Tính toán môi trường sóng, vận chuyển bùn cát và xói lở bờ biển, bãi biển trong bão khu vực ven bờ châu thổ sông hồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --- NGUYỄN THIẾU HOA TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ XÓI LỞ BỜ BIỂN, BÃI BIỂN TRONG BÃO KHU VỰC VEN BỜ CHÂU THỔ SÔNG HỒ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

-

NGUYỄN THIẾU HOA

TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ XÓI LỞ

BỜ BIỂN, BÃI BIỂN TRONG BÃO KHU VỰC VEN BỜ CHÂU THỔ

SÔNG HỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

-

Nguyễn Thiếu Hoa

TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ XÓI LỞ

BỜ BIỂN, BÃI BIỂN TRONG BÃO KHU VỰC VEN BỜ CHÂU THỔ

SÔNG HỒNG

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 60.52.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS TS Đinh Văn Mạnh

Hà Nội –2015

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ BIẾN ĐỘNG BỜ BIỂN KHU VỰC CHÂU THỔ SÔNG HỒNG 3

1.1 Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tượng, thủy văn khu vực châu thổ sông Hồng 3

1.1.1 Lịch sử phát triển vùng ven biển châu thổ Sông Hồng 3

1.1.2 Đặc điểm địa hình vùng châu thổ sông Hồng 4

1.1.3 Hệ thống thuỷ văn 4

1.1.4 Chế độ khí hậu 4

1.1.5 Các yếu tố hải văn 4

1.2 Biến động bờ biển cửa sông khu vực châu thổ sông Hồng 7

1.2.1 Cơ chế xói lở bãi biển thường xuyên tại khu vực ven bờ cửa Hà Lạn – cửa Lạch Giang 7 1.2.2 Biến động bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng dưới tác động của bão và nước dâng trong bão 10

1.3 Hệ thống đê biển khu vực châu thổ sông Hồng 10

1.4 Các nghiên cứu về VCBC và biến động bãi biển do bão ở nước ta 12

Chương II THU THẬP VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU PHỤC VỤ TÍNH BIẾN ĐỘNG BÃI, XÓI LỞ CHÂN ĐÊ TRONG BÃO……….13

2.1 Số liệu thử nghiệm mô hình SBEACH tại bể thí nghiệm sóng và vận chuyển bùn cát siêu lớn………… ……… 13

2.2 Số liệu đo đạc địa hình mặt cắt vuông góc với bờ biển trước và sau bão tại khu vực thị trấn Hải Thịnh, huyện Hải Hậu tỉnh Nam Định……… …………14

2.3 Số liệu hiện trạng hệ thống đê biển và số liệu về các thông số mực nước, sóng tính toán chế độ nhiều năm cho khu vực châu thổ sông Hồng……….……….16

Chương III CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MÔ HÌNH TÍNH BIẾN ĐỘNG BÃI, XÓI LỞ CHÂN ĐÊ TRONG BÃO – SBEACH 18

3.1 Vận chuyển bùn cát ngang bờ và lý thuyết mặt cắt cân bằng 18

3.2 Cơ sở khoa học các phương pháp tính sóng và vận chuyển bùn cát trong mô hình SBEACH 20

3.2.1 Mô hình tính sóng ngẫu nhiên 20

3.2.2 Tính các tham số liên quan đến trường sóng 22

3.2.3 Tính vận chuyển bùn cát ngang bờ 23

3.3 Thuật toán sử dụng trong mô hình SBEACH 36

3.4 Phương pháp đánh giá sự phù hợp giữa kết quả tính toán và số liệu thực đo 39

3.5 Mô hình SBEACH chạy trong Hệ thống Công nghệ ven bờ phục vụ Thiết kế và Phân tích (CEDAS) 39

3.6 Các khả năng tính toán và hạn chế của mô hình SBEACH 44

3.6.1 Khả năng tính toán của mô hình SBEACH 44

3.6.2 Các hạn chế của mô hình SBEACH 45

Chương IV TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ XÓI LỞ BỜ BIỂN, BÃI BIỂN TRONG BÃO 46

4.1 Tính toán vận chuyển bùn cát và biến động bãi biển theo số liệu đo đạc tại SUPERTANK - các bài toán mẫu 46

4.2 Tính toán vận chuyển bùn cát, biến động bãi và hiệu chỉnh mô hình SBEACH trong một cơn bão thực tế tại bờ biển thị trấn Hải Thịnh, huyện Hải Hậu 48

4.2.1 Tính toán và hiệu chỉnh mô hình SBEACH trong bão DAMREY 48

4.2.2 Tính toán vận chuyển bùn cát, xói lở bãi biển cho các trường hợp cực đoan chế độ sử dụng mô hình SBEACH với bộ tham số VCBC đã được hiệu chỉnh 50

4.2.3 Đề xuất giải pháp bảo vệ đê biển khu vực châu thổ sông Hồng 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

Hình 4 Khảo sát thực địa tại “Nhà thờ đổ trên biển” thuộc bờ biển khu vực xã

Hình 5 Khảo sát thực địa hiện trạng hệ thống đê biển tại xã Hải Hòa, huyện Hải Hậu tỉnh Nam Định (ảnh chụp khi triều kém) trong khuôn khổ đề tài hợp tác Việt

Hình 7 Nước dâng trong bão DAMREY 9/2005 tại cửa Ninh Cơ 15 Hình 8 Vỡ đê tại Hải Thịnh do bão DAMREY 9/2005 15 Hình 9 Các số liệu đo đạc tại mặt cắt Hải Thịnh trước và sau khi bão đổ bộ 16 Hình 10 Mực nước tổng cộng trong các ngày 27-28/9/2005 đưa vào tính toán

Hình 11 Sơ đồ “Avalanching” trong mô hình SBEACH 37 Hình 12 Các profile ban đầu, cuối cùng và tính toán cho trường hợp P1A 46 Hình 13 Các profile ban đầu, cuối cùng và tính toán cho trường hợp PGA 47 Hình 14 Các profile ban đầu, cuối cùng và tính toán cho trường hợp PCA 47 Hình 15 Các profile ban đầu trước bão, profile tính toán theo mặc định 50 Hình 16.Các profile ban đầu trước bão, profile tính toán theo HC-8 và thực đo 50 Hình 17.Các kết quả tính toán xói lở bãi biển khu vực Hải Thịnh với hai trường

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Các tham số động lực đầu vào và thời gian tính toán trong các thí

Bảng 2 Các tham số động lực biển phục vụ tính toán chế độ 17 Bảng 3 Các tham số hiệu chỉnh và kết quả đánh giá định lượng 49 Bảng 4 Đánh giá mực nước tổng cộng tại chân đê khu vực Hải Thịnh trong các

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Giải nghĩa CTSH Châu thổ sông Hồng

SBEACH (Storm-induced BEach Change) biến động bãi biển do bão CEDAS (Coastal Engineering Design Analysis System)

Hệ thống Công nghệ ven bờ phục vụ Thiết kế và Phân tích) SUPERTANK Bể thí nghiệm sóng và vận chuyển bùn cát siêu lớn

FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations)

Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc PAM (People Action Movement) Phong trào Nhân dân Hành động

EBP (Equilibrium Beach Profile) Profil cân bằng bãi biển

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu tôi đã tham gia

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Thiếu Hoa

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Viện Cơ học, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cơ quan nơi tôi công tác đã cử đi đào tạo, cũng như tạo điều kiện về mặt thời gian, kinh phí và các thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghệ, Khoa Cơ học kỹ thuật, Phòng đào tạo đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Nhiệm vụ hợp tác Việt Nga “Nghiên cứu bãi biển và dự báo biến động bãi khu vực ven bờ biển Việt Nam và Liên bang Nga” Mã số VAST.HTQT.NGA.03 hai giai

đoạn 2010-2011 và 2014-2015, thuộc Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tài trợ và tạo điều kiện cho tôi đi khảo sát thực tế và tham gia đo đạc tại khu vực thị trấn Thịnh Long, châu thổ sông Hồng

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn tới thầy hướng dẫn PGS.TS Đinh Văn Mạnh đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này

