Luận văn Nghiên cứu động lực học của sóng sau đới sóng đổ tại bãi biển Nha Trang

sóng tràn chính bao gồm bore nước sụp đổ đi lên và đi xuống bãi biển. Do tiêu tán một phần lớn năng lượng sóng nên các bãi biển khuếch tán thường được gọi là bãi biển có năng lượng cao. - Bãi biển trung gian: Những bãi biển có sự kết hợp các đặc điểm của hai hình thái bãi biển phản xạ và khuếch tán, có thể được xem như là bãi biển bán khuếch tán (hoặc bán phản xạ). 11 Hình 1. 8. Hình thái bãi biển. b, Sự thống trị của sóng tần số cao và thấp Một số thí nghiệm đã được tiến hành để nghiên cứu sự khác biệt các quá trình trong vùng sóng tràn cho một bãi biển khuyếch tán và phản xạ [ví dụ: Masselink & Russell, 2006; Miles et al., 2006]. Trên bãi biển phản xạ các sóng tần số thấp được phản xạ, còn sóng tần số cao hơn bị vỡ khá đột ngột (lao dốc hoặc bị sụp đổ), làm cho các sóng tần số cao hơn chiếm ưu thế hơn trong vùng sóng tràn. Trên bãi biển khuếch tán, do độ dốc bãi biển tương đối thoai thoải nên tăng cường phát triển sóng tần số thấp hơn. Do hiện tượng tiêu tán của sóng tần số thấp và sóng tần số cao, nên bãi biển khuếch tán chi phối đến chuyển động của sóng tần số thấp [Wright & Short, 1984; Short, 1999]. 1.2. Tình hình nghiên cứu a, Trên thế giới + Sự hiểu biết về hoạt động sóng tràn Cơ chế sóng tràn chịu ảnh hưởng bởi các đặc điểm của khu vực nghiên cứu (độ dốc bãi biển, phân bố kích thước hạt, chế độ sóng) (Masselink và Puleo, 2006). + Đo đạc trong vùng sóng tràn 12 Bởi vì vùng sóng tràn không ổn định, năng lượng rối lớn, thủy triều chi phối, dòng chảy hẹp, rất khó khăn để có được các dữ liệu chính xác trong vùng sóng tràn. Các nghiên cứu trước đã tiến hành bằng cách sử dụng thiết bị đo dòng chảy tần số cao (ADV) và cảm biến quang tán xạ ngược (Hugues et al. 1997; Hughes and Turner, 1999; Puleo et al. 2000; Baldock, 2004; Masselink et al. 2005). Gần đây, các kỹ thuật mới (ADV, Video) đã được thử nghiệm thành công (Vousdoukas et al, 2014; Lefebvre et al. 2014). + Vận chuyển trầm tích Nghiên cứu sự ảnh hưởng của dòng chảy trong vùng sóng tràn đến quá trình vận chuyển bùn cát ven bờ (Horn and Mason, 1994; Puleo et al. 2000; Pritchard and Hogg, 2005; Barnes et al. 2009); Steenhauer et al. 2012; Shanehsazzedeh and Holmes, 2013; Liu 2013). + Mô phỏng tại các phòng thí nghiệm Để tránh các khó khăn của điều kiện tự nhiên, quá trình sóng tràn đã được nghiên cứu trong điều kiện kiểm soát ở trong phòng thí nghiệm (Erikson et al. 2005; Lobovsky et al. 2013; Kikkert et al. 2013). + Mô hình Nghiên cứu mô phỏng quá trình lan truyền sóng trong đới sóng tràn bằng mô hình mô phỏng sự sụp đổ của một bore nước tương tự như một cơ chế vỡ đập (Holland and Puleo, 2001; Puleo et al. 2002; Hugues and Baldock, 2004; Brocchini and Baldock, 2008) và đã khẳng định khả năng ứng dụng của dạng mô hình này khi mô phỏng trường dòng chảy trên bãi biển. b, Trong nước: Rất ít các điều tra đã thực hiện về chủ đề này ở Việt Nam. Nguyễn Thế Duy cùng cộng sự (2002) đã mô hình hóa dòng chảy được tạo ra bởi một sóng vỡ và