn biĨn nông cha có liệu đo nh (ít l độ sâu khác nhau) Do ta thử sử dụng công trình [278], điều kiện nớc sâu đà rút phơng trình tơng ứng trờng hợp đồng không gian v cho biết vế phải phơng trình thể dới dạng m0 u G  sin (U   ) (8.32) m0  t m0  m0 max ; m0 m0 max , (8.31) m0 max mômen không phổ sóng phát triển tới hạn độ sâu địa phơng v tốc độ giã ®· cho 493 u m0 G m (8.33) Xác định hm nguồn tích phân hệ phơng trình tham số Trong vế phải phơng trình thứ hệ u (8.15) giá trị cha xác định G m đợc biểu diễn qua hm nguồn phæ u G m  L1 [G ] (8.34) Để tránh khó khăn xác định hm nguồn phổ G (S ) u nớc nông, ta thử xác định hm nguồn tích phân G m không sử dụng trực tiếp hm mật độ phổ, m dựa mối phụ thuộc thực nghiệm đà biết Trong mối phụ thuộc thờng biểu thị mối liên hệ độ cao không thứ nguyên ~ h gh / U , chu kú sãng ~  g / U , đ không thứ nguyên ~ ~ X gX / U v độ sâu H gH / U Dới dạng tổng quát nhÊt 494 phơ thc cđa ®é cao vμ chu kú vo đ thể dới dạng: ~~ ~ b1 X 1 ~ ~ ~ 1  / ~1   h  h th (a1 H ) th (8.35 a) ~ ~ ~ 2  ;  th 1 (a1 H )   ~ ~   b2 X 2 ~~  ~  ~ th (a H 2 ) th / ~2   (8.35 b)   ~ ~ ~ 2  , 2  th (a H )   ~ ~ độ cao không thứ nguyên v chu kỳ (nói h v xác l chu kỳ cực đại phổ) sóng phát triển tới hạn; a , ~ ~ , b ,  ,   c¸c tham sè xấp xỉ Phải lu ý không tồn ý kiến thống giá trị no tham số l Thí dơ, [352] sư dơng ®é cao sãng hiƯu dơng v chu kỳ cực đại phổ, chấp nhận tham sè b»ng: ~ ~ ~ h  0,283; a  0,530;   0,75; b  0,00565;   0,5; ~  1,0;   1 1 ~ ~ ~  7,54; a  0,833;   0,375; b  0,0379;   0,333; ~  1,0 2 2 Những giá trị độ cao h tính theo công thức (8.35) gần với giá trị độ cao tơng ứng * [183] Muộn ít, công trình D Hurdle v M Stive [282] giá trị tham số ny đà đợc xét lại v chấp nhận: ~ ~ ~ h  0,25; a  0,6;   0,75; b  4,3  10 5 ;   1,0; ~  2,0;   1 1 ~ ~ ~  8,3; a  0,76;   0,375; b  4,1  10 5 ;   1,0; ~  3,0  2 2 2 ~~   b1 X 1 ~~  ~  m th (a H 1 ) th / ~1  ~ , m0 ~ ~ 0 ~  th 1 (a1 H 2 )  ~ m0 h /(2); h độ cao sóng trung bình Theo số liệu đo thực nghiệm gần I Young vμ L Verhagen [388] thùc hiÖn ë hå Georgy (nớc áo) với dải độ ~ ~ sâu 10 H , giá trị tới hạn mômen không m0 ~ 3,64 10 3 th 1,74 (0,493 H 0,75 ) Nh÷ng quan hệ đợc dùng để tính giá trị hm nguồn Đối với điều kiện tạo sóng lý tởng (độ sâu không đổi, gió đồng v dừng) hệ (8.13) quy phơng trình d¹ng  m0  m0 u   I C cos  (8.37)  G m cos (   U ) , t x víi   U Để xác định hệ số phơng trình ny ta giải bi toán ngợc: lập phơng trình tiến triển sóng gió, xuất phát từ mối phụ thc thùc nghiƯm (8.36) LÊy vi ph©n (8.36) theo x , ta cã ~ ~ ~ dm0 m0 arcth z (4 1 ) (8.38)  ~ ~ , d~ x X sh (2arcth z ) Quan hệ (8.35) mômen không phổ biĨu diƠn d−íi d¹ng * L-u ý r»ng СНиП tính độ cao sóng trung bình, tơng quan nμy sÏ ®óng chun tõ ®é cao sãng hiệu dụng sang giá trị trung bình 495 (8.36) ~ m0   z  ~ ~~   m th (aH 1 )   0  ~ (8.39) Để hm nguồn có dạng độc lập, tức không phụ thuộc tờng ~ minh vo đ hay thời gian tác động gió, X đợc biểu diÔn qua (8.36) vμ (8.39) nh− sau 496 ~ ~~ ~  th 1 (aH 1 ) arcth z   X    b1   ~ Nếu đòi hỏi cho phơng trình (8.37) hình dừng thoả mÃn điều kiện (8.38), ta cã u Gm ~ m0 arcth z (4 1 ) g ~ ~  1 I C U 1 X sh (2 arcthz ) (8.40) Hμm nguån nh cho phép xác khôi phục mối phụ thuộc thực nghiệm xuất phát ®iỊu kiƯn t¹o sãng lý t−ëng, tøc ®èi víi ®é sâu v tốc độ gió không đổi, m đoạn cục nhỏ với điều kiện đồng Vậy đợc khái quát hoá cho điều kiện tạo sóng phức tạp 8.3 Mô hình tiến triển sóng đới vỗ bờ Do mô tả lý thuyết trình diễn đới sóng vỗ bờ phức tạp, nên phơng pháp tính yếu tố sóng theo truyền thống dựa quan hệ thực nghiệm, quan hệ ny thiết lập quy luật biến đổi giá trị