Nghiên cứu diễn biến đường bờ biển và giải pháp công trình để bảo vệ bãi biển thành phố nha trang

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu diễn biến đường bờ biển và giải pháp công trình để bảo vệ bãi biển thành phố Nha Trang" tiếp tục định hướng của đề tài nghị định thư mà bản thân tá

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ BIỂN

VÀ GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ĐỂ BẢO VỆ BÃI BIỂN

THÀNH PHỐ NHA TRANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

(BẢN DỰ THẢO BẢO VỆ CẤP TRƯỜNG)

HÀ NỘI, NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LÊ THANH BÌNH

NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ BIỂN

VÀ GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ĐỂ BẢO VỆ BÃI BIỂN

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Lê Thanh Bình

ii

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin trân trọng gửi lời cám ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Trung Việt đã hướng dẫn cho tác giả tiếp cập bầu trời nghiên cứu khoa học rộng mở, cũng như tác phong làm việc chuyên nghiệp và hội nhập với quốc tế Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng tới GS.TS Hitoshi Tanaka đã truyền cho tác giả tinh thần nghiên cứu kiên nhẫn, luôn nỗ lực cố gắng làm việc, và phấn đấu không ngừng

Bên cạnh sự hướng dẫn tận tình của tập thể GVHD, tác giả xin chân thành gửi lời cám

ơn tới GS.TS.NGND Phạm Ngọc Quý; GS.TS.NGND Nguyễn Chiến đã đóng góp những ý kiến quý báu để tác giả đạt được kết quả nghiên cứu hôm nay; NCS Dương Hải Thuận đã đồng hành cùng tác giả trong quá trình nghiên cứu; TS Nguyễn Xuân Tính và TS Nguyễn Văn Thìn đã tận tình giúp đỡ để tác giả hoàn thiện luận án

Tác giả xin cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài Nghị định thư cấp nhà nước giữa Việt Nam

và Cộng hòa Pháp: “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” đã cho phép tác giả là thành viên chính, trực tiếp tham gia nghiên cứu và sử dụng các số liệu của Đề tài

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo ĐH&SĐH, khoa Công trình, khoa Kỹ thuật biển, Bộ môn Thủy công - Khoa Công trình trường Đại học Thủy lợi; Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Khánh Hòa và Tổng Công ty TVXD TL Việt Nam - CTCP (HEC) cùng các bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi

và động viên tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu

Cuối cùng là sự biết ơn vô hạn được gửi tới gia đình đã luôn sát cánh động viên, cảm thông, chia sẻ để tác giả duy trì nghị lực vượt qua chặng đường đầy khó khăn trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả luận án

Lê Thanh Bình

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ xi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 5

4.1 Cách tiếp cận 5

4.2 Phương pháp nghiên cứu 5

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6

5.1 Ý nghĩa khoa học 6

5.2 Ý nghĩa thực tiễn 7

6 Cấu trúc của luận án 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN BÃI BIỂN VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN 8

1.1 Khái niệm chung 8

1.1.1 Khái niệm bãi biển 8

1.1.2 Khái niệm công trình bảo vệ bãi biển 9

1.2 Tổng quan nghiên cứu diễn biến bờ biển trên thế giới 11

1.2.1 Nghiên cứu từ số liệu thực đo 12

1.2.2 Công nghệ viễn thám 13

1.2.3 Công nghệ phân tích ảnh từ video-camera 15

1.2.4 Phương pháp phân tích EOF 17

1.2.5 Phương pháp sử dụng mô hình toán 18

1.2.6 Phương pháp sử dụng mô hình vật lý 26

1.2.7 Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) 27

iv

1.3 Tổng quan các nghiên cứu của Việt Nam về các vấn đề liên quan đến diễn

biến bờ biển và công trình ven biển 29

1.3.1 Hiện trạng diễn biến bờ biển Việt Nam 29

1.3.2 Các nghiên cứu về lĩnh vực diễn biến bờ biển Việt Nam 29

1.3.3 Các công trình bảo vệ bờ, tôn tạo bãi 32

1.4 Hiện trạng bãi biển Nha Trang và những nghiên cứu liên quan 35

1.4.1 Các công trình xây dựng ở bãi biển Thành phố Nha Trang 35

1.4.2 Hiện trạng diễn biến bãi biển ở thành phố Nha Trang 37

1.4.3 Những nghiên cứu liên quan đến bờ biển Nha Trang 39

1.5 Kết luận chương 1 40

1.5.1 Các vấn đề tồn tại của các nghiên cứu trước đây 40

1.5.2 Định hướng nội dung nghiên cứu của luận án 42

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44

2.1 Phương pháp khảo sát thực địa 44

2.2 Phương pháp sử dụng công nghệ phân tích ảnh từ video - camera để phân tích diễn biến đường bờ và chiều cao sóng vỡ 51

2.2.1 Cơ sở khoa học của công nghệ phân tích đường bờ, trắc ngang bãi biển 51 2.2.2 Cơ sở khoa học của công nghệ xác định các đặc trưng sóng bằng hệ thống video-camera 63

2.3 Phương pháp phân tích EOF 64

2.4 Phương pháp mô hình toán mô phỏng diễn biến đường bờ 67

2.4.1 Phương trình cơ bản của mô hình 67

2.4.2 Lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ 69

2.4.3 Độ sâu vận chuyển bùn cát dọc bờ 70

2.4.4 Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát Dc 71

2.4.5 Mô hình truyền sóng nước nông 74

2.4.6 Tính sóng vỡ khi có công trình 75

2.5 Kết luận chương 2 76

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ TẠI BÃI BIỂN TRUNG TÂM THÀNH PHỐ NHA TRANG 78

3.1 Đặt vấn đề 78

3.2 Đánh giá diễn biến đường bờ bằng công nghệ phân tích ảnh video-camera 79

v

3.3 Phân tích diễn biến đường bờ bằng phương pháp EOF 81

3.4 Xác định chiều cao sóng vỡ từ ảnh video-camera 91

3.5 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát khu vực bãi biển Nha Trang 95

3.5.1 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát bằng công thức kinh nghiệm 95 3.5.2 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát bằng số liệu đo địa hình 97

3.5.3 Thiết lập công thức tính độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát cho bãi biển trung tâm TP Nha Trang 100

3.6 Ứng dụng mô hình để mô phỏng diễn biến đường bờ 103

3.6.1 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình 103

3.6.2 Phân tích diễn biến đường bờ tại bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang 106 3.7 Kết luận chương 3 107

CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN TRUNG TÂM THÀNH PHỐ NHA TRANG 109

4.1 Mục tiêu giải pháp công trình bảo vệ bãi biển thành phố Nha Trang 109

4.2 Quy hoạch mặt bằng không gian bố trí công trình 109

4.2.1 Tác dụng của đê ngầm phá sóng ở Nha Trang 110

4.2.2 Các căn cứ nghiên cứu phương án bố trí công trình 112

4.2.3 Các phương án quy hoạch mặt bằng không gian 113

4.2.4 Nhận xét kết quả 127

4.3 Kết luận chương 4 128

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

PHỤ LỤC 142

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 Bãi biển bị suy thoái sau khi lấn biển khu vực Ba Làng 2

Hình 2 Cửa sông Cái trước và sau khi có cầu Trần Phú (Nguồn: internet) 2

Hình 3 Thực trạng bãi biển Nha Trang năm 2006 và tháng 5/2013 3

Hình 4 Phạm vi nghiên cứu 5

Hình 1.1 Mặt cắt ngang điển hình của bãi biển [3] 9

Hình 1.2 Vị trí các trạm quan trắc Argus bằng camera trên toàn thế giới 16

Hình 1.3 Trạm quan trắc Argus bằng camera ở Hà Lan 17

Hình 1.4 Tiếp cận mô hình theo quy mô không gian và thời gian [23] 18

Hình 1.5 Quá trình lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào bờ 21

Hình 1.6 Định nghĩa độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát (Hallermeier (1981)) [32] 25