mở rộng cho dòng chảy cả vùng sóng vỡ và sóng tràn trong máng sóng. 13 1.3. Mục tiêu luận văn Từ việc xử lý và phân tích số liệu khảo sát trong hai đợt khảo sát tháng 5 và 12 năm 2013 tại bãi biển Nha Trang, tác giả sẽ đưa ra được bức tranh trường dòng chảy và phân bố năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn trên bãi biển Nha Trang. Trong quá trình xử lý và phân tích số liệu sóng của máy AWAC tại vị trí có độ sâu 10 m và dữ liệu ảnh của camera để tìm ra mối liên hệ giữa độ cao sóng ngoài khơi với chiều cao của bore nước trong vùng sóng tràn. Song song với quá trình xử lý và phân tích số liệu khảo sát còn kết hợp với phát triển, ứng dụng và kiểm chứng mô hình vỡ đập (dambreak model) cho mô phỏng hiện tượng lan truyền sóng sau đới sóng đổ. 14 Chương 2 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÙNG SÓNG VỠ VÀ SÓNG TRÀN 2.1. Phương pháp xử lý và phân tích số liệu khảo sát 2.1.1. Khảo sát thực địa Trong hai đợt khảo sát tại bãi biển Nha Trang theo đề tài “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển Vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” – Chương trình KH&CN nghị định thư cấp Nhà nước do tác giả của luận văn này đã tiến hành đo dòng chảy trong vùng sóng tràn bằng máy Vectrino II trong tháng 5 và tháng 12 của năm 2013. Vì vùng sóng tràn thay đổi theo dao động của mực nước thủy triều nên khi tác giả tiến hành đo dòng chảy trong vùng sóng tràn bằng máy Vectrino II cũng phải dịch chuyển vị trí đặt máy theo dao động của mực nước thủy triều. Do đó phải chọn vị trí đặt máy Vectrino II trong vùng sóng vỡ và sóng tràn sao cho đầu sensor ngập trong nước nhiều nhất. Khoảng cách từ đầu sensor tới đáy phải lớn hơn 8 cm, khoảng đo cách đầu sensor 4 cm và đo trong khoảng 3,5 cm với 35 cell, khoảng cách mỗi cell là 1mm, tần số đo là 0,015 s (hình 2.1). Các số liệu đo đạc của máy Vectrino được hỗ trợ bởi một trạm đo sóng ngoài khơi bằng máy AWAC tại độ sâu 10 m. Hình 2. 1. Triển khai đo Vectrino II (Nortek) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và sơ đồ nguyên tắc đo. 15 2.1.2. Phương pháp xử lý số liệu Vectrino Từ chuỗi số liệu đo đạc tác giả đã tiến hành xử lý bằng một chương trình Matlab. Để một chương trình đọc dữ liệu một cách tốt thì tác giả đã xây dựng sơ đồ dữ liệu: a, Chuyển đổi dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab Dữ liệu thô là các số, ký tự được mã hóa bởi chương trình của máy Vectrino. Để chuyển đổi dạng dữ liệu thô sang định dạng thích hợp của chương trình Matlab đọc được thì trong phần mềm Nortek Vectrino II, có tool Export Matlab để xuất số liệu sang dạng *.mat. Nhưng để số liệu xuất ra đúng theo thời gian thực đo thì cần kết hợp giữa file configuration tương ứng với dữ liệu cần xuất. b, Đọc thời gian trong file *.mat Trong file số liệu có chứa thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc đo. Để thuận tiện cho việc xử lý và phân tích số liệu sau này, thì tác giả đã thay đổi tên file thành: Vectrino dd-mm-yyyy start time_end time.mat. c, Trích xuất một đoạn số liệu từ một