Xin gửi lời cám ơn chân thành đến GS TSKH Magnus Larson, Khoa Kỹ thuật Tài nguyên Nước, Đại học Lund Thụy Điển đã cung cấp các số liệu đo đạc tại Bể thí nghiệm sóng và vận chuyển bùn cát siêu lớn và kết quả tính toán theo mô hình trong một số trường hợp tiêu biểu

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Cơ học kỹ thuật đã tận tình dạy dỗ và truyền thụ kiến thức cho tôi trong những năm học vừa qua

Cuối cùng xin cảm ơn các cô chú, các bạn đồng nghiệp tại Phòng Cơ học và Môi trường Biển, Viện cơ học đã nhiệt tình giúp đỡ, tư vấn cho tôi thực hiện luận văn này

MỞ ĐẦU

Mục tiêu của luận văn này là thiết lập được hệ thống mô hình số đủ tin cậy cho phép tính toán vận chuyển bùn cát, xói lở bãi biển do bão gây ra cho khu vực đang xảy ra xói lở tại vùng châu thổ sông Hồng; trên cơ sở kết quả tính toán nhận được sẽ đánh giá khả năng bảo vệ của hệ thống đê tại khu vực nghiên cứu

Với mục tiêu trên, khu vực nghiên cứu của luận văn được lựa chọn là khu vực bãi biển của thị trấn Hải Thịnh; đây là một khu vực xung yếu có thể đại diện cho toàn bộ

bờ biển của khu vực châu thổ sông Hồng, tại nơi này đã nhiều lần đê bị phá hủy trong bão

Hệ thống mô hình số được sử dụng trong luận văn này là CEDAS, với modul chủ yếu được khai thác là mô hình SBEACH.Đây là hệ thống mô hình số cho phép tính toán sự biến động của bãi biển sau bão

Ngoài việc đòi hỏi các thông số đầu vào của mô hình số, như số liệu đo đạc mặt cắt địa hình, địa mạo, các thông số đặc trưng của bùn cát, các tham số mực nước, sóng , mô hình này cần được kiểm định kỹ càng trên cơ sở các số liệu đo đạc trong

bể thí nghiệm cũng như tại hiện trường khu vực nghiên cứu Do vậy, luận văn đã được hoàn thành trên cơ sở các nội dung chính như sau:

- Tổng quan về điều kiện tự nhiên, sự vận chuyển bùn cát và xói lở bờ biển, bãi biển vùng châu thổ sông Hồng, đặc biệt là khu vực nghiên cứu bãi biển Hải Thịnh;

- Thu thập các số liệu liên quan phục vụ cho việc thiết lập, kiểm định mô hình

số tính toán vận chuyển bùn cát và biến động bãi bao gồm: các số liệu đo đạc

từ bể thí nghiệm sóng SUPERTANK, số liệu đo đạc địa hình thực tế trước và sau bão tại khu vực nghiên cứu, các số liệu thống kê về các đặc trưng thủy lực (sóng, dòng chảy, mực nước, bão, );

- Nghiên cứu tìm hiểu cơ sở khoa học mô hình SBEACH chạy trong CEDAS;

- Thiết lập tính toán kiểm tra và hiệu chỉnh các tham số của mô hình SBEACH cho một số bài toán mẫu (so sánh với số liệu đo đạc và tính toán trong bể thí nghiệm sóng SUPERTANK);

- Tính toán kiểm định mô hình số qua các số liệu thực đo trước và sau cơn bão DAMREY tại khu vực ven biển Hải Thịnh;

- Tính toán xói lở bãi biển, chân đê với các tham số thủy triều, nước dâng và sóng có chu kỳ lặp 50 năm và 100 năm từ đó đưa ra các đánh giá, kiến nghị về

sự an toàn và đề xuất các giải pháp nâng cấp hệ thống đê biển khu vực châu thổ sông Hồng

Luận văn gồm:

Mở đầu; Chương I Tổng quan về đặc điểm điều kiện tự nhiên, vận chuyển bùn cát

và biến động bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng; Chương II.Thu thập và xử lý số liệu phục vụ tính biến động bãi, xói lở chân đê trong bão; Chương III.Cơ sở khoa học mô hình tính biến động bãi, xói lở chân đê trong bão – SBEACH; Chương IV Tính toán vận chuyển bùn cát và xói lở bờ biển bãi biển trong bão; Kết luận và kiến nghị; Tài liệu tham khảo;

CHƯƠNGI TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ BIẾN ĐỘNG BỜ BIỂN KHU VỰC CHÂU THỔ SÔNG

HỒNG 1.1 Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tượng, thủy văn khu vực châu thổ sông Hồng

1.1.1 Lịch sử phát triển vùng ven biển châu thổ Sông Hồng

Vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng (CTSH) có hình dáng gần như một tam giác với đỉnh (khu vực Việt Trì) cách đáy là đường bờ khoảng 150km Đường bờ biển có tổng chiều dài là 135km Từ bắc xuống nam, vùng ven bờ châu thổ sông Hồng bao gồm 4 tỉnh là Hải Phòng, Thái Bình, Nam Định và Ninh Bình Với diện tích khoảng 16.000km2 đây là khu vực có mật độ dân cư đông đúc nhất Việt Nam, khoảng 1.700 người một cây số vuông Nhờ có lượng phù sa rất lớn do sông Hồng và sông Thái Bình tải ra biển, qua hàng triệu năm bồi đắp, lấp đầy một vùng biển nông với những pha biển tiến - thoái khác nhau, tạo thành đồng bằng châu thổ hiện đại Châu thổ này đang được tiếp tục mở rộng về phía vịnh Bắc Bộ trung bình mỗi năm khoảng trên 500ha.Hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình hiện đại phát triển trên châu thổ của

nó, với mật độ sông ngòi khá cao, khoảng từ 0,71,0km/km2; các sông đồng bằng có

độ dốc lòng dẫn rất nhỏ, thay đổi từ 0,020,05m/km [7]

Xu thế chung trong lịch sử phát triển của khu vực CTSH là xu thế “lấn biển” do

lượng bùn cát của các cửa sông tải ra Trên Hình 1 thể hiện lịch sử phát triển của bờ biển vùng châu thổ sông Hồng

Hình 1.Lịch sử biến động bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng [13]

1.1.2 Đặc điểm địa hình vùng châu thổ sông Hồng

Bề mặt đồng bằng CTSH tương đối bằng phẳng, hơi nghiêng về phía biển, với độ dốc rất nhỏ, dao động từ 0,04m/km0,05m/km

Ngoài địa hình tự nhiên, một điểm đặc biệt ở CTSH là các địa hình nhân tạo, tiêu biểu là hệ thống đê ngăn lũ và đê biển được đắp bằng đất qua nhiều giai đoạn trong khoảng một nghìn năm trở lại đây

Vùng ven biển CTSH có đặc điểm là vùng đất trũng và thấp (low-lying land), được ngăn với biển bằng hệ thống đê biển Đây là vùng tập trung dân cư đông đúc và rất dễ

bị ngập lụt trong các điều kiện thời tiết nguy hiểm như triều cường và bão [7]

1.1.3.Hệ thống thuỷ văn

Sông Hồng thuộc cỡ trung bình trên thế giới và lớn thứ hai ở Việt Nam, sau sông

Mê Kông, có diện tích lưu vực kể cả đồng bằng xấp xỉ 155.000 km2 và diện tích đồng bằng hạ lưu (gồm cả hạ lưu sông Thái Bình) gần 16.000 km2 Chế độ thuỷ văn sông Hồng rất đặc biệt, diễn biến bất thường Diễn biến lũ trên sông Hồng rất phức tạp do

sự lệch pha dòng chảy từ các nhánh sông chính và quá trình điều tiết cắt-xả lũ trên các hồ chứa lớn Dòng chảy trên sông Hồng phân bố khá chênh lệch giữa các tháng với đỉnh cao nhất trong tháng VIII và nhỏ nhất trong tháng III [7]