Hình 1.7 Tường chắn sóng bảo vệ bờ đảo ở quần đảo Trường Sa (chụp 04/2016) 33

Hình 1.8 Công trình bảo vệ bãi biển tại Sun Spa Resort Quảng Bình (T07/2013) 33

Hình 1.9 Bãi biển Nhơn Lý, TP Quy Nhơn, tỉnh Bình Định 34

Hình 1.10 Đập mỏ hàn chắn sóng cửa Tam Quan, tỉnh Bình Định (chụp T07/2016) 34

Hình 1.11 Hiện trạng xói lở bở (chụp 09/2015) 34

Hình 1.12 Khảo sát xói bồi cửa sông và bờ biển ở Bình Thuận (chụp T07/2013) 35

Hình 1.13 Công trình kè bảo vệ bờ và tường chắn sóng dọc bãi biển Nha Trang 35

Hình 1.14 Đập mỏ hàn khu vực Khách sạn 378 xây dựng năm 1993 (Tháng 12/2015) 36

Hình 1.15 Công trình cầu cảng Vinpearl 36

Hình 1.16 Bãi biển trước UBND tỉnh Khánh Hòa 37

Hình 1.17 bãi biển Thành phố Nha Trang dưới tác động của công trình (T12/2015) 38

Hình 1.18 Hình ảnh bãi biển Nha Trang do tác động của sóng lớn 39

Hình 1.19 Sơ đồ nghiên cứu của luận án 43

Hình 2.1 Thiết bị khảo sát 46

Hình 2.2 Khu vực lắp cảm biến áp lực (Pressure Sensor) đo sóng và vị trí sóng vỡ xẩy ra ngẫu nhiên tại các thời điểm khác nhau (ảnh chụp từ camera) 47

Hình 2.3 Vị trí thiết bị cảm biến áp lực đo sóng khu vực sóng vỡ và sóng leo 47

Hình 2.4 Lắp đặt cảm biến áp lực đo sóng khu vực sóng vỡ và sóng leo 47

Hình 2.5 Lắp đặt thiết bị đo hải văn 48

Hình 2.6 Bình đồ địa hình đo tháng 5/2013 48

Hình 2.7 Trích số liệu mực nước đồng thời tại các Pressure Sensor 49

Hình 2.8 Quan trắc sóng vỡ bằng mắt kết hợp thước đo thực hiện tháng 12/2013 50

Hình 2.9 Quan hệ hình học giữa tâm Camera (XC,YC,ZC), tọa độ ảnh (u,v) và tọa độ thực (X,Y,Z) [75] 51

Hình 2.10 Vị trí lắp đặt Camera giám sát diễn biến đường bờ tại Vịnh Nha Trang 53

Hình 2.11 Mối tương quan giữa tọa độ tính toán từ Camera và tọa độ GCP 54

Hình 2.12 Kết quả tính toán tọa độ thực từ video-camera và tọa độ GCP 54

vii

Hình 2.13 Mối quan hệ giữa sai số tính toán và tiêu cự f của Camera phía Bắc 54

Hình 2.14 Kết quả xử lý video từ Camera phía Nam lúc 12:00 ngày 1/7/2013 55

Hình 2.15 Mô tả nhận diện đường bờ và kết quả giải đoán đường bờ dựa trên ảnh Camera (với x, y là đơn vị pixel) 56

Hình 2.16 Tổng hợp đường bờ giải đoán trong ngày 56

Hình 2.17 Mặt cắt ngang bãi biển một số ngày điển hình mùa hè 57

Hình 2.18 Mặt cắt ngang bãi một số ngày điển hình mùa đông 58

Hình 2.19 Ảnh chụp từ Camera phía Nam ảnh hưởng bão Nari 59

Hình 2.20 Ảnh chụp từ Camera phía Nam ảnh hưởng bão Haiyan 60

Hình 2.21 Đo đạc địa hình để kiểm nghiệm thông số mô hình giải đoán trong điều kiện có bão (Ảnh chụp từ Camera trước khi bão Haiyan ngày 09/11/2013) 60

Hình 2.22 Diễn biến đường bờ từ 1/6/2013 – 30/4/2014 61

Hình 2.23 Diễn biến đường bờ trước và sau bão Nari (14/10), Haiyan (10/11) 61

Hình 2.24 Phân tích ảnh hưởng của bão Nari bằng công nghệ video-camera 62

Hình 2.25 Phân tích ảnh hưởng của bão Haiyan bằng công nghệ video-camera 62

Hình 2.26 Cơ sở phân tích chu kỳ sóng và vận tốc đầu sóng 64

Hình 2.27 Cơ sở nguyên lý giải đoán chiều cao sóng vỡ [77] 64

Hình 2.28 Biểu đồ giả thiết vận chuyển bùn cát [25] 68

Hình 2.29 Sơ đồ vận chuyển bùn cát từ thềm bãi đến độ sâu giới hạn [83] 68

Hình 2.30 Sơ đồ tính sóng nhiễu xạ trường hợp đập phá sóng [83] 76

Hình 3.1 Diễn biến đường bờ thực đo từ năm 2006 đến tháng 5/2013 78

Hình 3.2 Vị trí bãi biển trước UBND tỉnh Khánh Hòa 79

Hình 3.3 Trích diễn biến đường bờ từ T05/2013 đến T12/2015 (tọa độ VN2000) 80

Hình 3.4 Diễn biến đường bờ từ tháng 05/2013 đến tháng 12/2015 tại các mặt cắt 81

Hình 3.5 Sơ đồ phân tích diễn biễn đường bờ theo phương pháp EOF 82

Hình 3.6 Kết quả tính thành phần C1 từ T05/2013 đến T12/2015 83

Hình 3.7 Kết quả tính thành phần E1 theo dọc bờ 83

Hình 3.8 Tổ hợp E1C1 theo không gian và thời gian từ T05/2013 đến T12/2015 83

Hình 3.9 Kết quả tính thành phần C2 từ T05/2013 đến T12/2015 84

Hình 3.10 Kết quả tính thành phần E2 theo dọc bờ 84

Hình 3.11 Tổ hợp E2C2 theo không gian và thời gian từ T05/2013 đến T12/2015 84

Hình 3.12 Kết quả tính thành phần C3 từ T05/2013 đến T12/2015 85

Hình 3.13 Kết quả tính thành phần E3 theo dọc bờ 85

Hình 3.14 Tổ hợp E3C3 theo không gian và thời gian từ T05/2013 đến T12/2015 85

Hình 3.15 Quá trình theo thời gian thành phần C1(t) và giá trị trung bình C1 86

Hình 3.16 Phân tích Fourier giá trị trung bình C1 86

Hình 3.17 Phương trình hồi quy thành phần E1 87

Hình 3.18 So sánh vị trí đường bờ giữa camera và phương trình dự báo EOF 88

Hình 3.19 Xu thế giữa chiều cao sóng ngoài khơi và thành phần C1 89

Hình 3.20 Xu thế giữa thành phần C1(t) và tỉ lệ vận chuyển bùn cát dọc bờ 90

viii

Hình 3.21 Sơ đồ mô hình giải đoán chiều cao sóng 91

Hình 3.22 Phân tích chu kỳ sóng từ mặt cắt ngang 92

Hình 3.23 Quá trình phân tích chiều cao sóng vỡ theo cường độ sáng 92

Hình 3.24 Kết quả giải đoán chiều cao và chu kỳ sóng vỡ tháng 12/2013 từ ảnh video-camera so sánh số liệu thực đo của các trạm C gần bờ 93

Hình 3.25 Kết quả giải đoán chiều cao và chu kỳ sóng vỡ từ ảnh video-camera và số liệu thực đo trạm A 94

Hình 3.26 Tương quan giữa chiều cao sóng vỡ từ ảnh video-camera và số liệu sóng thực đo trạm A 94

Hình 3.27 So sánh kết quả tính sóng năm 2013 tại trạm A 95

Hình 3.28 Vị trí các trạm đo sóng ngoài khơi trong phạm vi nghiên cứu 96

Hình 3.29 Vị trí mặt cắt xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát 98

Hình 3.30 Số liệu đo các mặt cắt ngang xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát 99 Hình 3.31 Phạm vi vận chuyển bùn cát dọc bờ từ KS 378 đến cầu cảng Vinpearl 100

Hình 3.32 Đánh giá sai số Dc giữa thực đo và tính toán từ công thức (3-7) 102

Hình 3.33 Sơ đồ mô phỏng mô hình toán 104

Hình 3.34 Kết quả mô phỏng đường bờ tháng 12/2013 104

Hình 3.35 Diễn biến đường bờ mô phỏng đường bờ và kiểm định mô hình 105

Hình 3.36 Kết quả mô phỏng đường bờ tháng 12/2013 từ cửa sông Cái đến cầu cảng Vinpearl (với dữ liệu đầu vào năm 2006) 106

