Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

TỔNG QUAN VỀ CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC SÓNG
TRÊN CÁC ĐẢO NỔI NGOÀI KHƠI
Phạm Lan Anh
Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Đảo nổi thường là thềm san hơ liền trước
bờ biển có địa hình đặc trưng bởi một sàn
tương đối bằng phẳng, rộng vài trăm mét,
nước nông chuyển tiếp đột ngột sang một
vùng nước sâu, địa hình dốc. Q trình lan
truyền sóng trên đảo cũng chịu sự biến đổi
mạnh mẽ do q trình sóng vỡ, sóng phản xạ,
các tương tác sóng-sóng phi tuyến, ma sát
đáy, nước dâng trên thềm hay sóng leo… Dù
hầu hết năng lượng sóng đã bị tiêu hao khi
sóng vỡ trên mặt trước ngoài vành đảo,
những thiệt hại nặng nề đã được ghi nhận ở
những cơng trình bảo vệ bờ đảo như các đê
chắn sóng, khối phủ, các cơng trình quốc
phịng và an ninh hay ngập lụt bờ biển ảnh
hưởng tới dân sinh và hệ sinh thái. Tuy hiện
nay đã có một số nghiên cứu hiện trường và
thực nghiệm nhưng vẫn còn rải rác phân tán
về q trình lan truyền sóng cũng như ảnh
hưởng của nó lên các cơng trình bảo vệ bờ.

nơng. Cịn trên đảo nổi, do có mái dốc với độ

dốc lớn ngồi vành đảo (1:10 đến 1:5) nên
sóng vỡ ngay trên mái dốc. Sóng IG chủ yếu
hình thành quanh vùng bao ngồi sóng vỡ.
Cơ chế chiếm ưu thế sinh ra sóng ngoại trọng
lực là do ứng suất phát xạ (radiation stress)
cưỡng bức sinh ra trong vùng sóng vỡ (nghĩa
là cơ chế điểm vỡ biến thiên theo thời gian)
tạo ra dải năng lượng trong phạm vi tần số
thấp của sóng ngoại trọng lực [Baldock,
2012]. Vị trí xuất hiện sóng ngoại trọng lực
IG xung quanh từ mái dốc vành đảo, đỉnh của
rìa san hơ và một phần trên thềm (vùng sóng
vỡ đóng khung). Dù là cơ chế nào thì sóng IG
cũng sẽ tiếp tục truyền đi như một con sóng
tự do về hai phía: 1 loại IG hướng biển và 1
loại IG hướng bờ. Các phân tích phổ của cao
độ mặt nước trên mặt dốc vành đảo và trên
thềm chỉ ra sự thay đổi đáng kể về phổ năng
lượng sóng hướng bờ t im v.
Nhóm sóng tới

Sóng IG
sinh ra do cơ chế
điểm vỡ hớng biển

Vùng
sóng vỡ

Sóng IG
sinh ra do cơ chế

điểm vỡ hớng bờ

Sóng IG
phản xạ hớng biển

Sóng IG hớng bờ

2. S HÌNH THÀNH SĨNG NGOẠI TRỌNG
LỰC

Sóng ngoại trọng lực (IG) cịn có những tên
gọi khác như sóng mạch đập hay sóng dài ràng
buộc, sóng tần số thấp… lần đầu được phát
hiện từ cuối những năm 1940; chu kỳ trong
khoảng 20s đến 300s (0.003Hz đến 0.05Hz).
Có hai cơ chế hình thành sóng ngoại trọng
lực: Một là do sự lệch pha giữa các con sóng
trong nhóm sóng, cho phép năng lượng
truyền từ tần số cao sang tần số thấp hình
thành sóng ràng buộc. Cơ chế ngày xảy ra
trên những địa hình độ dốc b thoi, nc

Phản xạ
Súng IG sinh ra từ nhóm sóng tới

sinh ra do bị bẫy
Phản xạ

Phản xạ
Đỉnh rìa


Hỡnh 1. Quỏ trình hình thành, lan truyền,
phản xạ và tương tác
của sóng ngoại trọng lực [2]
3. PHẢN XẠ, BIẾN ĐỔI VÀ TƯƠNG TÁC
TRÊN THỀM

Chuyển động của sóng trên thềm nhìn
chung bao gồm cả thành phần lan truyền
hướng bờ (đi vào) và thành phần hướng biển
(đi ra).