1.1.4 Chế độ khí hậu

Vùng ven biển CTSH nằm trong khu vực nội chí tuyến Bắc Bán Cầu, chịu chi

phối mạnh mẽ của khí hậu nhiệt đới gió mùa Đông Nam Á Khí hậu trong năm có hai mùa chính (mùa đông và mùa hè) và hai mùa chuyển tiếp với sự thống trị của hai hệ thống gió mùa đông bắc và gió mùa tây nam có tính chất đối ngược nhau chi phối [7]

1.1.5 Các yếu tố hải văn

a Thủy triều

Chế độ thuỷ triều ở ven biển Việt Nam rất đa dạng và có mặt hầu hết các loại triều được biết trên thế giới, như nhật triều, bán nhật triều, triều hỗn hợp và cả vùng hầu như vô triều.Vùng ven biển CTSH có chế độ nhật triều thuần nhất với các sóng triều cơ bản là O1, K1, M2, S2

Thủy triều biến động theo không gian, ven biển từ Hải Phòng đến Ninh Bình và

từ cửa sông vào sâu đồng bằng tính chất nhật triều thuần nhất giảm đi khá nhanh Trong sông, đặc tính thuỷ triều biến đổi do ảnh hưởng của ma sát đáy sông (yếu tố địa hình lòng dẫn) và dòng chảy sông ngòi Quá trình biến dạng sóng triều do dòng chảy sông ngòi xảy ra đặc biệt mạnh vào mùa lũ, tốc độ truyền triều có thể giảm đi

4050% so với thời kỳ khô kiệt Vào mùa khô, khi mực nước trong sông hạ xuống thấp, sóng thuỷ triều có điều kiện truyền vào đồng bằng rất sâu

- Trên sông Thái Bình, thuỷ triều ảnh hưởng tới Phủ Lạng Thượng,

- Trên sông Hồng, thuỷ triều ảnh hưởng tới Hà Nội

Tốc độ thuỷ triều trong đồng bằng trung bình từ 1520km/giờ, càng vào sâu lên thượng nguồn, tốc độ tuyến triều càng giảm nhanh và sự tiết giảm độ cao của thủy triều ở cả hai sông Hồng và sông Thái Bình xảy ra không giống nhau Càng vào sâu đồng bằng thì sự tiết giảm độ cao thuỷ triều ở sông Thái Bình xảy ra nhanh hơn.Vì vậy, tuy độ lớn thuỷ triều ở các cửa sông Thái Bình trội hơn ở các cửa sông Hồng, nhưng triều lại xâm nhập vào trong sông Hồng sâu hơn Do sông Hồng và sông Thái Bình đều phân nhánh mạnh, có nhiều nhánh được nối thông với nhau, do đó xuất hiện hiện tượng giao thoa thuỷ triều ở các nút sông và làm hướng dòng chảy diễn biến khá phức tạp [7]

b Nước dâng do bão

Nước dâng do bão phát sinh do hiệu ứng nước biển bị gió mạnh thổi dồn và do

khí áp vùng trung tâm bão giảm xuống thấp; trong đó hiệu ứng nước dâng bão do gió chiếm 80%-90%

Các trận bão đổ bộ vào ven biển CTSH đều có gió mạnh từ cấp 8 đến cấp 12 (và giật trên cấp 12).So với cả nước, châu thổ sông Hồng là vùng có tần suất bão đổ bộ rất lớn (chiếm 28%), nên hiện tượng nước dâng do bão có khả năng xảy ra cao

Trong đó các cơn bão mạnh gây nước dâng cao điển hình là:

- Bão Rose, ngày 13/8/1968 đổ bộ vào bờ biển Nam Định,

- Bão Kate, ngày 26/8/1973 đổ bộ vào bờ biển Nam Định,

- Bão Monge, ngày 15/9/1973 đổ bộ vào bắc Thanh Hoá,

- Bão Kelly, ngày 5/7/1981 đổ bộ vào nam Thanh Hoá,

- Bão Damrey, ngày 27/9/2005 đổ bộ vào Thanh Hóa, vv…

Là các cơn bão đã gây ra nước dâng rất cao ở vùng ven biển và các cửa sông CTSH

Các trận bão đổ bộ vào CTSH có hướng di chuyển hầu hết gần như vuông góc với đường bờ biển; vùng có nước dâng cao xảy ra ở phía bắc nơi tâm bão đổ bộ Như vậy, những trận bão có thể gây ra nước dâng cao ở vùng nghiên cứu không chỉ là những trận bão đổ bộ trực tiếp vào bờ biển CTSH mà còn có những trận đổ bộ vào bờ biển phía nam, thuộc vùng bờ biển Thanh Hoá - Nghệ An [11]

c Sóng biển

Đặc điểm đường bờ của khu vực CTSHlà có định hướng đường bờ theo hướng

đông bắc tây nam tại khu vực ven biển Hải Phòng; theo hướng bắc nam tại khu vực ven bờ biển tỉnh Thái Bình và theo hướng đông bắc tây nam tại khu vực ven biển Nam Định, Ninh Bình Các hướng sóng chính phân bố và tác động theo các mùa như sau:

- Trong mùa đông(từ tháng XII đến tháng III): Hướng sóng thịnh hành ngoài

khơi là đông bắc với tần suất khá cao và ổn định từ 51-70% Ngược lại trong bờ thịnh hành các hướng sóng bắc, đông bắc, đông; trong đó hướng sóng đông chiếm tần suất cao ở ven biển Hải Phòng (từ 30-37%), các hướng sóng đông, đông bắc thịnh hành ở ven biển Thái Bình và ven biển Nam Định – Ninh Bình Như vậy trong mùa đông, các vùng cửa sông ven biển Thái Bình – Ninh Bình chịu tác động mạnh mẽ nhất của các hướng sóng do hệ thống gió mùa đông bắc gây ra Vùng ven biển Hải Phòng hoặc nằm khuất hướng sóng chính hoặc chịu tác động các hướng sóng biến đổi do khúc xạ

- Trong mùa hè (từ tháng VI đến tháng IX): Hướng sóng chủ đạo ngoài khơi là

hướng nam với tần suất cao từ 37-60%, và ven biển là các hướng sóng đông nam (24%), hướng nam (20%) Các hướng sóng này có tác động mạnh mẽ tới ven biển Nam Định - Ninh Bình và Hải Phòng; ngược lại vùng ven biển Thái Bình ở chừng mực nào đó chịu tác động thấp hơn do vị trí gần như khuất sóng hướng nam

- Trong các mùa chuyển tiếp (các tháng IV-V và X-XI): Tương tự như trường gió,

ngoài khơi có các hướng sóng chính là nam và đông bắc, ngược lại ở ven bờ là hướng đông và đông nam với cường độ thấp hơn các mùa chính Cấp độ cao sóng ở ven biển CTSH có sự chênh lệch đáng kể trong các mùa Độ cao sóng trung bình trong mùa đông thay đổi ở ven bờ từ 0,4m - 1,2m và ngoài khơi từ 0,8-1,3m; trong mùa hè ở ven

bờ thay đổi từ 0,3m - 0.8m và ngoài khơi từ 0,6m - 1,0m Như vậy, nhìn chung sóng gió trong mùa đông có trị số độ cao lớn hơn so với trong mùa hè, điều này có thể giải thích do vùng ven biển châu thổ sông Hồng chịu tác động mạnh của gió mùa đông bắc, tuy nhiên sóng cực đại trong mùa dưới sự tác động của bão và áp thấp nhiệt đới

có thể đạt giá trị rất lớn (7.0m) [7]

d Dòng chảy vùng ven bờ

Dòng chảy vùng ven bờ CTSH diễn biến rất phức tạp, thể hiện mối tương tác giữa các yếu tố biển – sông ngòi và địa hình đáy Các nhân tố phát sinh dòng chảy là thuỷ triều, sóng, gió, lũ sông ngòi, nên dòng chảy ở vùng ven bờ là dòng tổng hợp,

bao gồm các thành phần dòng tuần hoàn VT(t) và phi tuần hoàn VK(t) - hay còn được gọi là dòng dư, được biểu diễn dưới dạng tổng các thành phần: Thành phần dòng tuần

hoàn bao gồm các loại dòng phát sinh do các sóng thuỷ triều gây ra và chúng mang tên loại sóng triều sinh ra chúng, như dòng nhật triều, dòng bán nhật triều Thành

phần dòng dư gồm hai thành phần là dòng ổn định (VOĐ) và không ổn định (VKOĐ) Thành phần VOĐ phát sinh do gió thổi có hướng ổn định Thành phần VKOĐ gồm các loại dòng do lũ sông ngòi, sóng đổ vỡ, gió ven bờ, vốn dĩ luôn biến động, có tính phân mùa và có vai trò quan trọng trong những biến động đột biến ở các cửa sông Tại các khu vực xa bờ vùng CTSH đặc trưng chế độ của dòng chảy chủ yếu phụ thuộc vào dòng triều (tuần hoàn) và dòng chảy gió Cả hai loại dòng chảy này đều có

xu thế song song với bờ và biến động chủ yếu theo mùa gió đông bắc và tây nam Dòng triều xuống có hướng về phía tây nam và dòng triều lên có hướng ngược lại về phía đông bắc, tuy nhiên do dòng chảy do gió (thành phần phi tuần hoàn) có hướng đi

về phía tây nam nên dòng chảy tổng cộng theo hướng tây nam Đặc biệt trong mùa gió đông bắc, dòng chảy theo hướng tây nam hoàn toàn chiếm ưu thế