Hình 4.1 Rạn san hô trước KS VDB 110

Hình 4.2 Sơ họa rạn san hô và bãi biển trước KS VDB 111

Hình 4.3 Sơ họa đê ngầm phá sóng tách rời 112

Hình 4.4 Sơ đồ thực hiện mô phỏng các phương án 114

Hình 4.5 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1a 117

Hình 4.6 Phương án 1b 117

Hình 4.7 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1b 117

Hình 4.8 Phương án 1c 118

Hình 4.9 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1c 118

Hình 4.10 Phương án 1d 118

Hình 4.11 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1d 118

Hình 4.12 Phương án 1e 119

Hình 4.13 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1e 119

Hình 4.14 Phương án 2a 119

Hình 4.15 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2a 119

Hình 4.16 Phương án 2a1 120

Hình 4.17 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2a1 120

Hình 4.18 Phương án 2b 120

Hình 4.19 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2b 120

Hình 4.20 Phương án 2c 121

ix

Hình 4.21 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c 121

Hình 4.22 Phương án 2c1 121

Hình 4.23 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c1 121

Hình 4.24 Phương án 2c2 122

Hình 4.25 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c2 122

Hình 4.26 Phương án 2c3 122

Hình 4.27 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c3 122

Hình 4.28 Phương án 2c4 123

Hình 4.29 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c4 123

Hình 4.30 Phương án 2c5 123

Hình 4.31 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c5 123

Hình 4.32 Phương án 2c6 124

Hình 4.33 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c6 124

Hình 4.34 Phương án 2c7 124

Hình 4.35 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c7 124

Hình 4.36 Phương án 2d 125

Hình 4.37 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2d 125

Hình 4.38 Phương án 2e 125

Hình 4.39 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2e 125

Hình 4.40 Phương án 2g 126

Hình 4.41 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2g 126

Hình 4.42 Phương án 2h 126

Hình 4.43 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2h 126

Hình 4.44 Phương án 3g toàn tuyến 127

Hình 4.45 Diễn biến đường bờ tháng 12/2013 mô phỏng phương án 3g toàn tuyến 127

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các loại cấu trúc và nhiệm vụ của công trình bảo vệ bãi biển [4] 10Bảng 1.2 Nguyên nhân xói lở bờ biển [3] 11Bảng 2.1 Bảng thống kê cao độ và tọa độ các trạm đo hải văn trong tháng 05/2013 45Bảng 2.2 Bảng thống kê cao độ và tọa độ các trạm đo hải văn trong tháng 12/2013 46Bảng 2.3 Vị trí lấy mẫu trầm tích và đường kính hạt D50 dọc bãi biển 49Bảng 2.4 Kết quả giải đoán mặt cắt ngang bãi cho một số ngày điển hình mùa hè 57Bảng 2.5 Kết quả giải đoán mặt cắt ngang bãi cho một số ngày điển hình mùa đông 58Bảng 2.6 Lượng cát thay đổi dọc bờ dài 400m theo thời gian tính từ cao độ 0.9m đến 1.6m (tính cho cơn bão Nari) 62Bảng 2.7 Lượng cát thay đổi dọc bờ dài 400m theo thời gian tính từ cao độ 0.88m đến 1.4m (tính cho cơn bão Haiyan) 63Bảng 3.1 Kết quả tính toán độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát 97Bảng 3.2 So sánh kiểm tra độ sâu Dc tính từ công thức (3-7) và Dc xác định từ mặt cắt

số liệu đo sâu tháng 5/2013 102Bảng 3.3 Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát xác định theo các công thức 102Bảng 3.4 So sánh đường bờ tháng 12/2013 giữa kết quả đo bằng máy toàn đạc và kết quả mô phỏng từ mô hình 105Bảng 4.1 Tổng hợp các phương án thiết kế 115

xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ

ADCP Acoustic Doppler Current Profiler (Thiết bị đo các yếu tố

thủy động lực học) Bãi biển Trần Phú Bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang dọc đường Trần

Phú dài 4,5km từ cầu Trần Phú đến công viên Bạch Đằng

Đề tài Nghị định thư: Đề tài Nghị định thư cấp nhà nước hợp tác giữa Việt Nam

và Cộng hòa Pháp “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”

Dc Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát (Depth of closure)

DGPS Hệ thống Định vị Toàn cầu vi sai (Differential Global

Positioning System) EOF Empirical Orthogonal Function-Hàm trực giao thực nghiệm GIS Hệ thông tin địa lý (Geographic Information System)

GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) GCP Tọa độ điểm khống chế mặt đất (Ground Control Points)

Engineering and Research (Hiệp hội Quốc tế Nghiên cứu Công trình Môi trường thuỷ)

SMS Surfacewater Modeling System - Hệ thống mô hình nước

mặt

xii

NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration - Trung

tâm nghiên cứu biển và khí quyển Mỹ Tombolo Bãi nối hay doi cát hoặc mũi nhô hẹp nối liền một hòn đảo

với đất liền

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam với lịch sử ngàn năm văn hiến, có bờ biển dài 3260km, là một quốc gia nằm trong số các nước trên thế giới có chỉ số cao nhất về chiều dài bờ biển, mở ra 3 hướng Đông, Nam và Tây; có vùng biển và thềm lục địa lớn gấp 3 lần diện tích đất liền và hơn 3.000 hòn đảo lớn, nhỏ, gần bờ và xa bờ, chạy suốt từ vịnh Bắc Bộ tới vịnh Thái Lan, đã đưa nước ta trở thành nước có vị thế về biển vô cùng quan trọng trong khu vực Bên cạnh nguồn lợi thủy hải sản rất phong phú và đa dạng với nhiều loài quý hiếm và có giá trị kinh tế cao, bờ biển nước ta có khoảng 94 bãi tắm tự nhiên với danh lam thắng cảnh đẹp với những bãi cát dài, phong cảnh sơn thủy hữu tình, là điều kiện

lý tưởng cho du lịch, trong đó có nhiều bãi biển nổi tiếng trên thế giới, được mệnh danh là "Thiên đường nghỉ dưỡng" Lợi thế ven biển rất lớn nhưng hàng năm vùng ven biển nước ta luôn phải hứng chịu nhiều thiên tai như bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa, triều cường, nước dâng gây xói lở, bồi lấp cửa sông và bờ biển làm mất dần không gian bãi biển, phá hủy nhiều công trình dân sinh kinh tế, phá vỡ cấu trúc hệ sinh thái ven biển, gây không ít khó khăn cho người dân và các hoạt động sản xuất, an ninh quốc phòng, phát triển kinh tế đất nước Trong những năm gần đây, các hiện tượng thời tiết cực đoan xẩy ra càng ngày càng dữ dội với xu hướng gia tăng cả về tần suất lẫn cường độ, cùng với việc khai thác tài nguyên ngày càng nhiều nên hiện tượng xói

lở - bồi tụ ở nhiều khu vực ven biển và cửa sông đang ở mức báo động

Là một tỉnh ven biển Nam Trung Bộ Việt Nam, Khánh Hòa có bờ biển kéo dài khoảng 385km, miền bờ biển bị đứt gãy tạo ra nhiều đầm, vịnh nổi tiếng như Cam Ranh, Vân Phong, Nha Trang Trong đó, vịnh Nha Trang đứng thứ 29 của thế giới và đứng thứ 2 của châu Á trong câu lạc bộ các vịnh đẹp nhất thế giới Với thế mạnh vốn có, hàng năm tỉnh Khánh Hòa đón hàng triệu khách du lịch trong nước và Quốc tế, đã mang lại nguồn lợi không nhỏ cho nền kinh tế của đất nước

Tuy nhiên, bờ biển của thành phố Nha Trang cũng như của Việt Nam hiện đang phải đối mặt với áp lực dân số, phát triển đô thị, giao thông, du lịch, khai thác trầm tích quá

nhiều… đã làm hạn chế sự phục hồi của bãi biển, xói bồi ven bờ nghiên

biến bờ biển ngày càng ph

đường bờ nghiêm trọng, b

Làng và môi trường sinh thái biển

san hô bị chết (Hình 1)

Khi xây dựng cầu Trần Phú trên sông Cái và kè bảo vệ bờ tr

Hòa để cải tạo môi trường

UBND tỉnh bị thu hẹp không còn bãi

ba đường Lê Lợi - Trần Phú

bị thu hẹp, đường bờ biển

đơn cử như mặt cắt ngang ngã ba

sâu vào 9m từ năm 2006 đ

xỉ 4% (Hình 3.a), bãi bi

càng lớn, gây nguy hiểm cho ng

Hình 2 Cửa sông Cái tr

a Bãi san hô chết đã làm ảnh h

Hòn Chồng (chụp24

Hình 1 Bãi bi

2

ạn chế sự phục hồi của bãi biển, xói bồi ven bờ nghiên

phức tạp Hậu quả rõ nét đã phản ánh thông qua sự thay bãi biển bị thu hẹp không còn bãi khi xây dựng kè lấn biển Ba ờng sinh thái biển đang ngày càng bị ô nhiễm dẫn