trung bình sóng theo biến đổi độ sâu Thí dụ, mô hình [145] v nhiều mô hình đồng loại khác có sớm [206, 235] Khi dùng phơng pháp tơng tự tính toán thực tế xuất câu hỏi miền áp dụng phơng pháp Vấn đề chỗ phơng pháp ny dựa số liệu quan trắc riêng biệt nhận đợc điều kiện tạo sóng định v sau đủ để phổ biến sang điều kiện tổng quát hơn, thí dụ, sang trờng hợp biến thiên không đơn điệu độ sâu đới sóng vỗ bờ, góc sóng tới bờ xiên v.v 497 Vì quan tâm tới mô hình no có ý định sử dụng lập luận lý thuyết không rng buộc với thực nghiệm riêng rẽ no Thí dụ mô hình loại l mô hình J Battjes v J Jonssen [208] Xuất phát từ hm phân bố yếu tố sóng v độ sâu biển, mô hình ny tính đến đặc điểm ngẫu nhiên trờng sóng gió v xem đổ nho sóng nh trình xác suất Trong mô hình J Battjes v J Jonssen cờng độ tiêu tán trung bình lợng sóng D liên quan với đổ nho sóng nớc nông Có thể nhận đợc ớc lợng D xuất phát từ hai phơng diện: ớc lợng công suất tiêu tán lần đổ nho sóng v xác suất xt hiƯn ®ỉ nhμo sãng víi ®é cao ®ang xÐt Đối với sóng gió, đại lợng D đợc ớc lợng sở tính chất ngẫu nhiên sóng Cho yếu tố sóng đợc mô tả hm phân bố no đó, đổ nho sóng đợc xem nh điều kiện no m phân vị hm phân bố ứng với độ sâu cục đà định phải thoả mÃn Nh vậy, điểm không gian đà định tồn tất tập hợp sóng phân bố xuất phát, m sóng no không thoả m·n ®iỊu kiƯn ®ỉ nhμo nã trun tíi đới sóng vỗ Lu ý mô hình J Battjes v J Jonssen đà nhiều lần đợc kiểm tra v xác hoá số công trình trờng hợp biến đổi độ sâu vùng ven bờ đơn điệu v không đơn điệu [209, 370], số có tác giả chuyên khảo ny Tuy nhiên, tất cha đa đợc nhận xét phê phán hay cải biên đáng kể no mô hình ny Vì tiếp sau đây, dùng mô hình ny để tính toán Mô hình J Battjes v J Jonssen [208] dựa kết đà dẫn công trình sớm J Stoker [361], 498 tiêu tán lợng đới sóng vỗ đợc mô nh l sóng sô (bor) xảy biên giới hai dòng nớc Dạng hm tiêu tán đợc dùng nh sau: D A f  w g hb , (8.41) ®ã f  tÇn sè gãc cđa sãng;  w mật độ nớc; hb độ cao tới hạn, diễn đổ nho sóng tham số sóng đà định v độ sâu cục thủy vực; A hệ số tỉ lệ, đợc xác định số lợng sóng đổ nho Trong quan hệ (8.41) tần số f đợc chấp nhận tần số cực đại phổ sóng xuất phát Giá trị bình phơng trung bình đại lợng ngẫu nhiên hb đợc cho độ cao sóng tuần hon cực đại m m có độ sâu cục đà định thủy vực H ( x, y ) Đại lợng hm đợc xác định theo quan hƯ Misha, ®ã cã tham sè  tÝnh tíi ảnh hởng độ nghiêng đáy v độ dốc sóng hm  0,88 k p1 th k p H 0,88 (8.42) 1Q  h     ln Q  hm    (8.43) ThÕ đại lợng Q vo quan hệ (8.41) v chấp nhận A  Q , cã thÓ viÕt D  Q f p  w g hm , (8.44) hệ số bậc đơn vị Nh vậy, đại lợng D phụ thuộc vo h , giá trị ny đợc xác định qua Q Tiêu tán lợng sóng D đợc dùng phơng trình cân lợng sóng, trờng hợp dừng đơn giản viết nh sau: P D0, (8.45) l P dòng lợng qua đơn vị bề mặt EC g , E w gh ; C g vận tốc nhóm xác định theo lý thut tun tÝnh ®èi víi sãng cã tÇn sè f  f p ; l  phÇn tử khoảng cách thẳng dọc theo quỹ đạo truyền sóng Số sóng k p đợc tính qua tần số cực đại phổ f p sở sử dụng quan hệ tản mát lý thuyết sóng tuyến tính Để xác định phần địa phơng sóng đổ nho Q giả thiết tổng phân bố xác suất tất độ cao sóng (đổ nho v không đổ nho) l phân bố Rayleigh Đại lợng Q đợc xác định phân bố ny cắt h hm Để ớc lợng Q , đà dùng quan hƯ rót ph©n bè Rayleigh 499 NhËn thÊy quan hệ (8.44) vo phơng trình (8.45) phơng trình ny diễn tả hiệu ứng tiêu tán nớc sâu lẫn nớc nông Tiêu tán ny định đổ nho đỉnh sãng nμo mμ ®é dèc cđa chóng theo quan hƯ (8.42) vợt giá trị tới hạn Phiên vừa mô tả mô hình tiến triển sóng đới vỗ bờ l mô hình tích phân v không đa khái niệm biến đổi phổ tần số góc Dựa liệu thùc nghiƯm [207], Y Еldеbегky vμ J Bаttjes [243] ®· đến kết luận tiêu tán cần phải tỉ lệ với mật độ phổ lợng hợp phần Xáp xỉ tiêu tán mật độ phổ lợng đợc 500 viết dới dạng cho mô hình G ds br    BJ Q  8 hm S (, ) , m0 (8.46) ®ã tần số trung bình phổ Lu ý biểu thức tiêu tán nh đợc dùng mô hình SWAN [346] Trong đới nớc nông ven bờ diƠn sù biÕn ®ỉi bỉ sung vỊ mùc biĨn trung bình liên quan đến vận chuyển khối lợng nớc sóng Trong cách tơng ứng diễn biến đổi độ sâu thực địa phơng, v điều ny phía lm thay đổi biến dạng sóng Độ sâu thực H biểu diễn dới dạng tổng độ sâu không nhiễu thủy vực d , đo từ đờng thẳng trung bình tới đáy, v biến thiên mực nớc trung bình sóng gây nên Hiệu chỉnh ny cho độ sâu tìm đợc, với phơng trình cân lợng sóng giải phơng trình mômen động lợng M S Longuet–Higgins vμ R Stewart [312, 315] ®Ị xuÊt:  S xx    g (d  ) 0 (8.47) x x Trong quan hƯ nμy hỵp phần ứng suất phát xạ S xx Mô hình vừa mô tả đà đợc kiểm tra kỹ theo liệu phòng thí nghiệm v quan trắc thực nghiệm trờng [209, 370] Nhờ đối sánh kết tính với liệu quan trắc đà đề xuất đợc mối phụ thuộc xác tham số định nh sau: 0,5 0,4 th (33,0 ) , (8.49) tham số có mặt quan hệ (8.42); độ dốc ban đầu sóng nớc nông h0 / Dùng giá trị tham số (8.48) mô hình, tác giả công trình [209] đà đạt đợc độ xác tính toán cao Hệ số tơng quan giá trị tính toán v quan trắc h 0,98, sai số tơng đối 0,06 m Tuy nhiên, nhợc điểm quan hệ (8.49) l chỗ không xác định cục bộ, tức phụ thuộc vo độ dốc sóng ban đầu nớc sâu Lu ý tình hình ny, R Nelson [346] đà đề nghị tham số hoá đổ nho sóng nh sau Trên nớc nông độ cao sóng cực đại đợc xác định từ quan hệ hm H Giá trị tham số đổ nho chấp nhận b»ng   0,55  0,88 exp (0,012 cth ) , (8.50) độ nghiêng đáy cục hớng truyền sóng tổng đợc xác định 1 kpH  E S xx     sh (2 k p H )    (8.48) L−u ý r»ng nh÷ng quan hƯ (8.47) vμ (8.48) nhận đợc sóng đơn, việc khái quát cho trờng hợp tiếp cận phổ cha đợc nghiên cứu Tính đại lợng (x) cho phép đánh giá độ lớn biến thiên mực biển trung bình chuyển động sóng v lm xác tiếp 501 quát Có thể kết luận rằng: mô hình tiến triển sóng gió đới vỗ bờ J Battjes v J Jonssen đề xớng [208] v đợc phát triển loạt công trình tiếp sau [346] để tính biến đổi lợng sóng v ứng suất xạ vùng sóng đổ nho diễn tả tốt tợng dải rộng điều kiện, điều l để dùng tính toán 502 8.4 Những điều kiện thực tính toán thủy vực biển Pêtrora 503 Hình 8.1 Bản đồ độ sâu tổng quát thủy vực tính sóng (nội suy) Miền tính, lới số v mô hình đợc sư dơng Ta thùc hiƯn tÝnh to¸n sè c¸c u tố sóng gió vùng đông nam biển Pêtrora ®iĨm cã ®é s©u 19 m so víi mùc biĨn lý thuyết thấp Nh đà nói trớc đây, chế độ sóng biển thủy vực ny đợc hình thnh tác động gió địa phơng v xâm nhËp cđa sãng giã vμ sãng lõng tõ biĨn Barens Những điều kiện tạo sóng v quy mô biến đổi trờng sóng đợc mô hai trờng hợp khác Do nên sử dụng cách tiếp cận khác để tính sóng hai trờng hợp Để tính gió v sóng thủy vực biển Nauy, Greenland v Barens dùng mô hình tính gió v mô hình phổ tham số cho điều kiện nớc sâu đà trình by chơng Vì quan tâm độ cao sóng cực trị, nên nh đà nói trớc đây, dùng mô hình phổ tham số thực quy chuẩn theo tốc độ động lực cho phép nhận đợc ớc lợng yếu tố sóng bÃo cách tin cậy Miền tính toán lấy dới dạng hình chữ nhật mặt cầu, biên phía tây trùng với 20o KĐ, phía đông 61o KD, phía nam 60o VB, phÝa b¾c – 80o VB B−íc l−íi b»ng 1,5o theo kinh tuyến v 0,5o theo vĩ tuyến, đảm bảo vĩ độ 70o l vị trí điểm tính ta quan tâm khoảng cách hai nút liền 55 km (hình 8.1) Các vùng thuộc đất liền bị phủ băng đơng nhiên bị loại khỏi miền tính Để tính sóng biển Pêtrora đà dùng mô hình phổ tham số biển nông đà trình by