- Tại khu vực sát bờ, dòng chảy do sóng, dòng triều và dòng chảy do sông là các thành phần quan trọng trong bức tranh dòng chảy tổng cộng Tương tự như tại vùng ngoài khơi, dòng chảy sát bờ phụ thuộc vào mùa và có các hướng thịnh hành ngược chiều nhau, tuy nhiên tính tổng cộng trong năm, dòng chảy tịnh có hướng xuống phía tây nam trong toàn dải ven biển khu vực CTSH [7]

1.2 Biến động bờ biển cửa sông khu vực châu thổ sông Hồng

Khu vực ven bờ CTSHvới tổng chiều dài khoảng 135km là nơi có biến động bờ biển mạnh nhất trên toàn dải ven biển Việt Nam Song song với sự bồi tụ mạnh tại các cửa sông lớn như cửa Ba Lạt, cửa Đáy thì tại khu vực ven bờ huyện Hải Hậu, Nam Định nằm giữa hai cửa sông này lại bị xói lở trầm trọng Để có được các giải pháp quy hoạch có cơ sở khoa học đúng đắn, cần thiết phải nắm vững được cơ chế của hiện tượng biến động bờ biển khu vực nghiên cứu đặc biệt là hiện tượng xói lở vùng bờ biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định

1.2.1.Cơ chế xói lở bãi biển thường xuyên tại khu vực ven bờ cửa Hà Lạn – cửa Lạch Giang

Hiện trạng xói lở bãi biển (mất bãi) khu vực ven bờ cửa Hà Lạn – Lạch Giang được đưa ra qua các kết quả đo đạc của “Dự án điều tra cơ bản dải ven biển đồng bằng Bắc Bộ và Trung Bộ” thuộc Viện Khoa học Thủy lợi và các kết quả đo đạc địa hình ngầm ven bờ của đề tài KC.09.13/06-10 [3] Trên Hình 2 đưa ra vị trí các mặt cắt đo đạc định kỳ nhiều năm tại khu vực trọng điểm xói lở từ cửa Hà Lạn đến Lạch Giang Tại các mặt cắt này đã tiến hành đo đạc định kỳ cao trình bãi từ sát chân đê đến các độ sâu khác nhau (từ 5m đến 10m nước) Kết quả cho thấy rằng bãi biển khu

vực nghiên cứu bị bóc đi mỗi năm khoảng 2cm-4cm Điều này làm cho mất dần bãi biển và hậu quả của nó là làm xói lở chân đê gây phá hủy hoàn toàn hệ thống đê biển khu vực Hiện tƣợng xói lở làm thấp dần cao trình bãi, gây mất bãi đƣợc các nhà chuyên môn sử dụng thuật ngữ là “xói lở cấu trúc” gây ra do gradient của dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ

Hình 2 Vị trí các mặt cắt đo đạc định kỳ nhiều năm tại khu vực ven bờ huyện Hải

Hậu, tỉnh Nam Định [3]

Hình 3 đƣa ra thí dụ về xói lở bãi biển tại mặt cắt số 10 – khu vực ven bờ xã Hải

Lý là khu vực xói lở mạnh (xem hình 2)

Hình 3.Cao trình bãi biển trong các thời điểm cao đạc khác nhau tại mặt cắt số

10[3]

Theo số liệu tại mặt cắt này thì ngay sát chân đê trong thời gian 3 năm cao trình bãi biển hạ thấp khoảng 1m (0,3m/năm) và khu vực phía ngoài cách chân đê khoảng 130m cao trình bãi biển hạ khoảng 0,6m (0,20m/năm)

Hậu quả của xói lở bờ biển thường xuyên là đường bờ biển khu vực CTSH– từ nam cửa Hà Lạn đến phía bắc cửa Ninh Cơ bị lùi dần vào đất liền (khu vực trọng yếu

là bờ biển huyện Hải Hậu)

Trong thời gian khi đê biển còn chưa được gia cố vững chắc, tốc độ biển lấn đạt từ 5m/năm đến 10m/năm Kể từ năm 1960 đến nay, ít nhất hai hệ thống đê (mỗi hệ thống gồm hai đê phía ngoài và phía trong cách nhau từ 300 – 500m) đã bị phá hủy

Một nhà thờ xây dựng năm 1936 tại xã Hải Lý cách bờ biển khoảng 2km đến nay

đã nằm ngoài đê biển với tên gọi trên mạng là “Nhà thờ đổ Hải Lý” Hình ảnh “Nhà thờ đổ Hải Lý” là một minh chứng cho hiện tượng biển lấn tại vùng nghiên cứu, và

được coi là một địa điểm du lịch hấp dẫn hiện nay.Hình 4 là ảnh chụp nhà thờ Hải Lý trong đợt thực địa của đề tài hợp tác Việt Nga “Nghiên cứu bãi biển và dự báo biến động bãi khu vực ven bờ biển Việt Nam và Liên bang Nga”, 2014 – 2015

Hình 4 Khảo sát thực địa tại “Nhà thờ đổ trên biển” thuộc bờ biển khu vực

xã Hải Lý, huyện Hải Hậu, tháng 7- 2015

1.2.2.Biến động bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng dưới tác động của bão và nước dâng trong bão

Như đã đề cập ở trên chúng ta đã biết rằng bờ biển vùng châu thổ sông Hồng bị xói

lở thường xuyên do tác động của dòng VCBC dọc bờ Hiện tượng này xảy ra với kích

cỡ thời gian theo tháng, mùa và năm, nhiều năm Bão là một quá trình synop có kích

cỡ thời gian tác động nhỏ hơn, khoảng từ 3 ngày đến 7 ngày Tác động xói lở của bão gây ra do dòng VCBC ngang bờ (từ bờ ra khơi) Bão đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình biến động bờ biển, cửa sông khu vực CTSH, đặc biệt đây là một vùng đất trũng và đang bị xói lở Một cơn bão sẽ trở nên rất nguy hiểm nếu gây ra xói

lở tại các vùng bờ đang có xu thế xói lở vì lượng bùn cát bị xói lở trong bão sẽ không được phục hồi lại trong các điều kiện thời tiết bình thường sau bão Điều này đã xảy

ra tại dải bờ biển xói khuvực CTSH – khu vực bờ biển từ cửa Ba Lạt đến cửa Ninh

Cơ trong các trận bão lớn Một trong những cơn bão mạnh đã gây xói lở và vỡ đê tại khu vực bờ biển huyện Hải Hậu là bão số 7 năm 2005 có tên là DAMREY Bão DAMREY xuất hiện tại vùng biển Thái Bình Dương, phía đông Philipine Ngày 23 tháng 9 năm 2005, bão đi vào Biển Đông và 25 tháng 9 đổ bộ vào đảo Hải Nam - Trung Quốc với tốc độ gió cực đại là 40m/s Từ 03 giờ đến 10 giờ ngày 27 tháng 9, bão đổ bộ vào khu vực ven bờ biển tỉnh Thanh Hóa với tốc độ gió cực đại khoảng 28m/s Bão đã gây ra thiệt hại rất lớn về của cải và nhà cửa của nhân dân ven biển vùng CTSH Vùng ven biển tỉnh Nam Định - Ninh Bình nằm về phía phải đường đi của bão trong khu vực bán kính gió cực đại nên có sóng lớn và nước dâng cao trong bão Đã có 3 đoạn đê của huyện Hải Hậu, tỉnhNam Định bị vỡ Trong luận văn sẽ tiến hành tính toán biến động bãi biển, xói lở chân đê trong cơn bão này