ựng cầu Trần Phú trên sông Cái và kè bảo vệ bờ trước UBND tỉnh

ờng cửa sông Cái, mở rộng đường Trần Phú

ị thu hẹp không còn bãi Bãi biển trung tâm thành ph

ần Phú đến cầu cảng Vinpearl cũng đang trong tờng bờ biển đang dần dần tiến về phía bờ kè đường Trần Phú (

ặt cắt ngang ngã ba đường Nguyễn Chánh - Trần Phú

ăm 2006 đến tháng 5/2013 và độ dốc trung bình , bãi biển về phía cầu cảng Vinpear có độ dốc trung bình

ểm cho người dân tắm biển

ửa sông Cái trước và sau khi có cầu Trần Phú (Ngu

ảnh hưởng phong cảnh

24/05/2013)

b Bãi san hô chết dài 200m phía tr

sạn VDB (chụp15/

Bãi biển bị suy thoái sau khi lấn biển khu vực Ba Làng

ạn chế sự phục hồi của bãi biển, xói bồi ven bờ nghiên trọng, diễn

ản ánh thông qua sự thay đổi

ển bị thu hẹp không còn bãi khi xây dựng kè lấn biển Ba

ẫn đến hàng loạt bãi

ớc UBND tỉnh Khánh ờng Trần Phú thì bãi biển trước trung tâm thành phố Nha trang từ ngã

đang trong tình trạng dần dần ờng Trần Phú (Hình 3.b),

ần Phú đường bờ đã tiến trung bình đáy biển gần bờ xấp

ốc trung bình đáy biển

3

Trong những năm gần đây, ngành du lịch - ngành "Công nghiệp không khói" đã được

sự quan tâm đầu tư phát triển mạnh, cùng với nhu cầu cấp thiết của người dân thì ngành du lịch Việt Nam nói chung và du lịch tại Nha Trang đã gây sức ép cho các bãi tắm trung tâm thành phố Nha trang ngày càng quá tải và tồn tại nhiều bất cập Từ các phân tích hiện trạng cho thấy bãi tắm hiện có ở trung tâm thành phố cần được bảo vệ, cải tạo, khắc phục tồn tại hiện có để bãi biển Nha Trang ngày càng đẹp hơn và tạo ấn tượng cho khách du lịch trong nước và Quốc tế

Nghiên cứu bảo vệ bãi tắm hiện có và cải tạo các bãi tắm đang bị suy thoái để hình thành các bãi tắm mới cần phải nghiên cứu đầy đủ, tiến hành luận chứng kinh tế-kỹ thuật-môi trường và xã hội, làm cơ sở cho việc quy hoạch, lập dự án đầu tư Đề tài

a Mặt cắt ngang vị trí ngã 3 đường Nguyễn Chánh và Trần Phú

- - - - Đường bờ năm 2006

(trước khi có cầu Trần Phú)

−−− Đường bờ tháng T5/2013 (sau khi có cầu Trần Phú)

b Đường bờ bãi biển Nha Trang và vị trí mặt cắt ngang Hình 3 Thực trạng bãi biển Nha Trang năm 2006 và tháng 5/2013

4

Nghị định thư Việt Nam - Cộng hòa Pháp “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” do PGS.TS Nguyễn Trung Việt chủ trì, thực hiện trong các năm 2013-2014 đã luận chứng sự cần thiết và cấp bách trong việc cải tạo và tôn tạo bãi tắm biển thành phố Nha Trang, đưa ra các định hướng về Khoa học - Công nghệ cho vấn đề này [1] Luận

án Tiến sĩ của Nguyễn Việt Đức (bảo vệ thành công tại trường Đại học Thủy lợi vào cuối 2016) cũng có nội dung liên quan đến các vấn đề về cải tạo bãi tắm Nha Trang, nhưng chỉ hạn chế trong một khu vực nhỏ là bãi tắm Xương Huân [2]

Do khoa học - công nghệ biển là lĩnh vực rộng lớn, khó khăn và phức tạp, một vài

nghiên cứu chưa thể giải quyết hết mọi vấn đề Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu diễn biến đường bờ biển và giải pháp công trình để bảo vệ bãi biển thành phố Nha Trang" tiếp tục định hướng của đề tài nghị định thư mà bản thân tác giả trực tiếp tham

gia, đi sâu khai thác đầy đủ hơn các số liệu thực đo, là mảng chuyên đề do tác giả phụ trách, sử dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại để lý giải cơ chế diễn biến theo mùa của bãi biển 4,5km dọc đường Trần Phú và đề xuất sơ đồ bố trí công trình hợp lý nhằm bảo vệ bãi biển không bị xói sâu về phía bờ kè đường Trần Phú

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định được các tham số ảnh hưởng đến diễn biến đường bờ biển trung tâm thành phố Nha Trang như: chiều cao sóng vỡ, độ sâu giới hạn chuyển động bùn cát và dự báo đường bờ biển theo không gian và thời gian

- Đề xuất được sơ đồ bố trí hệ thống công trình hợp lý để ổn định hình thái bãi tắm thành phố Nha Trang, cải thiện chiều rộng và độ dốc bãi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Chiều cao sóng vỡ vùng gần bờ;

- Diễn biến đường bờ biển trung tâm thành phố Nha Trang

3.2 Phạm vi nghiên cứu

4.2 Phương pháp nghiên cứu

Tác giả đã phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các nghiên cứu có liên quan đến luận án, tìm ra những vấn đề khoa học của các nghiên cứu trước đây chưa đề cập hoặc

đề cập chưa đầy đủ, từ đó tiến hành nghiên cứu dựa vào các phương pháp:

- Phương pháp nghiên cứu từ số liệu thực đo;

Hình 4 Phạm vi nghiên cứu

6

- Phương pháp phân tích ảnh từ video-camera;

- Phương pháp phân tích EOF (Empirical Orthogonal Function - Hàm trực giao thực nghiệm);

- Phương pháp mô hình toán;

- Hệ thông tin địa lý (GIS- Geographic Information System)

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu diễn biến bãi biển liên quan đến những vấn đề cơ học chất lỏng (nước biển), chất rắn (bờ biển, công trình) và chất rời (bùn cát) Các lĩnh vực cơ học đó đứng riêng đã rất phức tạp và khó khăn khi nghiên cứu, trong khi tại vùng gần bờ, các yếu tố này lại tương tác với nhau trong một hệ thống không gian và thời gian luôn biến đổi sẽ càng khó khăn phức tạp trong nghiên cứu hơn Hàng thế kỷ nay, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu và giải quyết các vấn đề khó khăn và phức tạp đó để phục vụ cho các yêu cầu của thực tế từng ngành, từng vùng miền Hiện nay và trong thời gian sau này, khoa học-công nghệ biển vẫn còn rất nhiều vấn đề để các nhà nghiên cứu tìm hiểu và giải quyết Trong luận án này đã thừa kế một số nội dung khoa học đã được nghiên cứu trước đây, tiến hành nghiên cứu các đặc tính theo đặc thù địa phương của bãi biển Nha Trang, từ đó đưa ra giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Trong luận án đã trình bày diễn biến đường bờ trong thời gian 3 năm được phân tích từ ảnh video-camera, đây là số liệu đầu vào rất quan trọng cho phương pháp phân tích EOF, đây là công cụ còn mới trong nghiên cứu biển ở Việt Nam Kết quả thu được là phương trình dự báo diễn biến đường bờ theo không gian và thời gian theo chu kỳ năm của bãi biển trước UBND tỉnh Khánh Hòa

Tác giả đã sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát Dc từ các số liệu đo sâu tại các mặt cắt ngang theo thời gian Đây là phương pháp mà ở Việt Nam ít sử dụng do thiếu số liệu đo sâu Kết hợp với chiều cao sóng vỡ được phân tích từ ảnh video-camera, đây là thông số mà hiện nay do nhiều điều kiện khách quan như: nhân lực, thiết bị, điều kiện đo rất ít được triển khai đo đạc Từ đó,

7

tác giả sử dụng mô hình biến đổi đường bờ (lý thuyết one-line) để xác định diễn biến đường bờ theo thời gian trong khu vực nghiên cứu để đề xuất các giải pháp công trình nhằm khắc phục các tồn tại của bãi biển Trung tâm thành phố Nha Trang