trớc chơng ny Nó cho phép tính đến hiệu ứng biến dạng sóng nớc nông dïng l−íi mau h¬n, víi b−íc 0,75o theo kinh tun vμ 0,25o theo vÜ tun (xem h×nh 8.2) NghiƯm bμi toán biên hai mô hình đợc ghép với däc kinh tuyÕn 52o KD 504 thêi kú tõ 1960 đến 1994 Tổng cộng đà sử dụng trờng khí áp 24158 hạn synop Số liệu áp suất lấy từ đồ synop vùng nớc biển Nauy, Greenland v Barens thời kỳ không băng năm (tháng sáu tháng mời một) Hình 8.2 Bản đồ độ sâu biển Pêtrora (nội suy) Khi đánh giá chế độ sóng biển Barens v đặc biệt biển Pêtrora cần ý tới diện thảm băng, mùa khác cã thĨ lμm thay ®ỉi nhiỊu kÝch th−íc vïng n−íc cđa biĨn, vμ ®o ®ã miỊn tÝnh vμ sè nót tính Trong tính toán vị trí bÃi băng đợc xác định theo giá trị trung bình tháng nhiều năm [71] Khi phân tích đồng thời đồ synop v đồ trạng thái băng đà chọn đợc ba bÃo mạnh vo tháng mời hai Một nhân tố định hình thnh trờng sóng gió biển Pêtrora l độ sâu Từ hải đồ đà lấy độ sâu thực ứng với mực biển lý thuyết thấp để xây dựng lới độ sâu tính toán Bản đồ độ sâu tổng quát miền tính dẫn hình 8.1, chi tiết cho biển Pêtrora hình 8.2 Thông tin xuất phát Cơ sở thông tin để tính yếu tố sóng gió l số liệu khí áp mặt đất hạn synop 505 Một nhân tố bổ sung định kích thớc sóng thủy vực l giá trị mực biển, vùng nớc nông lm thay đổi độ sâu hiệu dụng thủy vực v ảnh hởng tíi sãng Dao ®éng mùc biĨn so víi mùc lý thuyết thấp biến đổi mạnh hai hợp phần: thủy triều thiên văn v nớc dâng bÃo Vì quan tâm tới tình cực trị, tức độ cao sóng đạt kích thớc lớn nhất, nên theo đánh giá biến thiên cực đại mực biển, độ dâng lớn thđy triỊu vμ n−íc d©ng so víi mùc biĨn thấp lý thuyết đợc lấy 2,6 m hớng gió tây v tây bắc Đối với trờng hợp lại vị trí mực biển lấy theo giá trị trung bình nhiều năm +0,45 m 506 8.5 Kiểm định mô hình theo liệu quan trắc biển Pêtrora Mặc dù việc kiểm tra mô hình đà mô tả trên, lu ý điều kiện tạo sóng biển Pêtrora có loạt đặc điểm độc đáo đà mô tả phần đầu mục Nảy sinh vấn đề tính ứng dụng đợc mô hình để thực tính toán sóng gió biển Pêtrora Vì mục ny dẫn kết tính toán theo mô hình v đối sánh chúng với liệu quan trắc thu đợc trận bÃo thủy vực Nh vậy, tính toán theo mô hình phổ tham số (PD) v mô hình WAM phù hợp với số liệu đo Tuy nhiên, phải thấy mô hình WAM đa tăng trởng độ cao sóng nhanh so với mô hình PD v số liệu đo Tháng năm 1984 vùng đông nam biển Barens, cộng tác viên Chi nhánh Leningrat Viện Hải dơng Nh nớc đà tiến hnh khảo sát chuyên dụng tầu Rombak, có thực đo gió v sóng Sóng biển đợc đo máy đo sóng M-16M Gió v sóng đợc đo vùng nớc gần với vùng biển quan tâm biển Pêtrora Các ngy 1617 tháng năm 1984, tầu nằm điểm 69 30 VB 53o08 KĐ, đà xuất điều kiện synop để phát triển sóng bÃo Gió gia tăng tăng građien áp suất xoáy thuận nằm vịnh Onhega v xoáy nghịch nằm phí đông đảo Novaia Zemlia Hớng gió suốt thòi gian bÃo l hớng đông với biến đổi từ 130 đên 70o Sóng phát triển tối đa quan sát đợc vo đêm trớc nagỳ 17 tháng o Nhờ đo sóng bÃo đà tạo hội so sánh kết đo với số liệu tính theo đồ synop mô hình phổ tham số v mô hình WAM [303] Kết so sánh độ cao sóng trung bình dẫn hình 8.3 Từ hình vẽ thấy kết tính phù hợp không tồi với giá trị quan trắc Sai số trung bình tính toán 0,139 m, hệ số tơng quan giá trị độ cao tính v đo 0,95 507 Hình 8.3 So sánh độ cao sóng tính theo mô hình phổ tham số (1) v mô hình WAM (2) với số liệu đo (3) ngy 16- 17/6/1984 8.6 Kết tính yếu tố sóng gió Các tính toán gió mặt nớc v sóng thực theo liệu khí áp mặt đất thủy vực (xem hình 8.1) nơi sóng giã vμ sãng lõng cã thĨ ¶nh h−ëng tíi sù hình thnh chế độ sóng vùng biển Pêtrora đà thực tính sóng gió liên tục 35 năm Tổng cộng nhận đợc 