chuỗi số liệu đo đạc Trong quá trình đo máy Vectrino thì tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam là một điều kiện tiên quyết cho bất kỳ phép đo và chúng ta cần SNR Beam tốt để đảm bảo có đủ tán xạ trong nước và công suất phát là đủ cao để tạo ra một phản xạ mạnh. Trong điều kiện đo đạc phức tạp tại bãi biển vì vậy dữ liệu đo về cần phải có quá trình xử lý loại bỏ các đoạn số liệu bị nhiễu, số liệu chất lượng kém do SNR Beam thấp hơn 20db. Nha Trang Vectrino Processed NT1 NT2 Vectrino Raw nts day 1 day 2 16 Tiến hành xử lý và phân tích số liệu bằng việc phân tích các chuỗi số liệu SNR Beam. Tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam) (hình 2. 2) biểu diễn cho các cực đoan cục bộ. Các chấm đen trong hình thể hiện đầu sensor của máy Vectrino nổi lên khỏi mặt nước. Hình 2. 2. Biểu đồ tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam cao và thấp trong quá trình đo. Để có số liệu dòng chảy tốt thì tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam phải tốt. Để loại bỏ các đoạn số liệu bị nhiễu và chọn ra các đoạn số liệu tốt thì ta click vào hai điểm để chọn một chuỗi. Việc lựa chọn xuất hiện trong đoạn màu đỏ trên biểu đồ. Hình 2. 3. Lựa chọn một đoạn dữ liệu (đoạn màu đỏ) trong chuỗi dữ liệu. 17 Khi đã chọn được đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam thì chúng ta tiến hành phân tích số liệu dòng chảy tương ứng với đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam mà ta đã chọn và được thể hiện trên hai hình dưới đây: Hình 2. 4. Độ lớn vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) trung bình trên 1 micro-profile (đồ thị trên cùng), biểu diễn dao động của vận tốc (đồ thị giữa), khoảng cách sensor – đáy (đồ thị phía dưới). Năng lượng rối theo từng cell và theo thời gian được ước tính: 18 Hình 2. 5. Năng lượng rối TKE ước tính trong micro-profile. Dựa vào đồ thị khoảng cách sensor – đáy cho ta thấy tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR Beam tốt thì chưa chắc số liệu dòng chảy đã tốt. Vì theo nguyên tắc đo của máy Vectrino (hình 2. 1), để có số liệu dòng chảy tốt thì đầu sensor phải ngập trong nước và khoảng cách từ sensor – đáy phải lớn hơn hoặc bằng 7,5 cm. Từ đó, cần phải kết hợp với số liệu của máy quay để loại bỏ các đoạn số liệu khi đầu đo nổi trên không khí. 2.1.3. Phương pháp đồng bộ số liệu Vectrino và số liệu Video Do sự thay đổi của độ cao mực nước thủy triều, nên khi tiến hành đo máy Vectrino trong vùng sóng vỡ và sóng tràn và do đó số liệu ghi lại sẽ bị sai khi đầu đo đã nổi lên khỏi mặt nước. Các dữ liệu có được khi đầu đo Vectrino đã nằm trong vùng sóng tràn sẽ được lựa chọn từ sự đồng bộ hóa giữa các đoạn video và số liệu Vectrino theo thời gian thực. 19 Hình 2. 6. Đo đồng bộ máy Vectrino và máy quay Video. Dữ liệu tương ứng để mức nước cao hơn đầu sensor (tức là độ sâu lớn hơn 7,5 cm dưới các cảm biến) được phát hiện bằng cách xử lý các tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam). Bộ dữ liệu có tín hiệu/tỷ lệ nhiễu (SNR Beam) cao nhất và đầu sensor nằm trong nước được vẽ bằng màu xanh lá cây (hình 2. 