1.3 Hệ thống đê biển khu vực châu thổ sông Hồng

Các kết quả nêu tại hai mục trên cho thấy bờ biển khu vực châu thô sông Hồng chịu ảnh hưởng của hai cơ chế gây xói lở là cơ chế mất bãi do xói lở cấu trúc (gây ra

do gradient dòng VCBC dọc bờ) và cơ chế xói lở bãi, chân đê trong bão(gây ra do dòng vận chuyển bùn cát ngang bờ có hướng ra khơi) Để chống đỡ với hiện tượng biển lấn, từ những năm đầu thế kỷ 20, cha ông ta đã xây dựng hệ thống đê bảo vệ bờ biển Vào những năm cuối của thế kỷ trước, để bảo vệ các khu vực xung yếu như bờ biển khu vực Hải Hậu, một hệ thống gồm hai đê (đê ngoài và đê trong cách nhau một khoảng cách khoảng 100-200m) đã được xây dựng nhằm đối phó với các cơn bão mạnh gây vỡ đê Cụ thể tại khu vực này đã xây dựng loại đê kiên cố thuộc dự án PAM 5325 (1996-2000) do Tổ chức Lương thực thế giới FAO tài trợ Sau sự cố vỡ đê

do cơn bão số 7 năm 2005, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn đã triển khai

“Chương trình nâng cấp đê biển” cho toàn dải ven biển nước ta từ Quảng Ninh đến

Hà Tiên Theo chương trình này, hệ thống đê biển vùng châu thổ sông Hồng nói chung và đê biển xung yếu khu vực huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định được nâng cấp đến cao trình 5m – 5,5m (hệ lục địa) để có thể chịu được bão cấp 10 trở lên

Từ sau khi hệ thống đê biển được nâng cấp, cuộc sống và các tài sản, nhà cửa, công trình của nhân dân ven biển khu vực châu thổ sông Hồng được ổn định hơn, tuy nhiên sau gần 10 năm tồn tại, chịu tác động của hai cơ chế xói lở nêu trên, hệ thống

đê biển này đã xuất hiện nhiều vấn đề cần phải tiếp tục gia cố tăng cường sự vững chắc Do đặc điểm khu vực ven bờ châu thổ sông Hồng là một vùng đất trũng(nhà cửa, đồng ruộng ở trong đê thường thấp hơn mực nước biển khi triều cường), ngoài ra bãi biển cũng rất thoải nên vào thời kỳ nước lớn, nước dâng do bão, gió mùa, cộng với sóng lớn tác động lên mái đê, đặc biệt là chân đê và đã bị phá hủy từng phần riêng biệt Một số đoạn đê, kè ở khu vực nghỉ mát Quất Lâm và Thịnh Long đã bị phá hủy trong mùa nước rươi (tháng 11 – 12 âm lịch) khi triều cường kết hợp với gió mùa đông bắc mạnh Để đối phó với hiện tượng này và tăng cường khả năng bảo vệ của hệ thống đê, các công trình như kè chắn sóng, chặn bùn cát bị tải đi (các kè chữ T tại Thịnh Long) và các khối chắn sóng tetrapot bảo vệ chân đê, bãi biển ở các khu vực đê biển xung yếu như đê biển xã Hải Triều, Hải Hòa, huyện Hải Hậu đã được xây dựng

Hình 5 Khảo sát thực địa hiện trạng hệ thống đê biển tại xã Hải Hòa, huyện Hải

Hậu tỉnh Nam Định (ảnh chụp khi nước ròng)

Trên Hình 5 - ảnh tác giả tham gia khảo sát tình trạng đê biển cho thấy các công trình chắn sóng tại khu vực đê biển xã Hải Hòa thuộc đề tài hợp tác Việt Nga

1.4 Các nghiên cứu về VCBC và biến động bãi biển do bão ở nước ta

- Trong công trình [1] các tác giả đã tiến hành tính toán xói lở đụn cát dưới tác động của bão tại cửa Lý Hòa, tỉnh Quảng Bình bằng mô hình Dunross là mô hình tính biến đổi bãi trên cơ sở profile cân bằng động như mô hình SBEACH Kết quả nhận được là trong mùa bão, các đụn cát ở phía bắc cửa Lý Hòa bị xói lở mạnh và cũng ảnh hưởng đến biến động cửa Lý Hòa

- Trong chương 3 của cuốn sách “Thiên tai vùng ven bờ và biến đổi khí hậu ở Việt Nam- những vấn đề về công nghệ và thiết kế” Magnus Larson và những người khác

đã nghiên cứu về “Tác động của bão đến vùng ven bờ biển Việt Nam thông qua các nghiên cứu thí điểm ở vùng Hải Hậu và Lý Hòa” [10] Đã nghiên cứu và đưa ra các

tính toán chế độ bão, tác động của chúng đến các vùng ven bờ qua các hiệu ứng sóng tràn và nước dâng do bão, sóng Từ đó đề xuất các giải pháp ứng phó với loại thiên tai nguy hiểm này

- Thạc sỹ Doãn Tiến Hà đã: “Ứng dụng mô hình SBEACH tính toán biến đổi mặt cắtngang bãi biển Phú Yên” [4] Tác giả ứng dụng mô hình SBEACH để tính toán và

xem xét biến động mặt cắt bãi tại vùng trọng điểm xói lở bờ biển An Ninh Đông - Tuy An - Phú Yên trong bão với trường hợp bãi tự nhiên không có công trình

- Nguyễn Mạnh Hùng trong cuốn sách chuyên khảo “Các quá trình thủy thạch động lực ven bờ: mực nước; sóng; và vận chuyển bùn cát”[7] đã nghiên cứu về tác

động của bão tại vùng châu thổ sông Hồng, đã đánh giá được sự khác nhau về vai trò của bão khi đổ bộ vào các khu vực có chế độ sóng lớn như đối với dải ven biển phía bắc nước ta và các khu vực có chế độ sóng yếu như khu vực ven bờ biển phía tây nam

Đã có một số các công bố, công trình nghiên cứu đề cập đến vấn đề tính toán VCBC và xói lở bờ biển bãi biển ở nước ta do bão, tuy nhiên chưa có một nghiên cứu

cụ thể nào về vấn đề nêu trên có sử dụng các đo đạc profile mặt cắt trước và sau bão

để hiệu chỉnh mô hình và sau đó sử dụng các bộ tham số VCBC đã được hiệu chỉnh

để tính toán cho các trường hợp có bão xuất hiện với các chu kỳ lặp khác nhau Như trên đã nói, quá trình VCBC là một quá trình tổng hợp các tác động thủy thạch động lực khác nhau, trong một điều kiện hết sức phức tạp ở vùng sóng đổ sát bờ, do vậy các tính toán theo các mô hình cần phải được kiểm định, từ đó mới có thể có được các kết quả tin cậy Đó cũng là mục tiêu chính của bản luận văn này

Chương II THU THẬP VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU PHỤC VỤ TÍNH BIẾN ĐỘNG BÃI, XÓI LỞ CHÂN ĐÊ TRONG BÃO

Do quá trình VCBC và biến động bờ biển chịu tác động trực tiếp của các yếu tố thủy thạch, động lực biển và đặc điểm địa hình, định hướng đường bờ biển, bãi biển nên để tiến hành tính toán cần phải thu thập được các số liệu thực tế và cập nhật các

số liệu càng mới càng tốt, đặc biệt là các số liệu về đê biển, công trình bảo vệ bờ biển Khu vực châu thổ sông Hồng là khu vực nghiên cứu của luận văn nên tôi đã tiến hành thu thập các số liệu cần thiết tại khu vực này Ngoài ra, do sử dụng mô hình tính biến động bờ, bãi biển do bão SBEACH nên cũng cần phải thu thập các số liệu sử dụng trong quá trình thử nghiệm mô hình này trong các điều kiện bể thí nghiệm và thực tế được công bố