24158 giá trị yếu tố sóng gió nút lới Từ độ cao sóng trung bình đà dẫn tới độ cao sóng cực đại (0,1% xuất đảm bảo) tuân theo dẫn [21] Chuỗi 508 thời gian (35 năm) độ cao sóng h0,1% điểm tính biểu diễn hình 8.4 Nó cho khái niệm chung biến thiên v độ lớn độ cao sóng Theo kết tính đà chọn trờng hợp độ cao sóng h0,1% không nhỏ m Tổng cộng có trờng hợp Các giá trị hm phân bố theo bậc (qua nửa mét) biểu diễ bảng 8.1 TrËn b·o 28–29/10/1973 lμ mét nh÷ng trËn b·o mạnh nhất, điểm tính thứ độ cao sóng đạt h0,1% 9,3 m Hình 8.5 Khí áp mặt ®Êt 12 giê b·o ngμy 28/10 (a) vμ 29/10 (b) năm 1973 Trên hình 8.5 a, b diễn tả trờng áp suất hạn 12 ngy bÃo Từ hình 8.5 a thấy ngy 28/10 tâm xo¸y thn (víi ¸p st d−íi 980 hPa) n»m ë trung tâm biển Barens vĩ độ 75o Trên biển Pêtrora ngự trị nửa trớc xoáy thuận Tốc độ gió hớng thổi 240o đạt tới 15,0 m/s Hình 8.4 Độ cao sóng 0,1% suất đảm bảo 24158 hạn synop 509 510 Lúc ny bờ bán đảo Kolski tốc độ gió đạt 20 m/s Sau áp suất tâm xoáy thuận giảm hPa, vùng quan trắc đà diện cung ấm xoáy thuận Tốc độ gió hớng thổi khoảng 270o đạt 17,5 m/s Lúc ny bờ bán đảo Kolski tốc độ gió đạt 27,5 m/s, trạm khí tợng thủy văn Kanin Nos 25 m/s Tiếp sau tâm xoáy thuận di chuyển phía đông dọc vĩ tuyến 75o, v biển Pêtrora (ngy 29/10) tốc độ v hớng gió đợc quy định phần hậu phơng xoáy thuận (hình 8.5 b) Tốc độ gió vùng đạt 22 m/s (00 giê GMT 29/10) víi h−íng 280o Sau ®ã quan trắc thấy gió yếu dần v bÃo tan Bảng 8.1 Phân bố độ cao sóng cực đại điểm tÝnh BËc tËp sãng, m 0,0  0,5  1,0  1,5  2,0  2,5  3,0  3,5  4,0  4,5  5,0  5,5  6,0  6,5  7,0  7,5  8,0  8,5  9,0  x  0,5 x  1,0 x  1,5 x  2,0 x  2,5 x  3,0 x  3,5 x  4,0 x  4,5 x  5,0 x  5,5 x  6,0 x  6,5 x  7,0 x  7,5 x  8,0 x  8,5 x  9,0 x  9,5 Số trờng hợp Xác suất, % Xác suất tích luỹ, % X¸c suÊt tÝch luü 100% 49 2404 7619 5497 3465 2067 1240 724 455 270 158 98 59 24 18 2 0,20283 9,95115 31,53821 22,75437 14,34307 8,55617 5,13288 2,99694 1,88343 1,11764 0,65403 0,40566 0,24423 0,09935 0,07451 0,02484 0,00828 0,00414 0,00828 0,2028 10,1540 41,6922 64,4466 78,7896 87,3458 92,4787 95,4756 97,3591 98,4767 99,1307 99,5364 99,7806 99,8800 99,9545 99,9793 99,9876 99,9917 100,0000 99,79717 89,84601 58,30781 35,55344 21,21037 12,65419 7,52132 4,52438 2,64095 1,52330 0,86928 0,46361 0,21939 0,12004 0,04553 0,02070 0,01242 0,00828 0,00000 511 Hình 8.6 Độ cao sóng trung bình theo mô hình PD trận bÃo 29/10/1973: a) lúc 03 giờ; b) lúc 09 512 mô hình WAM Thấy phân bố không gian trờng sóng giống hai mô hình Độ cao lớn gần nh theo hai mô hình Song theo mô hình WAM độ cao lớn xuất lúc 03 giờ, mô hình phổ tham số cho ®é cao lín nhÊt vμo 09 giê §iỊu ®ã nãi nên phát triển sóng theo mô hình WAM diễn nhanh so với mô hình chúng tôi, điều ny l phù hợp với mối phụ thuộc thực nghiệm dùng lm sở mô hình 8.7 Ước lợng cực trị yếu tố sóng gió Ước lợng cực trị độ cao sóng nớc sâu Tính sóng điểm nớc nông đợc thực hai giai đoạn Đó l quy luật phân bố nhiều năm sóng nớc nông thực tế cha đợc nghiên cứu Nếu dạng hm phân bố nhiều năm sóng ứng với số tỉ số độ cao sóng độ sâu địa điểm, tính trớc đợc kÝch th−íc cđa nh÷ng sãng cã thĨ cã ë ngoμi phạm vi thời kỳ quan trắc hay tính toán chuỗi thời gian xuất phát dùng để phân tích phân bố Vì lý đó, dùng mô hình toán tính độ cao v chu kỳ sóng 35 năm nớc sâu v nớc nông, sau dự tính sóng xảy lần 50 v 100 năm địa điểm Hình 8.7 Độ cao sóng trung bình theo mô hình WAM b·o 29/10/1973: a) lóc 03 giê; b) lóc 09 Với mục đích nhận đợc ớc lợng độ cao sóng tin cậy cho bÃo ny đà tính toán không mô hình phổ tham số, m mô hình WAM] Các trờng độ cao sóng trung bình vo thời điểm bÃo mạnh (03 v 