Áp dụng mô hình vịnh dạng parabolic xác định đường bờ biển ở trạng thái cân bằng tĩnh

Bài viết Áp dụng mô hình vịnh dạng parabolic xác định đường bờ biển ở trạng thái cân bằng tĩnh trình bày việc áp dụng mô hình vịnh dạng đường bậc hai (Parabolic Bay Shape Equation - PBSE) nhằm xác định dạng đường bờ biển ở trạng thái cân bằng tĩnh.

ÁP DỤNG MÔ HÌNH VỊNH DẠNG PARABOLIC XÁC ĐỊNH ĐƯỜNG BỜ BIỂN Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG TĨNH

Nguyễn Trường Duy1, Lê Hải Trung1

1 Trường Đại học Thủy lợi, email: duynt45@wru.vn

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Việc xác định trạng thái của một bờ biển

mang ý nghĩa thiết thực phục vụ công tác

quản lí, qui hoạch khu vực ven biển cũng

như xây dựng giải pháp bảo vệ Những

phương pháp như đo đạc địa hình, phân tích

không ảnh hay ảnh vệ tinh bờ biển không

phải lúc nào cũng khả thi và có thể gặp

nhiều khó khăn Ví dụ, dữ liệu ảnh vệ tinh

cần thu thập trong cả quá trình dài và kĩ

thuật phân tích tương đối phức tạp Kết quả

thu được cần số liệu đo đạc thực tế để hiệu

chỉnh, kiểm định

Bài báo trình bày việc áp dụng mô hình

vịnh dạng đường bậc hai (Parabolic Bay

Shape Equation - PBSE) nhằm xác định dạng

đường bờ biển ở trạng thái cân bằng tĩnh [1]

Yêu cầu về số liệu đầu vào cũng như quá

trình xử lí được đánh giá là đơn giản Phương

pháp này từ khi ra đời tới nay đã trở nên phổ

biến trong ngành kĩ thuật bờ biển [vd, 2]

Một số đoạn bờ biển dạng cong với mũi

nhô ở một phía đã được lựa chọn để kiểm

định và áp dụng phương pháp này gồm Tịnh

Khê, thành phố Quảng Ngãi – Quảng Ngãi,

Hải Châu, huyện Tĩnh Gia – Thanh Hóa;

Quỳnh Thọ, huyện Quỳnh Lưu – Nghệ An

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hsu và Evans [1] đã phát triển mô hình

vịnh dạng parabolic cho bờ biển giữa các mũi

đất (đá) ở trạng thái cân bằng tĩnh Đường bờ

biển bắt đầu từ một điểm khống chế - nơi

sóng bắt đầu nhiễu xạ và truyền tới cung bờ

có dạng đường bậc hai liền đó (Hình 1) Khi

khoảng cách từ điểm nhiễu xạ tăng lên thì độ

cong đường bờ giảm dần Sự thay đổi này tiếp diễn tới một vị trí mà tiếp tuyến của đường bờ có xu hướng song song với đường đỉnh sóng tới trước khi bị nhiễu xạ Điểm này thường được gọi là điểm khống chế phía dưới Như vậy, khoảng cách từ điểm nhiễu xạ (điểm khống chế phía trên) tới một vị trí trên đường bờ phụ thuộc vào độ cong của đường

bờ tại vị trí đó Phương trình cơ bản của phương pháp như sau:

2

2 1

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

=

θ

β θ

β

β

C C

C R

R

(1) trong đó,

β

R : độ dài đường khống chế, khoảng cách từ điểm nhiễu xạ tới điểm khống chế phía dưới; :

β góc nghiêng giữa đường đỉnh sóng tới chủ đạo và đường khống chế;

C: các hằng số được xác định từ phân tích hồi qui 27 trường hợp nguyên mẫu và mô hình;

:

θ là góc tạo thành giữa đường đỉnh sóng

tới chủ đạo và bán kính R bất kì

Hình 1 Vịnh có dạng parabolic

và các tham số cơ bản

Công thức (1) được dùng để xác định cung

đường bờ giữa đường đỉnh sóng tới tại điểm

nhiễu xạ và đường khống chế Các tia với

bán kính R sẽ xoay quanh điểm nhiễu xạ

để tạo nên đường bờ cong với các gócθ

khác nhau

Tất cả những giá trị C nằm trong khoảng

1 < C < 2,5 với giá trị góc trong khoảng

β(20° 80~ °) và điều kiện này nghiệm đúng

cho hầu hết các khu vực Hệ số C có thể được

xác định theo các công thức sau:

0

C = 0.0707 − 0.0047β + 0.000349β − 2

0.00000875β + 0.000000047653 β (2) 4

1

C = 0.9536 + 0.0078β − 0.00004879β 2

+ 0.0000182β − 0.0000012813 β (3) 4

2

C = 0.0214 − 0.0078β + 0.0003004β − 2

0.00001183β + 0.000000093433 β (4)4

Theo đó, hình dạng ổn định của một cung

bờ được xác định đối với trường hợp không

có vận chuyển bùn cát ven bờ Các ứng dụng

thực tế được trình bày tiếp theo đây

3 ỨNG DỤNG THỰC TẾ

Trong việc áp dụng công thức dạng bậc hai

cho các vịnh tự nhiên, một khó khăn chính là

xác định điểm khống chế dưới xuôi (theo

hướng sóng tới) Việc này ảnh hưởng tới giá

của chiều dài đường khống chế (Rβ) và giá

trị góc sóng tới (β) Tham số thứ hai được

đo giữa đường khống chế và tiếp tuyến tại

điểm khống chế phía dưới của vịnh Đối với

một vịnh vẫn đang trong trạng thái cân bằng

động, tiếp tuyến này có thể theo hướng khác

so với trạng thái cân bằng tĩnh, mặc dầu nó sẽ

không thay đổi nhiều khi mà xói lở xảy ra

Lưu ý rằng khi ước lượng (β), ta không nên

sử dụng đường đỉnh sóng trực quan từ không

ảnh hay ảnh vệ tinh

Nhìn chung, điểm khống chế phía trên

(upcoast) mà sóng nhiễu xạ xảy ra được xác

định dễ dàng Điểm này có thể không thuộc

đất liền nhưng là một đảo nhỏ hay thậm chí

ám tiêu (đá ngầm) Trong trường hợp này,

không ảnh thể hiện đường đỉnh sóng có thể

được sử dụng Khi tia sóng tới (pháp tuyến

với đường đỉnh sóng) vuông góc với tiếp tuyến tại điểm khống chế phía dưới được dịch chuyển ngang về phía mũi đất phía trên,

nó sẽ cắt đường đỉnh sóng tại chính điểm khống chế

Sự nhạy cảm của vị trí điểm khống chế phía dưới có thể được đo đạc bằng cách thay

đổi một chút nhằm tăng giá trị Rβ tương ứng

với sự giảm β, và ngược lại Ví dụ minh họa được thực hiện với cung bờ biển phía bắc sông Trà Khúc, giữa Tịnh Nghĩa và Tịnh Long thuộc tỉnh Quảng Ngãi Hình 2 thể hiện góc β = 220 và khi được tăng giảm 20 Tính toán cho thấy đường bờ biển dường như biến đổi không đáng kể

Hình 2 Ảnh hưởng của góc β = 20, 22

và 24 0 đối với đường bờ biển (tính toán) Tịnh Khê phía bắc cửa Đại, sông Trà Khúc, Quảnh Ngãi

Tiếp theo, PBSE được áp dụng để xác định

đường bờ biển cân bằng tĩnh cho một số khu

vực gồm bờ biển Hải Châu, huyện Tĩnh Gia –

Thanh Hóa; bờ biển Quỳnh Thọ, huyện

Quỳnh Lưu – Nghệ An Bảng 1 thống kê các

tham số cơ bản như góc β và chiều dài

đường khống chế Rβ được xác định cho các

ví dụ này Có thể hiểu được rằng với góc β

nhỏ thì chiều dài đường khống chế Rβ sẽ lớn

và ngược lại, góc β lớn thì Rβ sẽ nhỏ

Bảng 1 Các tham số xác định dạng bờ biển

ở trạng thái cân bằng tĩnh

Cung bờ biển Góc β [0]

Chiều dài

β

Tịnh Khê, TP Quảng

Ngãi – Quảng Ngãi

22 1520

Hải Châu, H Tĩnh Gia -

Thanh Hóa

39 940

Quỳnh Thọ, H Quỳnh

Lưu – Nghệ An

20 4420

Hình 3 Cung bờ biển Hải Châu, huyện

Tĩnh Gia – Thanh Hóa (trái) và Quỳnh Thọ,

huyện Quỳnh Lưu – Nghệ An (phải)

Hai cung bờ Hải Châu và Quỳnh Thọ có

hình dạng tương tự nhau khi mà mũi đất nhô

ra che chắn phần lớn sóng tới từ hướng Đông

Bắc (Hình 3) Phần phía dưới của đoạn

đường bờ có dạng cung này tiếp tục kéo dài

gần như đường thẳng Sóng chiếm ưu thế tới

từ hướng Đông Nam có tác dụng tạo nên dạng cân bằng tĩnh của hai cung bờ này Khi đường bờ thực tế nằm về phía biển so với đường bờ dự đoán thì bãi biển có thể bị xói lở tới giới hạn này Ngược lại, đường bờ thực tế nằm phía trong đường dự đoán như ở Hải Châu và Quỳnh Thọ thì bãi biển đạt trạng thái tương đối ổn định

Hình 3 cũng thể hiện sự sai khác về vị trí giữa các điểm thuộc đường bờ hiện tại và đường cân bằng tĩnh xác định theo PBSE Lausman & nnk [3] đã đề nghị nhiều chuyên gia (tự nguyện) lựa chọn 3 điểm khống chế đối với vịnh Taquaras – Taquarinhas Vịnh nằm ở phía Nam của Brazil với độ rộng khoảng 1800m Kết quả cho thấy độ bất định của việc áp dụng PBSE phụ thuộc vào các vị trí cụ thể trên cung bờ biển Vì vậy, hành lang an toàn nhằm phòng ngừa xói lở tiềm tàng nên được qui định với chiều rộng biến đổi, tùy thuộc vị trí trên cung đường bờ chứ không nên sửu dụng cùng một giá trị như thường thấy hiện nay

4 KẾT LUẬN

Bài báo đã giới thiệu phương pháp dự đoán đường bờ cân bằng tĩnh sử dụng đường cong của phương trình bậc hai Ví dụ áp dụng được thực hiện với 3 cung bờ biển miền Trung Kết quả thu được có thể được sử dụng làm cơ sở phục vụ nghiên cứu giải pháp chống xói lở, ổn định bờ biển ở một số khu vực có diễn biến đường bờ phức tạp như Quảng Nam,

Cà Mau, Bình Thuận

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Hsu, J.R.C và Evans, C 1989 Parabolic bay shapes and applications Proc Instn Civil Engrs 87: 557 – 70

2010 Uncertainty in the application of the parabolic bay shape equation: Part 1 Coastal Engineering, 57(2): 132-141

[3] To, D.V The equilibrium stages of headland-bay beaches in the coastal provinces of Vietnam Tạp chí KHKT TL& MT, 23(95):

95 – 102