768


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

3.1. Phản xạ
Sóng IG có thể phản xạ tại cả bờ và phản
xạ tại mái dốc vành đảo sát đỉnh thềm do địa
hình đặc biệt của đảo. Sự phản xạ được mơ tả
trong Hình 1 [2]. Nếu tiêu hao do sóng vỡ và
ma sát đáy nhỏ, sóng đến sẽ phản xạ tại bờ tạo
thành sóng phản xạ hướng biển. Sóng IG
hướng biển lại có thể sẽ bị phản xạ ngược lại
tại mái dốc vành đảo khi chúng truyền ra
ngoài thềm đảo do sự thay đổi rất nhanh của
vận tốc sóng xảy ra trên mái dốc vành đảo (từ
1:10 tới 1:5). Chính hình dạng thay đổi đột
ngột từ gần như phẳng sang dốc, từ nông sang

sâu đã bẫy lại những con sóng tần số thấp.
3.2. Hình thành sóng đứng và cộng hưởng

ηf=0.014H

Để hình thành những con sóng đứng thì tiêu
năng của sóng cần phải nhỏ và phản xạ tại bờ
lại mạnh. Từ Hình 1 có thể thấy sóng hướng bờ
tương tác với sóng phản xạ từ đường bờ
(hướng biển) có thể tạo thành sóng đứng trên
thềm. Sự lệch pha giữa sóng tới và sóng phản
xạ xảy ra khi =00 (vị trí của nodes cho thế
năng nhỏ nhất) hoặc ±1800 (vị trí của antinodes cho thế năng lớn nhất) Hình 2. Nếu tần
số dao động tự nhiên (dao động riêng) của
thềm san hơ trùng với tần số sóng đứng tại vị
trí điểm nodes đặt trùng đỉnh rìa thì cộng
hưởng xảy ra. Tuy nhiên, trước đó, năng lượng
sóng IG đã có thể bị bẫy lại trên thềm san hơ
như giải thích ở trên. Những con sóng bị bẫy
lan truyền hướng bờ và cùng pha, cùng tần số
tự nhiên với những con sóng tới, chúng cũng bị
khuếch đại và cộng hưởng làm dâng cao sóng
leo tại đường bờ gây ra ngập lụt đường bờ.

Khoảng cách từ đỉnh thềm (m)

Hình 2. Sóng đứng hình thành
trên thềm [1]
Hệ số phản xạ R2 = H2s,r/H2s,i cũng nói lên
liệu có hình thành sóng đứng hay sóng lan

truyền trên thềm. Để hình thành sóng đứng
hồn tồn thì năng lượng sóng tới và sóng phản
xạ có độ lớn bằng nhau; nghĩa là R2 gần tới 1.

Theo [1] không phải lúc nào sóng đứng
hồn tồn cũng được tạo thành. Ở vị trí sát bờ
thì 0.75  R2  1.25 và cho những con sóng
đứng đúng nghĩa; cịn tại những vị trí khác trên
thềm R2 có thể giảm tới 0.5 cho thấy sóng có
thể một phần là sóng đứng một phần là sóng
lan truyền.
3.3. Năng lượng
Năng lượng sóng trong băng tần số sóng
đến bị tiêu hao trong khoảng chiều dài một
vài con sóng và trên thềm cũng như sát bờ
năng lượng sóng IG chiếm ưu thế (order
100s). Nói một cách khác, rặng san hơ ngầm
đóng vai trị như một lớp lọc sóng ngắn hiệu
quả nên chủ yếu chỉ cịn sóng chu kì dài lan
truyền. Năng lượng sóng ngoại trọng lực (IG)
nhỏ nhất tại đỉnh thềm và tăng lên khi sóng
lan truyền hướng bờ và tăng lên với việc tăng
mực nước trên thềm [3]. Điều này cũng thống
nhất với các đo đạc hiện trường của [1] chiều
cao sóng ngắn giảm mạnh tại giữa thềm cịn
chiều cao sóng IG ban đầu giảm sau tăng lên
khi hướng về bờ và đạt lớn nhất tại đường bờ.
3.4. Nước dâng và sóng leo
Nhóm sóng tới vỡ ngay trên khoảng mái dốc
vành đảo gần đỉnh rìa; năng lượng phần lớn

được tiêu tán khi sóng vỡ nên sẽ bảo vệ đường
bờ khỏi các điều kiện sóng cực đoan nhưng lại
làm dâng cao mực nước do hiện tương nước
dâng. Mực nước dâng cao hơn sau khi sóng vỡ
từ vị trí đỉnh thềm và duy trì ổn định cho tới bờ
Hình 3. Theo Munk (1948) tại đảo Bikini Atoll
ở Thái Bình Dương chỉ ra mực nước biển trung
bình dâng 0.45m tới 0.6m. Nhưng chính sự dao
động mạnh của các sóng tần số thấp mới gây ra
sóng leo (bao gồm cả sóng vỗ và nước dâng)
cực đại tại vị trí vùng sóng vỡ sát bờ, cái có thể
gây ra ngập lụt đường bờ [Seelig 1983] gây
thiệt hại cơng trình trên đảo san hô của Nhật
trong các trận bão.
4. CÁC NHÂN TỐ ẢNH HƯỞNG

4.1. Hình thái của đảo nổi
Hình thái đặc trưng của đảo nổi đã làm gia
tăng việc dâng cao mực nước do sóng vỡ trên

769


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

Nước dâng (m)

đảo. Chuyển từ một vùng mái dốc lớn trên
vành đảo sang vùng nước nơng trên thềm
phẳng, sóng bị giới hạn độ sâu sẽ dễ dàng vỡ

ngay trên mái dốc, sinh ra gradient ứng suất
bức xạ, và mực nước trung bình dâng lên.