09 giờ) biểu diễn hình 8.6 mô hình phổ tham số v hình 8.7 513 Để ớc lợng kích thớc sóng lặp lại lần số năm định, thờng sử dụng ba phơng pháp [45] Hai phơng pháp số áp dụng có chuỗi thời gian quan trắc nhiều năm sóng hay tính toán sóng liên tục nhiều năm theo trờng khí áp Phơng pháp thứ ba đợc dùng chuỗi nhiều năm v thay chuỗi nhiều năm ngời ta tính sóng số tình bÃo hạn chế (nhiều hơn) Trong trờng hợp ny ph¶i chÊp nhËn mét sè 514 gi¶ thiÕt vỊ hμm phân bố số lần bÃo thời gian Chúng ta đà có chuỗi thời gian 35 năm tính sóng, để ớc lợng sóng lần 20, 50 v 100 năm ta dùng hai phơng pháp Phơng pháp thứ quy xác định kích thớc sóng theo tham số luật phân bố logarit tiệm cận có tính đến tất liệu tính toán xuất phát mùa hng hải Phơng pháp thú hai xác định kích thớc sóng theo sóng cực đại hng năm có sử dụng hm phân bố tiệm cận Humbel Cách tiếp cận ny để xác định sóng cực trị dựa kết khảo sát nhiều năm đà thực hiƯn ë n−íc ta vμ ngo¹i qc [32, 45, 140, 183] Xác định kích thớc sóng theo tham số luật phân bố loga tự nhiên thực nh sau Chọn liệu phân bố sóng điểm nớc sâu gần với toạ độ:  70  00 ,   54  00 , nơi độ sâu H 100 m hình 8.8, lới hm loga tự nhiên, dẫn giá trị hm phân bố độ cao sóng trung bình theo số liệu tính toán mô hình mùa hng hải 35 năm từ 1960 đến 1994 tập gồm 24158 giá trị Kết tính toán đợc đánh dấu hình vòng tròn nhỏ Đờng gạch nối tơng ứng với luật phân bố loga tự nhiên víi c¸c tham sè h0,5  0,6 vμ s  1,85 : F (h)  s   2 ~ h  ~ s ~ ~ exp  ln (h )  dh , h  (8.51) ~ h h / h0,5 , h0,5 giá trị trung vị phân bố nhiều năm ln h độ lệch bình phơng trung bình trị số logarit chúng độ cao sóng trung bình hạn synop; s 515 Hình 8.8 Hm phân bố độ cao sóng trung bình điểm 70o VB, 54o KĐ ( H 100 m) mùa hng hải từ tháng đến tháng 11: - theo tính toán thời kỳ 1960-1994; - giá trị độ cao sóng xảy lần 50 năm (5,3 m); - giá trị độ cao sóng trung bình xảy lần 100 năm (5,8 m) Từ hình vẽ thấy số liệu tính toán phù hợp với hm phân bố loga tự nhiên, v điều cho phép sử dụng luật phân bố ny để ớc lợng giá trị lớn độ cao sóng trung bình xảy điểm xét nớc sâu vo hạn synop số năm cụ thể Trên hình vẽ vòng tròn nhỏ với dấu chữ thập biểu thị giá trị độ cao sóng trung bình lớn xảy lần 50 v 100 năm tính theo (8.51) Các độ cao sóng trung bình 5,3 m v 5,8 m 516 Trên hình 8.9 giá trị tính toán độ cao sóng trung bình cho mùa thu (tháng tháng 11) đợc so sánh với kết tổng hợp quan trắc sóng hnh tầu Những vòng tròn nhỏ giá trị hm phân bố độ cao sóng trung bình theo liệu tính toán Đờng gạch nối l phân bố loga tự nhiên víi c¸c tham sè h0,5  0,74 vμ s  1,82 Những tam giác nhỏ giá trị hm phân bố theo số liệu quan trắc mắt ô hình chữ nhật có tâm gần với điểm đà nói Sự phù hợp tốt số liệu tính toán v quan trắc độ cao sóng trung bình lớn m đà khẳng định độ tin cậy tính toán đà thực Còn sóng với độ cao trung bình nhỏ m, nên lu ý độ xác quan trắc mắt với sóng nhỏ thờng không cao Những số liệu dẫn kích thớc sóng lần 50 v 100 năm ứng với thời kỳ tháng tháng 11 Trong số trờng hợp chí vo tháng 12 điều kiện băng không cản trở phát triển sóng vùng xét Tuy nhiên thời kỳ từ 1971 đến 1992 tháng 12 có trờng hợp độ cao sóng trung bình nớc sâu cao m Từ số liệu đà dẫn thấy khoảng 20 năm giá trị lớn h 4,4 m gần với độ cao sóng ghi nhận tháng 10 tháng 11 Bản thân số trờng hợp điều kiện băng thuận lợi cho phát triển sóng lớn vo tháng 12 v không cho phép nhận đợc ớc lợng thống kê tin cậy độ cao sóng xảy lần 50 v 100 năm Trên hình 8.10 dẫn giá trị (bằng vòng tròn nhỏ) hm phân bố giá trị lớn hng năm độ cao sóng trung bình mù hng hải thời kỳ từ 1960 đến 1994 theo chuỗi thời gian số liệu tính toán