7). Hình 2. 7. SNR (màu đen), dữ liệu được lựa chọn trước (màu xanh) và cực tiểu của SNR (màu đỏ). 20 Từ đó chúng ta chọn những đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR màu xanh đã loại bỏ số liệu bị nhiễu do đầu sensor nằm trên không khí hoặc khoảng cách giữa đầu sensor tới đáy nhỏ hơn 7,5 cm. Tiến hành chọn đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR màu xanh tốt (đoạn dữ liệu màu đỏ trong hình 2. 8). Hình 2. 8. Lựa chọn một đoạn dữ liệu tốt (màu đỏ) trong một chuỗi dữ liệu. Khi đã chọn được đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR tốt thì chúng ta tiến hành phân tích số liệu dòng chảy, năng lượng rối tke tương ứng với đoạn tín hiệu/tỷ lệ nhiễu SNR mà ta đã chọn và được thể hiện trên hai hình 2.9 và 2.10. Điều kiện dòng chảy tương ứng với đoạn dữ liệu được lựa chọn (màu đỏ) trong vùng sóng vỡ và sóng tràn được trình bày trên hình 2.9. 21 Hình 2. 9. Đồ thị 1: Vận tốc (màu xanh dương) và hướng (màu xanh lá cây) của dòng chảy; đồ thị 2: Thành phần ngang của dòng chảy (hướng lên trên bờ); đồ thị 3: độ sâu đo được từ các cảm biến (đường màu đỏ tương ứng với vị trí của các cell đo được); đồ thị 4: Năng lượng rối trung bình các cell đo được. Năng lượng rối (TKE) bên trong các cell đo được hiển thị trên hình 2.10 dưới đây. 22 Hình 2. 10. Năng lượng rối (TKE) trong 3,5 cm micro-profile. 2.2. Mô hình Dam-Break 2.2.1. Lý do chọn mô hình Dam-break - Vì quá trình lan truyền nước trong vùng sóng tràn là sự sụp đổ của bore nước tương tự như quá trình vỡ đập. - Kiểm chứng mô hình xem mô hình có thực sự mô phỏng được quá trình lan truyền sóng trong vùng sóng tràn không. 2.2.2. Giới thiệu mô hình Dam-break Mô hình thủy lực tính toán bằng việc sử dụng các mô hình toán học để hiểu khái niệm cơ chế chuyển động của nước trong không gian và thời gian. Phương trình sai phân hữu hạn (PDE - Partial Differential Equation) sử dụng cho các mô hình mô phỏng dòng chảy bề mặt tự do dựa trên quy luật bảo tồn khối lượng và động lượng. a, Các phương pháp số: Ba loại phương pháp số sẽ được sử dụng để giải quyết vấn đề của phương trình sai phân hữu hạn: 1- Phương pháp sai phân hữu hạn. 2- Phương pháp phần tử hữu hạn. 23 3- Phương pháp thể tích hữu hạn. Phương pháp sai phân hữu hạn là một phương pháp đại số dựa trên các khai triển của Taylor, đó là một phương pháp xấp xỉ các nghiệm bằng cách giải phương trình sai phân hữu hạn. Để giải quyết vấn đề này, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể tích hữu hạn có thể là giải pháp. Phương pháp phần tử hữu hạn có nguồn gốc từ lĩnh vực phân tích kết cấu, nó sau đó đã được áp dụng cho cơ chất lỏng, phương pháp phần tử hữu hạn là phức tạp hơn so với phương pháp sai phân hữu hạn tuy nhiên nó cung cấp kỹ thuật đa năng cho các vấn đề phức tạp với hình học. Phương pháp phần tử hữu hạn xem xét các nghiệm có phù hợp với liên kết các số hữu hạn của các yếu tố phân tử và các phương trình sai phân hữu hạn được biến đổi đến phương trình đồng thời tuyến tính