6 Cấu trúc của luận án

Nội dung luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về diễn biến bãi biển và công trình bảo vệ bãi biển

Chương 2: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả nghiên cứu về diễn biến đường bờ tại bãi biển trung tâm Thành phố Nha Trang

Chương 4: Đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang

8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN BÃI

BIỂN VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN

1.1 Khái niệm chung

1.1.1 Khái niệm bãi biển

Khu vực bị ảnh hưởng trực tiếp những tác động mạnh mẽ của đại dương lên đất liền là bãi biển và vùng ven bờ, vị trí thể hiện tương tác của thủy triều, sóng, gió lên đất liền

là đường bờ biển Một đặc điểm động lực học của các bãi biển và hệ thống vật lý gần

bờ đã ảnh hưởng trực tiếp đến đường bờ biển là sự chuyển động của các trầm tích ở khu vực ven biển do sóng và dòng chảy Vận chuyển trầm tích ven biển được chia thành 2 loại cơ bản: vận chuyển song song với bờ (vận chuyển dọc bờ) và vận chuyển vuông góc với bờ (vận chuyển vùng gần bờ ra ngoài khơi) Quá trình vận chuyển trầm tích từ vùng gần bờ ra ngoài khơi phụ thuộc chủ yếu vào độ dốc của sóng (tỉ số giữa chiều cao sóng và bước sóng), kích thước phù sa, và độ dốc bãi biển Khi độ dốc sóng lớn sẽ vận chuyển trầm tích từ bờ ra ngoài khơi và khi độ dốc sóng thấp chu kỳ dài thì

sẽ vận chuyển trầm tích từ ngoài khơi vào gần bờ Quá trình vận chuyển trầm tích dọc

bờ là do tác động của sóng vỡ làm trầm tích bị khuấy động, sau đó chuyển động theo hướng dọc bờ bởi các thành phần của năng lượng sóng và dòng chảy dọc bờ được tạo bởi sóng vỡ [3]

Hình dạng mặt cắt ngang bãi biển, được định nghĩa là hình dạng của mặt cắt ngang lấy theo phương vuông góc với đường bờ, nói chung gồm bốn khu vực là: khu vực ngoài khơi, khu vực gần bờ, khu vực bãi và khu vực bờ biển Khái niệm chung của vùng ven biển (Coastal area) là một bãi cát dài, thẳng với cồn cát có thảm thực vật (Hình 1.1 ) [3], [4] bao gồm:

- Bãi phía sau: giới hạn từ phần nước cao đến giới hạn trên cùng về phía đất liền của sóng

- Bãi phía trước (mặt bãi): phần bãi nằm trên ranh giới giữa mực nước cao và mực nước thấp khi sóng dồn lên bờ biển và khi sóng rút ra khỏi bờ

- Thềm gần bờ có độ dốc thoải và đáy biển có độ dốc lớn

9

Đây là khái niệm chung với đa số bãi biển, nhưng không phải đúng hoàn toàn với một

số bãi biển có điều kiện bất thường: không phải tất cả các khu vực ven biển là cát, một

số khu vực ven biển là đất sét có dốc lớn hoặc là những mũi đá nhô ra phía biển, một

số nơi khác là lớp bùn đất ngập nước nông hay đầm lầy rậm rạp

Đường bờ biển thường được định nghĩa là đường ranh giới, nơi giao thoa giữa đất liền

và đại dương (Hình 1.1), tương ứng với sự dao động mực nước do hiện tượng thủy triều, ranh giới này cũng sẽ dịch chuyển sâu vào trong đất liền hoặc xa ra phía biển Trong một thời đoạn nhất định, đường bờ là đường mép nước trung bình của thủy triều.Vị trí chính xác của đường bờ sẽ phụ thuộc trực tiếp vào trạng thái của thủy triều, điều kiện sóng tại đó và độ dốc của bãi biển [5]

1.1.2 Khái niệm công trình bảo vệ bãi biển

Công trình bảo vệ bãi biển được sử dụng trong các dự án bảo vệ bãi biển với mục tiêu ngăn ngừa xói mòn bờ biển và ngập lụt của vùng nội địa, bao gồm: bảo vệ bờ chống sạt lở, tạo bãi tắm, cải tạo cảnh quan, ổn định luồng lạch vùng cửa sông ven biển, bảo

vệ các cửa sông, cửa lấy nước và bến cảng [4] Tổng quan về các loại khác nhau và ứng dụng của các loại kết cấu ven biển được đưa ra trong Bảng 1.1

Hình 1.1 Mặt cắt ngang điển hình của bãi biển [3]

10

Bảng 1.1 Các loại cấu trúc và nhiệm vụ của công trình bảo vệ bãi biển [4]

Đê biển (Sea dike)

Bảo vệ, ngăn ngừa hoặc làm giảm bớt ngập lụt do nước biển của vùng đất trũng

Ngăn cách đất liền và biển bằng cấu

Gia cố thêm cho bãi biển để phá sóng, tăng chiều cao bờ không cho

nước tràn qua

Kè bảo vệ bờ

(Revetment)

Bảo vệ bờ biển không bị xói

mòn Gia cố thêm cho bãi biển Vách ngăn (Bulkhead)

Bảo vệ chân hoặc ngăn chặn trượt đất và chống lại sóng, bảo vệ vùng đất không lụt

Gia cố bờ đất Đập mỏ hàn (Groin) Ngăn chặn xói mòn bãi biển Giảm bớt vận chuyển bùn cát dọc bờ

Tiêu hao năng lượng sóng, giảm tác động sóng sau công trình, phản xạ năng lượng sóng về phía biển

Đê phá sóng tách rời

(Detached breakwater) Ngăn chặn xói mòn bãi biển

Giảm bớt chiều cao sóng ở phía sau

và giảm vận chuyển bùn cát dọc bờ

Đê ngầm phá sóng

(Submerged sill) Ngăn chặn xói mòn bãi biển

Giảm di chuyển trầm tích ra phía

ngoài khơi Rạn nhân tạo (Reef

breakwaters) Ngăn chặn xói mòn bãi biển

Phá sóng, tiêu hao năng lượng và giảm tác động của sóng khúc xạ và

nhiễu xạ

Beach drain Ngăn chặn xói mòn bãi biển Tích tụ vật liệu bãi biển ở phạm vi

thủy triều Nuôi bãi và đụn cát

(Beach nourishment and

Đê phá sóng nổi

(Floating breakwater)

Phá sóng có chế độ sóng có kỳ ngắn của: khu neo đậu, cảng,

do bão (Storm surge

11

Trước khi áp dụng công trình bảo vệ bờ biển, điều quan trọng là phải xác định và nghiên cứu được cả nguyên nhân ngắn hạn và dài hạn dẫn đến xói lở bờ biển (Những nguyên nhân xói lở bờ biển được thống kê trong Bảng 1.2), nếu không thì có thể dẫn đến việc thiết kế và bố trí các biện pháp bảo vệ bờ biển sẽ thúc đẩy thêm quá trình xói

lở, bồi lấp trong khi mục tiêu đặt ra ban đầu là cần phải giảm bớt xói lở, bồi lấp

1.2 Tổng quan nghiên cứu diễn biến bờ biển trên thế giới

Sự phát triển của hình thái ven biển gây ra bởi hệ thống các quá trình vật lý phức tạp hoạt động trên một phạm vi rộng về quy mô không gian và thời gian Do đó, việc xác định và phân tích các xu hướng trong quá trình biến đổi hình thái ven biển có tầm quan trọng rất lớn trong nghiên cứu, lập kế hoạch và thiết kế công trình ven biển Quá trình quy hoạch và thiết kế các dự án kỹ thuật ven biển và quản lý lâu dài của khu vực ven biển đòi hỏi phải có kiến thức cơ bản của các diễn biến hình thái bãi biển có khả năng

sẽ xảy ra khi có công trình Vì vậy, trước khi lập kế hoạch nghiên cứu và thiết kế rất cần thiết cần phải nghiên cứu về biến động bãi biển được thể hiện trực quan là diễn biến của đường bờ khi có công trình là rất cần thiết

Bảng 1.2 Nguyên nhân xói lở bờ biển [3]

Mực nước biển dâng Lún sụt đất từ việc loại bỏ các nguồn tài nguyên dưới

mặt đất: khai thác nước ngầm, dầu, ga, than đá

Thay đổi trầm tích cung cấp cho khu

duyên hải: hạn hán hoặc lũ lụt sẽ làm thay

đổi lượng bùn cát từ sông ra biển

Gián đoạn của vật liệu trong giao thông vận tải: nạo

vét cửa sông, luồng lạch

Sóng bão Giảm trầm tích cung cấp cho khu vực ven biển: xây

dựng đập dâng, hồ chứa Sóng mang theo bùn cát từ đất liền ra

Phân loại trầm tích biển: kích thước, đặc

tích của trầm tích dưới tác dụng của sóng Loại bỏ các vật liệu của bãi: khai thác khoáng sản