Đờng gạch nối l phân bố Humbel tiƯm cËn víi c¸c tham sè  n  1,75 vμ  n  2,60 : F (h)  exp[e  y ] , (8.52) ®ã y   n ( x   n ) Tõ h×nh vẽ thấy rõ số liệu tính toán độ cao sóng trung bình lớn số năm riêng biệt phù hợp với phân bố Humbel Những vòng tròn nhỏ với dấu chữ thập hình độ cao lớn xảy lần 50 v 100 năm tính theo quan hệ (8.52) Các độ cao lần lợt bằng: h50 4,8 m, h100 5,2 m Tuy nhiên, đợc biết sóng cực Hình 8.9 Hm phân bố độ cao sóng trung bình điểm 70o VB, 54o KĐ ( H  100 m) mïa hμng h¶i tõ tháng đến tháng 11: - theo tính to¸n thêi kú 1960-1994; - theo sè liƯu quan trắc song hnh tầu 517 trị tính theo phân bố cực đại hng năm thờng khoảng 10% nhỏ so với trờng hợp tính có kể tới tất thnh phần chuỗi, điều ny theo ý kiÕn nhiỊu ng−êi nghiªn 518 cøu [32, 45, 140, 162] l năm riêng biệt no gặp thấy số trờng hợp độ cao sóng thực tế trùng gần với cực đại năm Nh đà thấy qua tơng quan h50 v h100 nhận đợc hai phơng pháp, tính toán số liệu xuất phát, nên tiếp sau ớc lợng độ cao sóng nớc nông dựa tính toán theo luật phân bố loga tự nhiên khẳng định khác biệt hai phơng pháp m nh nghiên cứu khác đà nhận xét Tính độ cao cực trị nớc nông Phân bố sóng điểm nớc nông nhận đợc sở tính toán mô hình trực tiếp thời kỳ 35 năm đà dẫn bảng 8.1 Theo bảng ny đà xác định giá trị độ cao sóng 0,1% suất đảm bảo xảy lần 20 năm (xem bảng 8.2) Nh đà nêu, tính toán đà dùng mô hình phổ tham số nớc nông Tuy nhiên phải nhận xét dùng phân bố ny để ớc lợng độ cao sóng vợt ngoi phạm vi chuỗi 35 năm l sai lầm Việc xây dựng phân bố tiệm cận để ớc lợng độ cao sóng xảy lần 50 v 100 năm l vấn đề ảnh hởng hạn chế độ sâu tới độ cao sóng Hình 8.10 Hm phân bố độ cao sóng trung bình lớn năm điểm 70o VB, 54o KĐ ( H 100 m): - theo sè liƯu tÝnh to¸n theo trờng gió thời kỳ 1960-1994; - giá trị độ cao sóng trung bình xảy lần 50 năm (4,8 m); - giá trị độ cao sóng trung bình xảy lần 100 năm (5,2 m) Vì kết nhận đợc theo phơng pháp thứ hai phơng pháp đà sử dụng đợc đảm bảo 519 Tính tới thực tế rằng, nớc sâu giá trị phân bố chế độ độ cao sóng xếp thẳng lới hm loga tự nhiên, tức chúng đợc xấp xỉ phân bố tiệm cận tơng ứng, I N Đaviđan đà đề xuất thuật toán sau để xác định độ cao sóng cực trị xảy lần 50 v 100 năm vùng nớc nông Vì sóng cực trị vùng nớc nông xét tới từ vùng nớc sâu biển Barens, nên theo số liệu xuất phát độ cao sóng nớc sâu, sử dụng phân bố loga tự nhiên, tính giá trị cực trị chúng Sau theo mô hình phổ tham số biển nông xác định giá trị tơng ứng độ cao sóng trung bình điểm nớc nông đà cho Theo độ cao sóng trung bình xác định độ cao 0,1% suất đảm bảo có tính đến ảnh hởng độ sâu, theo tần số cực đại phổ xác định chu kỳ sóng trung bình v chu kú sãng mμ ®é cao cđa nã cã st đảm bảo 0,1% 520 hạn synop Nh vậy, trờng hợp sóng đợc tính theo phân bố loga tự nhiên, giá trị sóng v gió xuất phát nớc sâu h50 5,3 m, u50  27 m/s vμ h100  5,8 m, u100 28 m/s Bảng 8.2 Các yếu tố sóng xảy lần 20, 50 v 100 năm điểm tính (0,1% suất đảm bảo) Chu kỳ trung bình, s Chu kỳ sóng cực đại, s 20 8,7 8,5 10,1 50 9,5 9,1 10,8 100 9,9 9,5 11,3 Số năm Độ cao sóng, m Theo số liệu xuất phát nhận đợc nớc sâu ny đến giá trị nh sau yÕu tè sãng h0,1% ,  vμ  / h0,1% điểm nớc nông (bảng 8.2) o Hình 8.11 Hm phân bố tốc độ gió trung bình điểm 70 VB, 54o K§ ( H  100 m): - truyền sóng từ hớng tây bắc; - tốc độ gió xảy lần 50 năm (27 m/s); - tốc độ gió xảy lần 100 năm (28 m/s) Tuy nhiên, để tính sóng nớc nông nh cần phải biết không độ cao trung bình chúng nớc sâu, m tốc độ gió quan trắc đợc Phân bố tốc độ gió trung bình trờng hợp m sóng truyền từ hớng nguy hiểm tây bắc mùa hng hải 35 năm từ 1960 đến 1994 đợc biểu diễn