2.1 Số liệu thử nghiệm mô hình SBEACH tại bể thí nghiệm sóng và vận chuyển bùn cát siêu lớn Supertank

Supertank được xây dựng tại trường ĐH quốc gia Oregon, Hoa kỳ Bể tạo sóng có kích thước 104m bề dài và 3,7m bề rộng, 4,6m độ sâu Ở một đầu của bể sóng được trang bị máy tạo sóng thủy lực cho phép tạo ra các sóng đơn và các sóng ngẫu nhiên Phía đối diện là bãi biển với mặt cắt ra khơi dài 76m được tạo ra bằng 600m3 cát lấy

từ bờ biển Oregon với đường kính hạt trung bình là 0.22mm Các số liệu động lực và bùn cát được đo đạc bằng một hệ thống dày đặc các máy tự ghi sóng, dòng chảy, mật

độ bùn cát lơ lửng theo độ sâu, hệ thống máy đo áp suất, máy ghi hình và các thiết bị khác Như vậy các số liệu đo đạc và tính toán tại bể thực nghiệm sóng và VCBC siêu lớn được coi là số liệu tại thực địa trên bờ biển, không bị các hạn chế về tỷ lệ, kích thước như đối với các bể sóng thí nghiệm vật lý

Các số liệu đo đạc tại các mặt cắt và số liệu tham số sóng đầu vào trong nghiên cứu tại SUPERTANK mà tôi được cung cấp ứng với 3 trường hợp đại diện cho 3 dạng profil ban đầu được đưa ra tại bảng 1 Ba trường hợp này đại diện cho các dạng profil bãi biển khác nhau: P1A bãi biển có đụn cát phía trên mép nước phục vụ cho tính toán xói lở đụn cát; PGA bãi biển có bar ngầm phục vụ cho tính toán biến động bar và cuối cùng trường hợp PCA dại diện cho bãi biển có công trình bảo vệ và trong quá trình tính toán có sự thay đổi của mực nước [9]

Bảng 1.Các tham số động lực đầu vào và thời gian tính toán

trong các thí nghiệm tại SUPERTANK

Ghi chú

Độ cao [m] Chu kỳ [s]

P1A 0.8 3 Đơn sắc 270 Mực nước không đổi

PGA 0.8 3 Ngẫu nhiên 210 Mực nước không đổi

PCA 0.8 3 Ngẫu nhiên 120 Có đê, mực nước tăng

0,3m tại thởi điểm 60’

2.2 Số liệu đo đạc địa hình mặt cắt vuông góc với bờ biển trước và sau bão tại

khu vực thị trấn Hải Thịnh, huyện Hải Hậu tỉnh Nam Định

Trong phần 1.2 của chương I đã đưa ra một số thông tin về bão số 7 năm 2005

DAMREY Bão đổ bộ vào khu vực ven bờ biển tỉnh Thanh Hóa và đã gây ra thiệt hại

rất lớn về của cải và nhà cửa của nhân dân ven biển vùng CTSH Vùng ven biển tỉnh

Nam Định - Ninh Bình nằm về phía phải đường đi của bão trong khu vực bán kính gió

cực đại nên có sóng lớn và nước dâng cao trong bão Đã có 3 đoạn đê của huyện Hải

Hậu, tỉnh Nam Định bị vỡ Trên các hình 6, 7 và 8 vẽ đường đi của bão, nước dâng

trong bão và tác động của bão gây vỡ đê tại khu vực Thịnh Long

Hình 6 Đường đi của bão DAMREY 9/2005 [11]

Hình 7 Nước dâng trong bão DAMREY 9/2005 tại cửa Ninh Cơ [11]

Hình 8 Vỡ đê tại Hải Thịnh do bão DAMREY 9/2005 [11]

Trong khuôn khổ nghiên cứu về biến động bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng của

dự án hợp tác nghiên cứu khoa học Việt Nam Thụy Điển, đã tiến hành các đợt đo đạc định kỳ tại các mặt cắt dọc bờ biển huyện Hải Hậu trong đó có mặt cắt vuông góc với

bờ tại thị trấn Hải Thịnh – phía trước nhà đo sóng của Bộ NN&PT NT Trên hình 9 đưa ra các số liệu đo đạc tại mặt cắt này vào các ngày 20/9/2005 (trước thời gian bão

đổ bộ) và 29/9/2005 sau thời gian bão đổ bộ Các số liệu sóng vùng nước sâu trong bão DAMREY được thu thập từ số liệu của SEAMOS và mô hình tính sóng toàn cầu

WAVEWACH-III gồm độ cao sóng Hs=3,5m và chu kỳ sóng T=10s tại vùng sóng đổ

Số liệu nước dâng trong bão được lấy từ kết quả đo nước dâng theo vết nước tiến hành

sau khi bão đổ bộ [13] Trên hình 10 đưa ra mực nước tổng cộng (gồm thủy triều – số liệu đo đạc tại Hòn Dấu và nước dâng trong bão trong thời gian bão đổ bộ

Hình 9 Các số liệu đo đạc tại mặt cắt Hải Thịnh trước và sau khi bão đổ bộ [13]

Hình 10 Mực nước tổng cộng trong các ngày 27-28/9/2005 đưa vào tính toán trong

- Các số liệu động lực biển gồm: mực nước triều và nước dâng do bão tại khu vực Hải Hậu cho các cơn bão với chu kỳ lặp 50 năm và 100 năm – (từ kết quả nghiên cứu và tính toán thuộc chương trình nâng cấp đê biển [5]) Độ cao, chu kỳ hướng sóng cực đại vùng nước sâu, nước dâng do bão tại chân đê khu vực Hải Hậu trong bão với chu kỳ lặp 50 năm và 100 năm [6]

Các tham số động lực biển phục vụ tính toán chế độ được đưa ra tại bảng 2

Bảng 2.Các tham số động lực biển phục vụ tính toán chế độ

Chu kỳ lặp

Mực nước tổng cộng (thủy triều + nước dâng)* [m]

* Quy về “0” lục địa

Các số liệu thu thập được nêu tại chương này sẽ được phục vụ làm các số liệu đầu vào trong tính toán biến động bờ biển và xói lở bãi biển trong chương 4

Chương III CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MÔ HÌNH TÍNH BIẾN ĐỘNG BÃI, XÓI

LỞ CHÂN ĐÊ TRONG BÃO – SBEACH

Trong nội dung của chương này đầu tiên sẽ đề cập đến lý thuyết mặt cắt cân bằng,

là cơ sở nghiên cứu về VCBC ngang bờ của mô hình SBEACH Sau đó sẽ đưa ra cơ

sở khoa học các phương pháp tính toán trường sóng trong vùng ven bờ và tính toán VCBCvà cuối cùng là sơ đồ tính toán, các thuật toán sử dụng trong mô hìnhSBEACH

3.1 Vận chuyển bùn cát ngang bờ và lý thuyết mặt cắt cân bằng

Ta đã biết rằng bão gây ra xói lở bãi biển, chân đê dưới tác động của dòng VCBC ngang bờ.Vận chuyển bùn cát ngang bờ(vuông góc với bờ)bao gồm các VCBC từ bờ

ra khơi, thường xuất hiện trong bão, lẫn VCBC từ khơi vào bờ, thường xuất hiện trong các điều kiện thời tiết bình thường Hai hướng vận chuyển nêu trên được nghiên cứutheo hai cơ sở khoa học hoàn toàn khác biệt với nhau và với cỡ thời gian tác động cũng rất khác nhau Do vậy nên các khó khăn gặp phải trong tính toán, dự tính dòng VCBC ngangbờ cũng hoàn toàn khác nhau