12

Để nghiên cứu những vấn đề khó khăn, phức tạp trong diễn biến bờ biển và tác động của công trình ven bờ tới bãi biển, các nhà nghiên cứu trên thế giới không thể chỉ dựa vào một vài phương pháp, mà thường sử dụng kết hợp từ nhiều phương pháp khác nhau Nhưng tựu trung, gồm phương pháp cơ bản sau: Nghiên cứu từ số liệu thực đo; Công nghệ viễn thám; Phương pháp phân tích EOF; Sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý; Hệ thông tin địa lý (GIS)

1.2.1 Nghiên cứu từ số liệu thực đo

Cho đến nay, các thiết bị đo địa hình đã có những cải tiến và hiện đại hóa, đảm bảo độ chính xác cho các số liệu đo Khi đo địa hình trên cạn đã sử dụng các thiết bị GPS độ chính xác cao: Promark, Zmax, Trimble; Kinh vĩ, toàn đạc điện tử: Topcon, Leika, Nikon để tiến hành đo đạc địa hình theo thời gian nghiên cứu

Khi đo đạc địa hình đáy biển đã sử dụng các thiết bị hiện đại bao gồm: Hệ thống định

vị vệ tinh, máy đo sâu-quét biển, hệ thống đo địa vật lý biển, thiết bị đo địa hình độ chính xác cao tích hợp DGPS với thiết bị định vị vệ tinh thu tín hiệu độ chính xác cao, các phần mềm, máy in-quét (scan) và các trang thiết bị khác

Từ số liệu đo đạc các thời điểm đo khác nhau sử dụng phương pháp GIS để trình bầy lên cùng một bản vẽ: bình đồ, các mặt cắt ngang, mặt cắt dọc để phân tích các yếu tố: diễn biến đường bờ và diện tích bồi, xói

Để đo sóng và các đại lượng động lực học ven biển đã sử dụng các thiết bị: cảm biến

áp suất (Pressure Sensor), máy đo tần số hồi âm ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), AWAC (Acoustic Wave and Current) Từ kết quả đo đạc tiến hành chỉnh biên, vẽ các đường quá trình mực nước, quá trình lưu lượng, elip thủy triều, hoa hồng gió, hoa hồng sóng…

- Ưu điểm của phương pháp: sai số thấp (tùy yêu cầu khi đo đạc và độ chính xác của thiết bị đo);

- Nhược điểm của phương pháp: đòi hỏi đầu tư lớn khi mua thiết bị, kinh phí lớn và nhân lực nhiều khi triển khai đo đạc Rất khó triển khai trong điều kiện có bão hoặc thiên tai vì nguy hiểm đến tính mạng con người và thiết bị đo

13

1.2.2 Công nghệ viễn thám

1.2.2.1 Lược sử của viễn thám

Công nghệ viễn thám xuất hiện từ thế kỷ 19, được phát triển dần dần trong khoa học từ sau Thế chiến thứ II [6] Ban đầu, được phát triển chủ yếu trong mục đích quân sự Sau đó, dữ liệu viễn thám trở nên phổ biến trong ứng dụng dân sự Trong khoảng 3 thập kỷ gần đây khi công nghệ vũ trụ đã cho ra đời các ảnh số thu nhận từ các vệ tinh thì viễn thám đã thực sự phát triển mạnh mẽ Phạm vi ứng dụng của viễn thám bao gồm khảo cổ học, nông nghiệp, lâm nghiệp, địa chất, công trình dân dụng, khí tượng học, tài nguyên nước, phòng chống thiên tai, nghiên cứu bờ biển, hải dương học v.v…

1.2.2.2 Viễn thám vệ tinh

Quá trình “chụp ảnh” từ vệ tinh thực chất là quá trình thu nhận năng lượng sóng điện

từ phản xạ hoặc phát xạ từ vật thể Thông tin có được về đối tượng trong quá trình này chính là nhờ sự khác biệt của phản ứng với sóng điện từ của các đối tượng khác nhau (phản xạ, hấp thụ hay phân tách sóng điện từ) [7]

Ngành hàng không vũ trụ Nga đã đóng vai trò tiên phong trong nghiên cứu Trái Đất từ

vũ trụ, đã được thực hiện trên các con tàu vũ trụ Meteor và Cosmos (từ năm 1961) Các bức ảnh chụp từ vệ tinh Cosmos có dải phổ trên 5 kênh khác nhau, với kích thước ảnh 18 x 18cm Tiếp đến là vệ tinh nghiên cứu trái đất ERTS (sau đổi tên là Landsat-1) LANDSAT là vệ tinh tài nguyên của Mỹ do cơ quan hàng không và vũ trụ NASA (National Aeronautics and Space Administration) quản lý Cho đến nay đã có nhiều thế hệ vệ tinh LANDSAT được nghiên cứu phát triển Hệ thống vệ tinh viễn thám SPOT do Trung tâm Nghiên cứu Không gian của Pháp chế tạo và phát triển, được phóng lên quỹ đạo lần đầu tiên năm 1986, đã đưa ra sản phẩm ảnh số thuộc hai kiểu phổ, đơn kênh với độ phân dải không gian từ 10 x 10m đến 2,5m x 2,5m, và đa kênh SPOT- XS với độ phân giải không gian 20m x 20m [8]

1.2.2.3 Viễn thám RADAR (Radio Detection And Ranging)

RADAR là hệ thống viễn thám sử dụng nguồn năng lượng riêng Hệ thống này phóng nguồn năng lượng tới địa hình và ghi lại năng lượng trở về từ địa hình và chuyển chúng thành hình ảnh RADAR thường được dùng để thành lập bản đồ che phủ đất,

14

xác định cấu trúc thảm thực vật và lập mô hình số độ cao (DEM) Các loại ảnh RADAR hay được dùng là: ERS, Envisat, Space Shutle [7]

1.2.2.4 Viễn thám LIDAR (Light Detection And Raging)

LIDAR sử dụng sóng LASER, được sử dụng phổ biến trong thu thập thông tin về mô hình số độ cao (DEM) và có thể sử dụng để đo chiều cao và cấu trúc thảm thực vật [7]

1.2.2.5 Quang trắc ảnh và chụp ảnh

Ảnh chụp từ máy bay hay khinh khí cầu là dạng đầu tiên của ảnh viễn thám Dần dần, cùng với sự phát triển của công nghệ chụp ảnh vệ tinh đã được sử dụng thêm các phương tiện chụp ảnh hồng ngoại nhiệt, rada Chụp ảnh máy bay được sử dụng trong: quân sự, nông nghiệp, quy hoạch đô thị, thành lập các bản đồ địa hình, địa chất Tùy theo các loại tỷ lệ mà các loại ảnh máy bay được chia thành từng cấp như sau [7]:

- Ảnh máy bay tỷ lệ rất nhỏ: có tỷ lệ nhỏ hơn 1/100.000, có nội dung giống với ảnh vệ tinh tỷ lệ trung bình Được sử dụng trong những vùng có độ phân cắt địa hình lớn như vùng núi cao

- Ảnh máy bay tỷ lệ nhỏ: có tỷ lệ từ 1/100.000 đến 1/35.000 Ảnh cho phép phân biệt các dạng và kiểu địa hình, các kiến trúc địa chất khác biệt nhau, phân chia được các tầng đá khác nhau, khoanh được các diện tích có lớp nước ngầm

- Ảnh máy bay tỷ lệ trung bình: có tỷ lệ từ 1/35.000 - 1/12.000 Dùng ảnh cấp này để giải đoán địa chất công trình tỷ lệ vừa và lớn Phân biệt được các lớp phủ thực vật, phân biệt các dạng địa hình vừa và nhỏ cũng như các yếu tố thuỷ văn và dùng để thành lập bản đồ địa hình cùng tỷ lệ

- Ảnh máy bay tỷ lệ lớn: có tỷ lệ từ 1/12.000 - 1/1.000 Dùng để giải đoán chính xác toàn bộ yếu tố cơ bản của địa hình, các thực vật thân gỗ và trảng cây bụi Dùng ảnh máy bay tỷ lệ lớn cho phép thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ lớn