hoặc không tuyến tính. Các vấn đề liên tục được đơn giản hóa bằng cách làm giảm đi miền tính thành các phần tử nhỏ như vậy đại lượng vô hạn không biết sẽ bị biến thành đại lượng hữu hạn không biết tại một nút nào đó. Phương pháp thể tích hữu hạn là một phiên bản tinh tế của phương pháp sai phân hưu hạn vì nó cung cấp một tính chất bảo tồn tuyệt vời và giải thích vật lý rõ ràng. Các miền tính được chia ra thành một tập hợp các thể tích kiểm soát. Phương pháp thể tích hữu hạn là phương pháp xác định nghiệm trong một cell do sự trao đổi (thông qua các luồng) tại bề mặt với tất cả các cell lân cận. b, Phương pháp thể tích hữu hạn Godunov: Chương trình Godunov là một phương pháp phân tích thể tích hữu hạn giải bài toán Riemann. Bài toán Riemann sử dụng các giá trị mặt của các biến dòng chảy ở hai bên của bề mặt (trạng thái Riemann). 24 Chương trình Godunov có thể tính toán sự trao đổi giữa các dòng chảy ngay cả khi các nghiệm là không liên tục. Chương trình này cũng có thể mô phỏng các hiện tượng phức tạp của nước nông với các loại khác nhau của các tình huống (siêu tới hạn, dưới tới hạn, bề mặt khô ướt). 2.2.3. Mô hình dòng chảy nước nông a, Phương trình nước nông 1D Các phương trình nước nông hay còn gọi là phương trình Saint Venant là một loại của phương trình phi tuyến hyperbolic. Nó có nguồn gốc từ tích hợp phương trình Navier - Stokes trong đó quy mô chiều dài ngang lớn hơn chiều sâu chất lỏng. Đối với điều này, nó được giả định rằng vận tốc thẳng đứng của nước là cực kỳ nhỏ. Dạng ma trận của phương trình nước nông 1-D là:             q US x F t U            )2( 2 1 2 bzguq q F              x z g S b 0 (2.1) Trong đó: t: thời gian, U: vector chứa các dòng chảy được bảo toàn; x: tọa độ Decartes; F: vector thông lượng trong x-hướng; S: vector nguồn; η và zb là độ cao bề mặt nước, độ cao đáy so với mốc; h = η - zb; q = uh: lưu lượng đơn vị chiều rộng; g: gia tốc do trọng lực; u: vận tốc trung bình theo độ sâu; 𝜕𝑧𝑏 / 𝜕𝑥: độ dốc đáy b, Phương pháp thể tích hữu hạn Sự tích hợp của phương trình nước nông 1-D theo thời gian và thể tích kiểm soát là: 25               tt t CV tt t CV tt t CV i ii dVdtSdVdt x F dVdt t U           tt t CV tt t tt t CV i S i i dVdtSdSdtFdVdt t U           tt t CV tt t tt t CV iiwie i dVdtSdtAFAFdVdt t U )( (2.2) trong đó: Δx và Δt là độ dài của các cell và bước thời gian, n là mức thời gian, Fiw và Fie là vectơ thông lượng qua các bề mặt trái và phải như thể hiện trong hình 2. 11. Hình 2. 11. Sơ đồ vecto thông lượng qua các bề mặt. c, Chương trình bậc hai Chương trình bậc hai chính xác được xây dựng với sự kết hợp của độ dốc giới hạn và tích phân thời gian Runge-Kutta để có được độ chính xác bậc hai trong thời gian, kết quả là: iiwie n i n i tSFF x t UU     )(1 ))()(( 2 1 *1 UKUKtUU i n i n i n i   (2.3) )(* ni n i UtKUU  (2.4) trong đó: 𝑲𝒊 = -𝑭𝒊𝒆-𝑭𝒊𝒘 / Δ𝒙 + 𝑺𝒊; là hệ số Runge Kutta 𝑼* là biến lưu lượng trung gian. iiwie n i n i tSFF x t UU     )(1 26 d, Giải pháp Harten-Lax-Van Leer Riemann Chương trình Godunov mô tả các vấn đề Riemann, giải