hình 8.11 vòng tròn nhỏ Đờng gạch nối xấp xỉ số liệu tính toán phân bố Weibull Những vòng tròn nhỏ với dấu chữ thập biểu diễn giá trị xác suất tốc độ gió xảy lần 50 năm (27 m/s) v 100 năm (28 m/s) 521 Những giới hạn xác suất ớc lợng sóng cực trị Để ớc lợng giới hạn xác suất giá trị độ cao sóng đà tính đợc theo phân bố loga tự nhiên, đà sử dụng biểu thức quan hệ sau lấy từ chuyên khảo [162]: XF uF x u2  F   F  s   n n 1/2 , (8.53) phân vị phân bè chuÈn quy chuÈn; * x F  x F  u xF  xF ;   0,1 §èi víi kho¶ng tin cËy 95% u F  1,65 v nớc nông h100 5,8 ta cã  X F  0,1 , x F  5,8  0,16 , x F / x*  1,028 F Nh− vËy, cã thÓ kÕt luËn r»ng: biến thiên tập mẫu (khi 522 xấp xỉ ®é cao sãng n−íc n«ng theo quy lt loga tù nhiên khoảng tin cậy 95%), giá trị độ cao sóng xảy lần 100 năm dao động giới hạn 9,6 10,2 m nêu khoảng tin cậy nhá nhÊt chØ phơ thc vμo sè thμnh phÇn cđa chuỗi thời gian Ngoi cần bổ sung độ xác tính sóng theo mô hình v xu biến thiên điều kiện tạo sóng 50 v 100 năm m ta cha biết trớc Việc kiểm định mô hình đà thực trớc cho thấy không phát thấy sai số hệ thống dải rộng điều kiện tạo sóng, sai số ngẫu nhiên giá trị độ cao sóng không vợt ngoi giới hạn 0,5 m Kết luận Trong công trình ny đà tiến hnh ớc lợng độ cao sóng cực trị xảy lần 5, 10, 25, 50 v 100 năm mỏ dầu khí Prirazlomnaia biển Pêtrora Để có ớc lợng đà sử dụng cách tiếp cận tổng hợp xuất phát từ phân tích số liệu quan trắc tầu v tính toán theo mô hình số sóng gió Trong công trình lần thực hiƯn tÝnh liªn tơc tr−êng sãng giã thêi kú lịch sử 35 năm Khi ớc lợng giá trị yếu tố sóng cực trị vợt ngoi giới hạn chuỗi 35 năm v xảy lần 50 v 100 năm đà nảy sinh vấn đề thiếu nghiên cứu đầy đủ quy luật phân bố sóng nhiều năm nớc nông Vì lý đó, đà tính ớc lợng cực trị hớng sóng nguy hiểm nớc sâu, sau chuyển đổi sang nớc nông có tính tới biến dạng sóng Cách tiếp cận ny đợc dùng để giải bi toán tơng tự vùng biển ven bờ khác 523 Chơng Mô hình sóng gió tổng quát 9.1 sử dụng mô hình quy mô không gian - thời gian khác mô hình sóng gió tổng quát Trong nhiều bi toán khoa học v thực tế xuất nảy sinh yêu cầu khách quan xác định yếu tố sóng vïng cơc bé nμo ®ã, thËm chÝ ë mét ®iĨm riêng biệt Đơng nhiên muốn phải giải bi toán tổng quát hơn, trờng sóng điểm đợc hình thnh nhờ tác động điều kiện địa phơng v phát triển sóng ton vùng nớc biển Để tính sóng gió theo mô hình toán cần cho thông tin xuất phát độ sâu thủy vực, tốc độ gió v dòng chảy Tuy nhiên muốn có đợc thông tin xuất phát ny khó khăn Thí dụ, trờng tốc độ gió dự báo v chẩn đoán đợc tính toán mô hình đại hon lu khí trung tâm khí tợng thủy văn lớn v luôn có đợc để thực tính toán kỹ thuật Trong giải bi toán khí hậu, phải tính toán trờng gió v sóng trận bÃo xảy khứ, sos liệu hon ton v ngời ta buộc phải dùng đồ synop lm thông tin xuất phát Nảy sinh câu hỏi: lm no xác định tốc độ gió vùng nớc thông tin khí áp mặt đất có số đồ thời tiết riêng lẻ hay chí dới dạng số giá trị đo trạm bao quang vùng biển Rõ rng việc xác định yÕu tè sãng thËm chÝ ë mét vïng côc bé 524 ... cho tích ph©n (8 .1 4), (8 .1 6)? ? ? (8 .1 9) tÝnh tíi sù phơ thc cđa tham sè n q vμo tÇn sè chØ b»ng mét đại lợng bé cỡ Với mục đích tìm giá trị tích phân I D (8 .1 4), (8 .1 5) phỉ (8 .2 2)? ? ? (8 .2 4) ta dïng −íc... thèng    , (8 .2 4) ë ®©y  ( s )  / 2 ? ?( s  1) / ? ?(( 2s  1) / 2) , (s )  hμm Gama Q( s, ? ?)   ( s ) cos 2s Việc đánh giá tham số xấp xỉ hm phân bố góc (8 .2 4) đà phụ thuộc ổn định... Dy  (n q )  nh©n tư quy chuÈn, b»ng ? ?( n q )   (8 .1 1) ph−¬ng tr×nh (8 . 1) (8 . 8)  ;    ;  P k d k d  ; Pj số hạng số hạng có tính tổng nq ( n q ) cos (? ??   ) Q (? ??,  )   0