- Ảnh máy bay tỷ lệ rất lớn: có tỷ lệ trên 1/1.000, diện chụp rất nhỏ, chủ yếu dùng trong công tác xây dựng công trình, cho phép đo đạc và nghiên cứu chi tiết diễn biến địa hình trong phạm vi nhỏ hoặc sự thay đổi địa hình đô thị, v.v

15

1.2.3 Công nghệ phân tích ảnh từ video-camera

Công nghệ phân tích ảnh từ video-camera là công nghệ phát triển từ phương pháp phân tích ảnh chụp từ máy bay Từ những năm 1930, bắt đầu có những nghiên cứu đầu tiên về diễn biến bờ biển bằng ảnh chụp máy bay (không ảnh), tuy nhiên các ảnh chụp thường không liên tục, chi phí khá tốn kém và hạn chế trong điều kiện thời tiết xấu Đến năm 1980, phòng Thí nghiệm hình ảnh ven biển (Coastal Imaging Lab – CIL) của Trường Đại học Oregon (Mỹ) đã tiến hành nghiên cứu và áp dụng thành công việc sử dụng ảnh chụp viễn thám kết hợp với quay phim để đo đạc sóng leo [9], [10]

Những năm cuối của thập niên 80, nghiên cứu ảnh video bắt đầu được sử dụng để đo

quá trình ven bờ Lippman and Holman (1989, 1990) [11] đã sử dụng video để đo biến

đổi doi cát ngầm theo không gian và thời gian Khi ảnh lấy trung bình hóa trong thời gian (timex) được nghiên cứu phân tích đã đưa đến sự phát triển của các trạm quan trắc bãi biển tự động có tên là Argus vào năm 1992

Với những ưu thế khi đo đạc yếu tố động lực ven bờ, công nghệ video-Camera đã phát

triển không ngừng Konicki và Holman (2000) [12] phân tích doi cát ngầm nằm ngang

không xác định được từ số liệu đo sâu Sóng leo và hình thái mái dốc bờ cũng được

phân tích Plant&Holman (1997) [13] Holman và Lippmann (1993) [14] đã so sách tốc

độ pha, chu kỳ, hướng tính được từ cường độ ảnh với số liệu đo trực tiếp bằng cảm

biến áp suất và kết quả tốt (tương quan phổ cao) Trong nghiên cứu của Tanaka và Nguyen (2007) [15] sử dụng công nghệ video-camera để quan trắc sự thay đổi độ rộng

của cửa sông và sự phát triển liên tục của các doi cát ở cửa sông theo thời gian

Cho tới nay, hệ thống quan trắc và giám sát bãi biển tự động Argus đã được xây dựng

ở hơn 30 bãi biển trên khắp thế giới tại các quốc gia có nền khoa học tiên tiến như Mỹ, Pháp, Hà Lan, Úc, New Zeland, Nhật Bản, Đài Loan (Hình 1.2, Hình 1.3)

Công nghệ phân tích đường bờ, các đặc trưng sóng, dòng chảy ven bờ bằng camera là phương pháp quan trắc mới, hiện đại có thể thay thế cho các phương pháp

video-đo đạc truyền thống Nó đặc biệt thích hợp để giám sát bờ biển bởi vì phương pháp này cho phép quan trắc liên tục với khoảng thời gian đo đạc rất rộng, từ vài giây đến vài năm và quy mô không gian từ mét đến km Kỹ thuật video rất hữu ích đối với

16

nghiên cứu các quá trình hải dương học ven bờ, đặc biệt hiệu quả trong điều kiện cực đoan khi xẩy ra bão và dông, khắc phục sự khó khăn đối với thiết bị đo trực tiếp gặp phải tại hiện trường: không đo được khi dòng chảy rối, bị bao phủ thiết bị cảm biến do sinh học (rong, rêu, rác ), hỏng hóc của cảm biến khi điều kiện sóng cực đoan Hệ thống quan trắc Argus bằng camera có các ứng dụng chính như sau:

- Phân tích diễn biến đường bờ và bãi biển, xác định các nguy cơ xói lở hoặc các tác động của bão đối với bãi biển;

- Nghiên cứu địa hình các bãi biển trong vùng dao động của thủy triều, từ đó xác định thể tích bùn cát bồi tụ, xói lở trên bề mặt bãi biển Giúp đánh giá những tác động của các công trình bảo vệ bờ biển tới vùng lân cận cũng như khảo sát các biến động của bãi biển theo mùa hoặc nghiên cứu các đặc trưng hình thái ven bờ như cồn ngầm, bãi triều ở các cửa sông, cửa vào các cảng;

- Nghiên cứu các yếu tố động lực ở vùng ven bờ Xác định các đặc trưng sóng ven bờ, định lượng sóng leo để đánh giá ổn định của công trình biển: tường chắn sóng, kè bảo

vệ bờ và đê chắn sóng bến cảng

Nguồn: http://argus.deltares.nl/

Hình 1.2 Vị trí các trạm quan trắc Argus bằng camera trên toàn thế giới

17

1.2.4 Phương pháp phân tích EOF

Phương pháp phân tích EOF (Empirical Orthogonal Function) hay còn gọi là hàm trực giao thực nghiệm, đây là một trong những phương pháp phân tích thống kê Phương pháp này có thể được sử dụng để khám phá cấu trúc của sự thay đổi trong một tập hợp

dữ liệu và phân tích các mối quan hệ trong một tập hợp của các biến một cách độc lập Phân tích EOF đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu EOF được phát triển để nghiên cứu các mối quan hệ theo không gian và thời gian dựa vào chuỗi

số liệu quan trắc nhất định

Kỹ thuật phân tích thống kê được giới thiệu bởi nhà khí tượng học Lorenz (1956) [16]

Kỹ thuật này được sử dụng lần đầu trong nghiên cứu bờ biển bởi Winnant và nnk (1975) [17], nghiên cứu đã đánh giá sự biến thiên của hình dạng mặt cắt ngang bãi

biển theo không gian và thời gian, sự biến thiên đó được biểu diễn bởi ba hàm riêng đầu tiên Hiện nay, rất nhiều nhà nghiên cứu đã áp dụng phương pháp phân tích EOF vào lĩnh vực hình thái ven biển nhằm miêu tả sự biến thiên của đường bờ theo cả dọc

bờ và ngang bờ [18], [19], [20] Các chuỗi dữ liệu khảo sát địa hình là số liệu đầu vào

Nguồn: http://argus.deltares.nl/

Hình 1.3 Trạm quan trắc Argus bằng camera ở Hà Lan

Từ những năm 1970, các loại mô hình số khác nhau đã được phát triển để ứng dụng trong phân tích và dự đoán sự phát triển hình thái học ven biển với từng quy mô thời

Hình 1.4 Tiếp cận mô hình theo quy mô không gian và thời gian [23]

19

gian, được tóm tắt trong Hình 1.4 Mỗi loại mô hình đại diện cho các quá trình phức tạp với một quan điểm nhất định tùy thuộc vào bản chất tự nhiên của vấn đề và mục đích nghiên cứu Dạng mô hình hai chiều và mô hình ba chiều mô phỏng các quá trình chi tiết trong phạm vi nhỏ, mô hình diễn biến đường bờ một chiều và các mô hình thay đổi mặt cắt của bãi biển được áp dụng để tính toán sự thay đổi của hình thái học gần

bờ với những phản ứng của đường bờ biển trên một khu vực cụ thể

Các công cụ mô hình toán 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều cho phép tính toán và mô phỏng các quá trình thủy động lực trong sông và ngoài biển (mực nước, dòng chảy, trường vận tốc, độ cao sóng, triều, nước dâng, vận chuyển bùn cát, trầm tích, ) một cách chi tiết và hết sức trực quan Từ những kết quả tính toán bằng các mô hình toán, cho phép nhìn nhận các quá trình động lực, hình thái ở những khu vực cửa sông ven biển một cách toàn diện hơn, đúng hiện tượng và bản chất vật lý hơn Các phần mềm mô hình toán đang được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới hiện nay là: GENESIS của Mỹ và Thụy Điển; UNIBEST, SOBEK 2D, DELFT 3D của Hà Lan; các mô hình họ MIKE của Đan Mạch; NPM, SMS của Anh; CEDAS, EFDC, FVCOM của Mỹ và TELEMAC-MASCARET của Pháp, v.v Đây đều là những mô hình rất thông dụng

và rất thích hợp để nghiên cứu các bài toán về thủy động lực học, diễn biến hình thái, trao đổi nước và truyền chất ở vùng cửa sông ven biển