Việc tính toán dòng vận chuyển bùn cát từ bờ ra khơi – xói lở đơn giản hơn và hiện tượng này thường xuất hiện nhanh hơn và là một quá trình điều hòa hơn trong toàn bộ thời gian tác động và trên toàn bộ profile bãi Điều này là rất may mắn vì dòng VCBC từ bờ ra khơi rất nguy hiểm đối với các công trình biển và gây mất bãi, xói lở chân đê Dòng VCBC từ ngoài khơi vào bờ làm tăng diện tích bãi, bồi chân đê trong các điều kiện thời tiết bình thường

Các quá trình VCBC ngangbờ được giải thích bằng lý thuyết sóng bậc cao khi có

sự không cân bằng giữa diện tích đỉnh sóng và bụng sóng trong vùng nước nông Trong đới sóng đổ, dòng VCBC ngang bờ chiếm ưu thế được gây ra do lượng bùn cát trong trạng thái lơ lửng Nếu trạng thái lơ lửng không liên tục đối với mỗi chu kỳ sóng, quỹ đạo trung bình của hạt nước trong một chu kỳ mà hạt cát trong trạng thái lơ lửng sẽ quyết định hướng của VCBC ngang bờ Dean (1973) chỉ ra rằng bùn cát lơ lửng có thể được vận chuyển về phía bờ và ra ngoài khơi phụ thuộc vào hạt cát đáy bị bốc lên tới khoảng cách cao đến đâu so với đáy Khi đỉnh sóng đi qua, nếu hạt cát bị

bốc lên với khoảng cách tỷ lệ với độ cao sóng, và tốc độ sa lắng W và thời gian để hạt cát quay về đáy tỷ lệ với H/W (tỷ số giữa độ cao sóng và tốc độ sa lắng) Nếu thời

gian cát lắng xuống nhỏ hơn ½ chu kỳ sóng, thì hạt cát sẽ chuyển động tịnh về phía

bờ, còn ngược lại nó sẽ chuyển động ra khơi Cơ chế này hết sức đơn giản không tính đến hiệu ứng dòng chảy trung bình vuông góc với bờ Cũng chứng minh rằng dòng

VCBC tịnh về phía bờ hoặc ra khơi có thể liên quan đến tham số H/WT(với T là chu

kỳ sóng) gọi là thời gian sa lắng

Lực trọng trường có thể được xác định là lực gây VCBC tịnh ra khơi đối với các mặt dốc ra biển, tuy nhiên với các profile có cồn chắn, lực trọng trường có thể gây VCBC tịnh về phía bờ trong một đoạn của profile Lực trọng trường có tác dụng “là trơn” các gồ ghề trên profile bãi Nếu lực trọng trường là một lực duy nhất thì bãi biển đã bằng phẳng hoàn toàn Cần nhấn mạnh rằng, lực trọng trường cũng có thể

đóng vai trò lực giữ ổn định vì hạt cát không thể bốc khỏi đáy trừ khi: a) lực bốc lên khỏi đáy do rối của nước biển mạnh hơn trọng lực của bùn cát và trừ khi b) lực kéo

theo chiều ngang của nước vượt qua lực cản rối của bùn cát

Các mô hình tính dòng VCBC ngang bờ hiện có được chia làm 3 nhóm Nhóm đầu bao gồm các nghiên cứu theo hướng mô hình hóa toàn bộ các quá trình có liên quan đến VCBC ngang bờ, đến hiện tượng chuyển động các hạt vật chất trong chấtlỏng Trong các mô hình tổng hợp nhất trong loại này, dòng VCBC ngang bờ là kết quả của các quá trình tính toán đồ sộ, chi tiết cấu trúc theo không gian và thời gian của dòng chảy, rối và trường nồng độ bùn cát Mặc dù cho đến nay, phương hướng này chưa có được các kết quả phục vụ thực tế nhưng có thể nói đây là một phương hướng nghiên cứu có triển vọng

Nhóm thứ hai là các mô hình dựa trên cơ sở vật lý của quá trình chuyển động của các hạt rắn trong chất lỏng, được giả định đơn giản hóa theo một cơ chế nhất định Đã xem xét chủ yếu là hiệu quả tổng cộng của các cơ chế chứ không nghiên cứu chi tiết từng cơ chế một

Cuối cùng là nhóm thứ 3 dựa trên ý tưởng về profile cân bằng (EPB) Cơ sở khoa học của EPB là trong điều kiện tác động liên tục của trường sóng, mực nước, tại một

vị trí cụ thể trên bờ biển sẽ tạo ra một profile sao cho tiêu tán hết năng lượng sóng để đạt được trạng thái cân bằng theo mặt cắt ngang bờ Trong các nghiên cứu của nhóm này, các cơ chế về VCBC không được xem xét mà chỉ quan tâm đến sự tương quan giữa dòng VCBC ngang bờ với mức độ chênh lệch giữa profile đáy hiện tại và EPB đáy [7]

Khi mực nước hoặc điều kiện sóng thay đổi, profile đáy sẽ thay đổi đến một trạng thái cân bằng mới Nếu các điều kiện môi trường thay đổi rất chậm, profile sẽ biến đổi từng bước sao cho phù hợp với điều kiện biến đổi của môi trường và mô hình cân bằng tĩnh sẽ được áp dụng Một ví dụ điển hình là nếu cần thiết tính toán biến động bãi, bờ biển vùng châu thổ sông Hồng dưới tác động của mực nước dâng toàn cầu thì cần thiết phải sử dụng mô hình cân bằng tĩnh Tuy nhiên nếu biến đổi môi trường xảy

ra nhanh thì cần có mô hình cân bằng động có tính đến kích cỡ thời gian của biến đổi profile bãi biển Chúng ta có thể thấy rằng một cơn bão chuyển động nhanh có thể gây ra các biến động tại một số đoạn và chỉ trong một thời gian ngắn của profile nếu

so với biến động lâu dài của profile để đạt được trạng thái EBP Mô hình SBEACH là

mô hình tính toán VCBC ngang bờ theo nhóm thứ 3 – profile cân bằng động

3.2.Cơ sở khoa học các phương pháp tính sóng và vận chuyển bùn cát trong mô hình SBEACH

3.2.1.Mô hình tính sóng ngẫu nhiên

Trong lý thuyết sóng, trường sóng ngẫu nhiên là tổng vô số các sóng đơn sắc, do vậy về cơ sở lý thuyết sóng trình bày dưới đây ứng với trường sóng ngẫu nhiên sẽ hoàn toàn đúng với trường sóng đơn sắc khi coi các sóng thành phần trong sóng ngẫu nhiên hoàn toàn giống nhau về độ cao, chu kỳ, hướng truyền sóng và không đổi theo thời gian

Trong phân bố Rayleigh của độ cao sóng, tương quan giữa độ cao sóng hữu hiệu

Trong đó 𝐹𝑖 là thông lượng năng lượng sóng thứ i, 𝛩 góc truyền sóng so với

đường vuông góc với đường bờ,𝐹𝑠𝑡 thông lượng năng lượng sóng ổn định – năng lượng sóng trong trường sóng ổn định và 𝜅 hệ số thực nghiệm về năng lượng sóng giảm dần (đến giá trị 0,15)

Như vậy theo biểu thức (1) thông lượng năng lượng sóng 𝐹𝑠 ứng với sóng hữu hiệu

sẽ tương đương gấp hai lần thông lượng năng lượng sóng trung bình 𝐹𝑟𝑚𝑠 vì năng

lượng sóng tỷ lệ với bình phương độ cao sóng Biểu thức thông lượng năng lượng sóng ứng với độ cao sóng hữu hiệu sẽ là:

đổ trong tổng số sóng, 𝐻𝑢, 𝐻𝑟 là độ cao sóng không đổ và độ cao sóng tái phát triển,Г

hệ số thực nghiệm của độ cao sóng ổn định (0,4), d độ sâu tổng cộng (𝑑 = 𝑕 + 𝜂) với

h là độ sâu mực nước tĩnh, 𝜂 nước dâng do sóng,

Như vậy, trước khi tính độ cao sóng 𝐻𝑟𝑚𝑠, cần phải tính các phần sóng không đổ

và tái phát triển, cũng như là các sóng Hrms đại diện (𝐻𝑢, 𝐻𝑟) Biết rằng phần sóng