Nhẵn
Nhám
Khoảng cách từ đỉnh thềm

Hình 3. Nước dâng [2]

Hrms,out

/Hrms,in

Sóng IG được sinh ra do cơ chế điểm vỡ di
chuyển cũng như độ lớn của nước dâng do
sóng sẽ nhiều hơn đến gấp hai lần trên những
mái dốc vành đảo có độ dốc lớn (1:5) so với
những nơi dộ dốc nhỏ hơn (1:100) [2]. Độ
dốc của địa hình nơi sóng tới vỡ đóng vai trị
quan trọng trong việc quyết định độ lớn của
nước dâng.
Độ dốc mái vành đảo cịn ảnh hưởng tới
phản xạ của sóng đi về phía biển khiến chúng
quay đầu trở lại hướng bờ và dẫn tới khuếch
đại cộng hưởng nếu cùng pha cùng tần số tự
nhiên với thềm san hơ; ở đó sóng IG hướng
biển, sau khi phản xạ từ đường bờ truyền ra
khỏi thềm san hô bị bẫy lại, phản xạ và
khuếch tán cộng hưởng và dẫn tới làm tăng
sóng leo đường bờ. Hệ số phản xạ của sóng

IG hướng biển trên mái dốc là khá lớn (>1)
Hình 4.

4.3. Độ nhám
Ma sát đáy làm giảm nước dâng và sóng
leo trong vùng sóng vơ. Ma sát đáy phụ thuộc
vào mật độ phân bố không gian của san hô
trên thềm. So sánh với trường hợp độ nhám
phân bố đều trên đảo, nếu trên mái dốc vành
đảo nhám cịn trên thềm lại nhẵn hơn thì sẽ có
ít nước dâng do sóng vỡ hơn nhưng chiều cao
sóng leo lại lớn hơn do tiêu năng sóng do ma
sát trên thềm giảm [2]. Ma sát đáy đóng vai
trị làm tiêu hao năng lượng của cả sóng ngắn
và sóng dài nhưng tốc độ xảy ra với sóng ngắn
mạnh mẽ hơn nên cuối cùng năng lượng sóng
ngắn tiêu hao nhưng năng lượng sóng dài vẫn
chiếm ưu thế trên thềm. Tuy nhiên như đã nói
rặng san hơ đóng vai trị như một lớp đệm cản
sóng ngắn tránh tác động cực đoan từ các đợt
bão. Nếu độ nhám đáy giảm xuống do sự suy
thối/ biến mất của san hơ thì càng dẫn tới gia
tăng ngập lụt đường bờ.
5. THẢO LUẬN

Như vậy qua tổng hợp tài liệu có thể thấy,
mặc dù thềm san hơ có thể giúp làm giảm
đáng kể những con sóng ngắn tới đảo nhưng
cũng góp phần hình thành lan truyền và
tương tác của những con sóng tần số thấp

cũng như làm dâng cao mực nước trên thềm
và tăng cường sóng leo tại đường bờ.
Phân bố xác suất của cao độ mặt nước và
phân bố xác suất chiều cao sóng khác hồn
tồn với phân bố Guassian và Rayleigh trong
sóng tuyến tính và chưa được đề cập trong
các nghiên cứu kể trên.
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO

Khoảng cách từ đỉnh thềm

Hình 4. Hệ số phản xạ [2]
4.2. Chiều dài thềm san hơ
Cũng có nghiên cứu khẳng định khuếch đại
do cộng hưởng xảy ra khi mà chiều dài sóng
ngoại trọng lực xấp xỉ 4 lần chiều dài của
thềm san hô [3]. Hay chiều dài của thềm san
hô gấp lên 1 số lẻ lần của một phần tư chiều
dài sóng ngoại trọng lực cũng dẫn tới khuếch
đại cộng hưởng của những con sóng đứng.

[1] Gundula Winter, Dongeren 2017 Stading
Infragravity waves over an alongshore
irregular rock bathymetry Journal of
geographical research: Oceans.
[2] Buckley nnk 2018 Mechanism of wavedriven water level variability on Reeffringed Coastalines Journal of geographical
research: Oceans.
[3] Okey Nwogu nnk 2010 Wave motions and
runup over shallow fringing reefs Journal of
waterway, port coastal and ocean engineering.


770