pháp Harten-Lax-Van Leer Riemann sau đó được sử dụng để giải quyết cho các thông lượng bề mặt. Xấp xỉ cho các cell thông lượng đạt được trực tiếp vì nó chỉ gồm ba trạng thái liên tục cách nhau bằng hai sóng (Toro, 2009). Các thông lượng Harten-Lax-Van Leer tương ứng cho phương pháp Godunov được cho bởi: R RL L R LR LRRLRLLR L i Sif SifS Sif F FF UUSSFSFS F F              0 0 0 )( 2 1 (2.5) với             )2( 2 1 2 2 bfLL L L L L zg h q q F  ;             )2( 2 1 2 2 bfRR R R R R zg h q q F  (2.6) và SL và SR là tốc độ sóng bên trái và bên phải ngay trong một cấu trúc giải pháp Riemann: ** ** ,max( ,min( ghughuS ghughuS RRR LLL   với bRRR bLLL zh zh     RRR LLL hqxu hqxu / /   và 2 * * )( 4 1 )( 2 11 )( 2 1         RLRL RLRL uughgh g h ghghuuu (2.7) e, Điều kiện độ dốc đáy Bên cạnh những tính toán thông lượng, các điều kiện nguồn gốc khác không sử dụng cho các phương trình động lực cũng cần được xác định đúng. Cách đơn giản nhất để đánh giá chúng, là sử dụng sai số trung tâm: 𝑧𝑏 𝑖𝑒 = (𝑧𝑏 𝑖+1 + 𝑧𝑏 𝑖) /2; 𝑧𝑏 𝑖𝑤 = (𝑧𝑏 𝑖−1 + 𝑧𝑏 𝑖)/ 2 (2.8) 27 Dưới dạng ma trận: (2.9) f, Phương pháp sơ đồ sai phân trung tâm ngược đơn điệu cho các định luật bảo toàn (Monotone Upstream-centered Schemes for Conservation Laws) và giới hạn độ dốc Sơ đồ sai phân trung tâm ngược đơn điệu cho các định luật bảo toàn được giới thiệu trong sử dụng bậc hai chính xác trong không gian. Các giá trị bề mặt của các biến dòng chảy được tính toán bằng cách xây dựng lại tuyến tính để xác định trạng thái Riemann. Điều này được thực hiện từ các dữ liệu lưu lượng có tại cell trung tâm (xem hình 2. 12). Ngoại suy tuyến tính được cho bởi: ii L e U x UU ˆ 2    ; ii R w U x UU ˆ 2    (2.10) trong đó: 𝑈𝑒𝐿 và 𝑈𝑤𝑅 là những giá trị bề mặt ở phía bên trái của bề mặt đông và bên phải của bề mặt tây, tương ứng; ∇Û𝑖 là vector gradient. Hình 2. 12. Ngoại suy tuyến tính bên trái và bên phải. Các giới hạn độ dốc được sử dụng để ngăn chặn sự dao động số gần gradients dốc và chảy không liên tục. Nó cũng đảm bảo, tổng số biến thể giảm bớt "(TVD) tính chất (Toro, 2009). Độ dốc giới hạn minmod được sử dụng và được cho bởi:             x UU x UU U iiiii 11 ,modminˆ với       0 ),max( ),min( ),mod(min yx yx yx otherwise yifx yifx 0, 0,   (2.11)             x zz g S biwbie i i  0 28 g, Bước thời gian và điều kiện biên Điều kiện Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) là một điều kiện cần thiết cho sự hội tụ của nghiệm bài toán của phương trình sai phân hữu hạn, để có được sự ổn định cho sơ đồ rõ ràng này điều kiện CFL được áp dụng.Ý tưởng chính là để có các bước thời gian nhỏ hơn thời gian cho dòng chảy rối di chuyển đến các điểm lưới tiếp theo. Nó được biểu diễn bởi: (2.12) trong đó: C là số Courant và C= 0,75. h, Lưới Đề các và phi Đề các Lưới Đề các là lưới mà có các điểm lưới tuân theo các mặt phẳng x, y và z xem hình 2. 13. Lưới không bị giới hạn hình chữ nhật nhưng mỗi thành phần của lưới phải thực hiện theo một trong các mặt Đề các. Hình 2. 13. Lưới Đề các. Lưới phi Đề các là loại có các điểm lưới không tuân theo các mặt xyz. Hình 2. 