đổ được xác định theo 𝛼 = 1 − 𝛽 − 𝜇 Khi tính toán giả định rằng hàm phân bố mật

độ xác suất (pdf) của các sóng tái phát triển có dạng giống như pdf của các sóng

không đổ, do vậy có thể áp dụng chuyển đổi cho các hệ số thành phần riêng rẽ Thông lượng năng lượng sóng ổn định đối với sóng đổ (thành phần cuối cùng của biểu thức (19) không nhân với hệ số thành phần vì đã được xác định không đổi đối với mỗi độ sâu địa phương và không phải là hàm của phân bố độ cao sóng

Về phía ngoài khơi của sóng đổ, tham số 𝑓𝑠 bằng tỷ số giữa độ cao sóng hữu hiệu

và độ cao sóng Hrms cho toàn bộ phân bố Rayleigh và có giá trị 𝑓𝑠 = 1,416 (biểu thức (1)) Trong vùng sóng đổ, 𝑓𝑠 có thể được đánh giá từ độ cắt cụt của phân bố Rayleigh trong đó mô tả thành phần sóng không đổ Giá trị 𝑓𝑠 trong vùng sóng đổ được xác định như sau:

Tại một điểm cho trước của mặt cắt, phần sóng không đổ được biểu thị dưới dạng

độ cao sóng đổ 𝐻𝑏 và độ cao sóng 𝐻𝑟𝑚𝑠 cho toàn bộ phân bố Rayleigh cho rằng không có sóng đổ 𝐻𝑥:

Áp dụng biểu thức (9) và (11) nhận được giá trị 𝑓𝑠 như sau:

𝑓𝑠 =𝐻𝑢𝑠

3.2.2.Tính các tham số liên quan đến trường sóng

Mô hình sóng ngẫu nhiên trong SBEACH được giải với điều kiện bảo toàn năng lượng sóng theo các biểu thức (5) – (7) để tính thông lượng sóng xác định dọc theo mặt cắt trong vùng sóng đổ Độ dâng mực nước do sóng và gió được xét đến trong tính toán trường sóng bằng cách giải phương trình mômen vuông góc với bờ:

𝜌𝑔𝑑𝑑𝜂

𝑑𝑥 = −𝑑𝑆𝑥𝑥

𝑑𝑥 − 𝐶𝐷𝜌𝑎 𝑊 𝑊𝑐𝑜𝑠𝜑 (13) Với 𝜂 là mực nước biến đổi do sóng và gió, 𝑆𝑥𝑥 thành phần ứng suất bức xạ vuông góc với bờ, 𝐶𝐷 lực kéo của gió, 𝜌𝑎 mật độ không khí, W tốc độ gió, 𝜑 hướng gió và d

là độ sâu Ứng suất bức xạ sóng 𝑆𝑥𝑥 được tính từ lý thuyết sóng tuyến tính như sau:

Sử dụng biểu thức (16), sẽ nhận biểu thức sau đây để tính năng lượng tiêu hao:

𝐷 = 𝜅

Các số liệu đầu vào cần thiết cho mô hình SBEACH là bộ số liệu cơ sở về thủy động lực theo thời gian bao gồm độ cao sóng, chu kỳ sóng, mực nước Trong các phương án phụ có thể đưa vào hướng sóng và tốc độ gió và hướng gió Các tham số sóng ngẫu nhiên được tính toán dọc theo mặt cắt tại mỗi bước tính theo thời gian và không gian Kết quả tính các tham số sóng được sử dụng để tính toán lượng VCBC trong phần tiếp theo

3.2.3 Tính vận chuyển bùn cát ngang bờ

a Vận chuyển bùn cát ngang bờ dưới tác động của trường sóng đơn sắc

Một loạt các công trình đã tiến hành nghiên cứu về sự thay đổi của bãi biển đối với trường sóng ban đầu Trong phần lớn các công trình nghiên cứu này, sự phản ứng của bãi biển được phân loại theo hai nhóm hình dạng bãi khác nhau gồm bar và đụn cát

bờ biển Sự biến động của một bãi biển cụ thể phụ thuộc trực tiếp vào đặc điểm phân

bố của lượng bùn cát mà tại đó các bar ngầm được hình thành chủ yếu là do dòng vận chuyển bùn cát ra khơi và đụn cát bờ biển được hình thành do dòng VCBC từ khơi vào bờ Như vậy việc nghiên cứu biến động mặt cắt bãi biển có mục tiêu là dự tính,

dự báo hướng và lượng của dòng VCBC ngang bờ

Chỉ tiêu sau đây về sự hình thành và phát triển của bar và đụn cát được Larson và Kraus [9] đưa ra:

trên các số liệu bể tạo sóng lớn Nếu vế trái của phương trình (18) là độ dốc sóng nhỏ hơn vế phải (phụ thuộc vào tốc độ sa lắng) thì xảy ra vận chuyển bùn cát ra khơi¸ngược lại sẽ xảy ra VCBC vào bờ Kraus, Larson và Kriebel đã áp dụng biểu thức (18) cho sóng ngẫu nhiên bằng cách sử dụng độ cao sóng trung bình đồng thời

đã hiệu chỉnh các tham số khác đối với sự biến đổi của bãi

 Vận chuyển bùn cát dưới tác động của sóng đổ

Lượng VCBC cực đại thường xảy ra trong vùng sóng đổ mà ở đó năng lượng do sóng đổ tạo ra vùng rối, nhiễu loạn sẽ tác động đến đáy làm bùn cát đáy bị kéo lên chuyển sang trạng thái lơ lửng và tạo ra VCBC Mô hình tính chi tiết quá trình VCBC

từ trạng thái tĩnh sang di đáy và lơ lửng là một mô hình hết sức phức tạp¸ cho đến nay

chưa được giải đầy đủ Hiện nay, để dự tính lượng VCBC thường áp dụng nhiều giả định đơn giản hóa Dưới đây đưa ra phân loại các loại mô hình này với những giải thích chi tiết về các giả định đơn giản hóa:

- Các mô hình tiêu tán năng lượng: lượng VCBC được quy về sự tiêu tán năng lượng sóng và không tính đến đặc điểm dòng chảy trong vùng sóng đổ;

- Các mô hình động lượng: lượng VCBC được quy về dòng chảy tại tầng nghiên cứu cụ thể phía trên đáy; như vậy dòng chảy địa phương tại tầng này ở trong vùng sóng đổ sẽ được dự tính;

- Các mô hình nồng độ - tốc độ: lượng VCBC nhận được từ tích phân của tích giữa nồng độ bùn cát trung bình và mặt cắt thẳng đứng của tốc độ dòng chảy cho toàn bộ lớp nước từ đáy lên mặt

Các công thức tính toán lượng VCBC dựa trên phương pháp các mô hình tiêu tán năng lượng đã được Kriebel, Dean, Larson và Kraus áp dụng trong các mô hình tính biến động mặt cắt đáy sử dụng trong thực tế tính toán công nghệ ven bờ được nêu ra dưới đây:

Kriebel và Dean (1985) đề xuất sử dụng sự tương quan sau đây để tính lượng

VCBC q dựa trên phương pháp tiêu tán năng lượng sóng:

Áp dụng biểu thức (19) và (20) khi tính hướng và độ lớn của dòng VCBC ngang

bờ có sự khác nhau không lớn Trong điều kiện bão, khi hệ số D dự kiến là sẽ lớn hơn

nhiều so với 𝐷𝑒𝑞, biểu thức (19) và (20) cho cùng một kết quả tính lượng VCBC Khi

D nhỏ hơn 𝐷𝑒𝑞 biểu thức (19) cho các kết quả lượng VCBC âm biểu thị dòng VCBC vào bờ Tuy nhiên, theo các thí nghiệm trong bể tạo sóng lớn sa bồi thường xảy ra khi

D lớn hơn 𝐷𝑒𝑞 Do vậy việc sử dụng biểu thức (19) sẽ không phù hợp đối với các trường hợp này Biểu thức (20) có khả năng chính xác hơn khi dự tính lượng VCBC trong trường hợp sa bồi dựa trên các kết quả phân tích số liệu của bể tạo sóng lớn