14 là một đại diện của một lưới phi Đề các nhưng lưới phi Đề các là không giới hạn chỉ là hình dạng này.            ii i ghu x Ct minmin 29 Hình 2. 14. Lưới phi Đề các. 2.3. Tổng quan khu vực vịnh Nha Trang 2.3.1. Vị trí địa lí Vịnh Nha Trang nằm phía đông thành phố Nha Trang, thuộc tỉnh Khánh Hòa, giới hạn phía bắc là mũi Kê Gà, phía nam là mũi Đông Ba. Với diện tích khoảng 500 km2, vịnh Nha Trang được che chắn bởi 19 đảo lớn nhỏ, đảo lớn nhất là đảo Hòn Tre rộng khoảng 36 km2. Các đảo này làm cho vịnh Nha Trang vừa có những nét đẹp riêng vừa có những đặc trưng thủy động lực phức tạp. 2.3.2. Đặc điểm gió Gió khu vực vịnh Nha Trang mang đặc trưng của đặc điểm gió ven bờ Khánh Hòa, là chế độ gió mùa nhiệt đới (Đông bắc, Tây nam) và gió đất – biển. Mặt khác, do địa hình đặc trưng của vùng ven biển, gió ở đây còn mang những đặc trưng của gió địa phương (gió Tu Bông). Sự tác động của hai hệ thống gió mùa và gió đất – biển đã tạo nên những đặc điểm khác biệt trong biến động ngày đêm của gió trong khu vực. Vào mùa hè, gió thổi từ đất liền ra biển với tốc độ tương đối nhỏ nhưng vào buổi tối, gió thổi từ biển vào bờ với tốc độ tương đối lớn. 30 Hình 2. 15. Hoa gió tại trạm quan trắc khí tượng Nha Trang. Vào các buổi chiều, từ tháng XI đến tháng I, gió thổi chủ yếu từ hướng Bắc, từ tháng II đến tháng III gió có hướng Đông – Đông bắc nhưng từ tháng tháng IV đến tháng X gió lại có hướng Đông – Đông nam. 2.3.3. Đặc điểm dòng chảy Dòng chảy vịnh Nha Trang chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi ba yếu tố chính: Hệ thống gió mùa và gió địa phương, địa hình khu vực vịnh, quá trình truyền triều từ biển vào. Nhìn chung, trong mùa gió đông bắc, hướng dòng chảy lớp bề mặt phần lớn chảy theo hướng Nam – Tây nam, lệch góc so với hướng gió không quá 45°. Dọc theo dải sát bờ và eo biển phía nam dòng chảy bị ép theo hướng dọc bờ. Vào thời kỳ gió mùa Tây nam, dòng chảy tầng mặt thường có hướng Bắc – Đông bắc. Các phân tích, thống kê từ các số liệu thực đo cho thấy rằng: Tốc độ dòng cực đại ghi nhận được có thể lên đến 50 cm/s. Trong đó, thành phần dòng không triều (chủ yếu là dòng gió kết hợp dòng quán tính) có thể đạt 25 cm/s. Khi chưa có gió mùa Đông bắc tác động mạnh, tốc độ trung bình là 20,7 cm/s và đạt khoảng 30,3 cm/s vào giữa thời kỳ gió mùa mạnh. Các giá trị cực đại, cực tiểu tương ứng với thời kỳ gió mùa và thời kỳ gió mùa mạnh là 37,7 cm/s và 44,0 cm/s; 1,0 cm/s và 17,0 cm/s. 31 Với đặc điểm độ sâu trung bình trên toàn vịnh tương đối lớn, có hiện tượng cường hóa dòng chảy theo độ sâu, tốc độ dòng ở lớp nước sâu thường lớn hơn gấp hai đến ba lần tốc độ dòng chảy trên mặt. Hướng vector dòng xoay theo độ sâu cũng là một hiện tượng phổ biến ở khu vực này. 2.3.4. Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước Thủy triều trong khu vực biển Khánh Hòa mang tính chất nhật triều không đều. Các kết quả nghiên cứu và tính toán từ số liệu mực nước tại trạm Cầu Đá Nha Trang cho thấy rằng, giá trị của chỉ số Vaderstok là 2,6. Kết quả thống kê cùng chỉ ra rằng: mực nước cao nhất là 235 cm, mực nước thấp nhất là 4 cm, mực nước trung bình là 124 cm. Độ lớn thủy triều lớn nhất trong năm là 222 cm, trung bình là 212 cm. 2.3.5. Đặc điểm chế độ sóng Số liệu quan trắc sóng ở vùng biển Việt Nam nói chung và khu vực biển Khánh Hòa nói riêng rất hạn chế. Các trạm quan trắc hầu hết sử dụng máy ngắm sóng bằng mắt thường đo vào ban ngày trong các giờ quan trắc: 7h, 11h, 19h và không thể đo về đêm, ngoài ra chỉ quan trắc độ cao và hướng sóng, chu kỳ sóng không được biết. Sử dụng số liệu sóng tái phân tích trích từ mô hình sóng biển Đông WaveWatch-III từ năm 1988-2012 tại vùng biển Khánh Hòa cho thấy khu vực nghiên cứu có chế độ sóng phân hóa tương đối rõ rệt theo mùa với các hướng chính: Đông Đông Bắc và Đông Đông Nam. Hướng sóng chủ đạo của khu vực nghiên cứu là Đông Đông Bắc – ENE (chiếm 38%), thời kỳ thịnh hành là các tháng X-XII; I-IV. Tần suất xuất hiện các đợt sóng cao tập trung chủ yếu trong giai đoạn này; độ cao sóng trung bình ngoài khơi khoảng 2,5 m, lớn nhất đạt 5,75 m. Từ tháng V-IX, hướng sóng thịnh hành là Nam Đông Nam (SSE), chiếm 18%); trong thời gian này độ cao sóng dao động từ 0 - 1,5 m (hình 2. 16) (xem Bảng 2.1 và 2.2). 32 Hình 2. 16. Hoa sóng khu vực ngoài khơi vùng biển Khánh Hòa. Bảng 2. 1. Bảng tần suất hướng sóng khu vực nghiên cứu Hướng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Tổng N 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,32 0,33 0,32 0,33 1,28 NNE 0,05 0,03 0,07 0,11 0,11 0,00 0,00 0,00 0,07 0,09 0,05 0,01 0,60 NE 1,63 1,39 0,86 0,53 0,29 0,04 0,00 0,04 0,73 1,91 1,79 1,68 10,90 ENE 6,27 4,88 4,49 3,09 1,27 0,25 0,06 0,13 1,28 4,94 5,50 6,17 38,32 E 0,52 1,31 2,28 2,10 1,48 0,43 0,20 0,28 0,69 0,67 0,51 0,29 10,77 ESE 0,02 0,11 0,57 1,04 1,02 0,42 0,38 0,39 0,87 0,25 0,05 0,00 5,13 SE 0,00 0,03 0,16 0,76 1,10 0,73 0,82 0,83 0,73 0,16 0,00 0,00 5,31 SSE 0,00 0,00 0,05 0,52 2,04 3,63 4,41 4,92 2,59 0,13 0,00 0,00 18,29 S 0,00 0,00 0,00 0,08 1,14 2,65 2,56 1,88 0,93 0,01 0,00 0,00 9,26 SSW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,01 0,02 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,05 SW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,02 0,02 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,07 WSW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 W 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 WNW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 NW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 NNW 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Tính toán theo số liệu sóng từ WaveWatch III 33 Bảng 2. 2. Bảng tần suất độ cao sóng khu vực nghiên cứu Cấp sóng (m) I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Tổng năm <0,25 0,03 0,01 0,00 0,14 0,19 0,20 0,28 0,26 0,51 0,41 0,32 0,33 2,67 0,25-0,5 0,05 0,33 1,17 2,30 2,91 1,58 2,10 1,76 2,21 0,78 0,14 0,01 15,32 0,5-1,5 3,44 4,42 5,61 5,52 5,28 6,42 6,10 6,42 5,38 5,35 2,97 2,02 58,93 1,5-2,5 3,65 2,35 1,48 0,24 0,09 0,01 0,01 0,04 0,12 1,71 3,43 4,13 17,27