Nhiều chương trình nuôi dưỡng bãi biển có một khoảng thời gian 50 năm và nhiều công trình được thiết kế để ổn định bãi biển có thể duy trì dài hơn 50 năm (ví dụ như như tường bảo vệ bờ biển) Theo đó, cần một mô hình có khả năng đáng tin cậy, mạnh

mẽ và nhanh chóng tính toán diễn biến ven biển qua nhiều thập kỷ phục vụ cho việc đánh giá của nhiều phương án quy hoạch và các giải pháp kỹ thuật lựa chọn

Sự cần thiết để tính toán sự thay đổi đường bờ biển dài hạn và so sánh kết quả của nhiều phương án kỹ thuật trong mức độ không gian và thời gian dài đã dẫn đến sử dụng rộng rãi của mô hình diễn biến đường bờ một chiều, trong đó đã chứng minh giá trị của mô hình đã thành công trong một phạm vi rộng của các dự án Mô hình diễn

biến đường bờ truyền thống được phát triển dựa trên lý thuyết ban đầu của Considére (1956) [21], đã được dần dần phát triển và cải thiện để có khả năng khái

Pelnard-quát hóa các mô tả gần như kết hợp nhiều hình dạng của các cấu trúc ven biển và bãi

20

biển, cũng như các quá trình vận chuyển ngang bờ, dòng do thủy triều và do gió, sóng nhiễu xạ do ảnh hưởng nhiều dạng cấu trúc công trình, các đường đẳng sâu trong khu vực nghiên cứu [22]; [23] Có rất nhiều mô hình diễn biến đường bờ được phát triển

từ cơ sở lý thuyết ban đầu, nhưng mô hình được ứng dụng nhiều nhất kể từ những năm

1980 phải kể đến các mô hình sau [24]:

- GENESIS (GENEralized model for SImulating Shoreline change) được phát triển bởi Hiệp hội Kỹ sư Quân đội Hoa Kỳ (United States Army Corps of Engineers - USACE) và trường đại học Lund

GENESIS hiện nay có hai phiên bản chính: Một mã nguồn chương trình được giải bằng sơ đồ sai phân ẩn; một mã nguồn chương trình được giải bằng sơ đồ sai phân hiện, đây là phiên bản phát triển đặc biệt để phân tích sự hình thành Tombolo sau khi

có công trình (GENESIS - T)

- GENCADE ((Genesis+Cascade): Trên cơ sở mã nguồn của GENESIS giải bằng sơ

đồ sai phân hiện thì Frey và nnk (2012) [25] đã phát triển mô hình GENCADE , đây là

mô hình được phát triển trên nền giao diện của mô hình SMS (phiên bản 11.1) đã cung cấp cho người sử dụng ảnh vệ tinh để tham chiếu khi mô phỏng công trình

- UNIBEST (UNIform BEach Sediment Transport): được phát triển bởi viện nghiên cứu Delftares

- LITPACK (integrated model for LITtoral Processes And Coastline Kinetics) được phát triển bởi viện DHI (Delft Hydraulics Institute) - Hà Lan

Trong 3 mô hình trên thì mô hình UNIBEST VÀ LIPACK là mô hình tính với 2 chiều: ngang bờ và thẳng đứng theo độ sâu; mô hình LIPACK không có được xu thế biến đổi đường bờ, mô hình UNIBEST chưa tính toán được nhiễu xạ nội bộ; Mô hình GENCADE với ưu thế là tính toán cho trường hợp nạo vét, hút cát vùng cửa sông và khắc phục những nhược điểm của UNIBEST và LIPACK Do vậy, tác giả sử dụng mô hình GENCADE để nghiên cứu các phương án công trình

Trong mô hình diễn biến đường bờ thì chiều cao sóng vỡ và độ sâu vận chuyển bùn cát

là các đại lượng quan trọng trong phân tích thông số đầu vào của mô hình

21

1.2.5.2 Tổng quan nghiên cứu chiều cao sóng vỡ [5]

Khi chuyển động từ ngoài khơi vào gần bờ, sóng trải qua rất nhiều quá trình biến đổi (biến dạng) khi lan truyền Quá trình biến dạng sóng này tương ứng với sự biến đổi của địa hình đáy biển hoặc khi sóng gặp phải các chướng ngại vật trên đường truyền sóng như các công trình ở ven bờ Tại vùng nước sâu, các sóng lừng có dạng hình sin với đỉnh sóng thấp và tròn Ngay khi sóng đi vào vùng nước nông, vận tốc và chiều dài sóng sẽ giảm dần khi chiều cao sóng tăng dần, chỉ có chu kỳ sóng là không thay đổi (Hình 1.5a) Tại độ sâu nước gần vùng sóng vỡ, chuỗi sóng bao gồm một dãy các sóng

có đỉnh nhọn được ngăn cách bởi các bụng sóng tương đối phẳng Khi đỉnh sóng trở nên quá dốc, và mất ổn định, lúc này các sóng sẽ bị vỡ (Hình 1.5b) Chiều cao sóng vỡ

về cơ bản có thể lớn hơn chiều cao sóng ở nước sâu Sự biến dạng sóng khi có sự ma sát với đáy trong quá trình di chuyển tới sát bờ, dễ nhận thấy nhất đối với những sóng lừng có chu kỳ dài, với hình dạng ban đầu của sóng gần với hình sin Các sóng có chu

kỳ ngắn hình thành mang tính cục bộ, thường có độc dốc sóng lớn ngay khi hình thành

ở vùng nước sâu, do đó mà quá trình biến dạng sóng thường khó nhận thấy hơn

Hiện tượng thay đổi độ cao của sóng do có sự thay đổi độ sâu khi sóng biển truyền từ ngoài khơi vào ven bờ được gọi là hiệu ứng nước nông Mặc dù, lời giải về chuyển động sóng trên một mái dốc đã có, nhưng rất phức tạp và hiếm khi được sử dụng Cách tiếp cận đơn giản nhất được dùng với trạng thái của sóng là giả thiết trong điều kiện

a Quá trình lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào vùng nước nông

b Quá trình truyền sóng từ vùng nước nông và khi sóng vỡ Hình 1.5 Quá trình lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào bờ

22

địa hình đáy biển là bằng phẳng, áp dụng lý thuyết sóng biên độ nhỏ của Airy, rút ra phương trình sau:

2 / 1

0 0

0

2tanh

h C

C L

2 / 1

2sinh

212

trong đó: H (m) và L (m): là chiều cao sóng và chiều dài sóng tại điểm có độ sâu nước

h (m) H0 (m) và L0 (m) là chiều cao sóng và chiều dài sóng vùng nước sâu

Khi các sóng chuyển động tới gần bờ theo hướng xiên góc với các đường đồng mức ở đáy biển, với giả thiết là các đường đồng mức là song song với đường bờ, sẽ bị uốn gần như vuông góc với đường bờ tại thời điểm sóng vỡ và chiều cao sóng cũng sẽ thay đổi một cách tương ứng Hiện tượng này được gọi là khúc xạ sóng

Khi sóng biển gặp phải một chướng ngại vật, ví dụ như một đê chắn sóng trên đường lan truyền, vật gây cản một phần đỉnh sóng sẽ làm tiêu tán năng lượng sóng hoặc gây phản xạ năng lượng sóng, phần còn lại của con sóng sẽ truyền qua vật cản và bị uốn cong vào vùng khuất sóng phía sau Khi các sóng truyền qua vật cản giao thoa với các sóng tới sẽ tạo thành hiện tượng nhiễu xạ sóng

Năng lượng sóng, được tích lũy trên một vùng bờ biển rộng, khi đi tới dải sóng vỡ ở gần bờ sẽ được giải phóng Phần lớn năng lượng sóng sẽ tiêu tán do hiện tượng sóng

vỡ xảy ra ở gần bờ, tại thời điểm sóng vỗ lên các vách đá hoặc lên trên bãi cát Đây là nguồn năng lượng quan trọng nhất, hơn tất cả các nguồn năng lượng khác có tác dụng tới vùng bờ biển; và là nguyên nhân chính tạo nên dòng chảy ở gần bờ và vận chuyển trầm tích, cũng như tham gia vào quá trình khống chế sự diễn biến hình thái bờ biển Theo lý thuyết sóng tuyến tính của Airy, các sóng biên độ nhỏ sẽ mất ổn định và vỡ khi chỉ số sóng vỡ (chỉ số Iribarren) b = Hb/hb (Hb: là chiều cao sóng vỡ; hb: độ sâu tại điểm sóng vỡ) đạt tới giá trị giới hạn, mặc dù độ lớn của giá trị giới hạn này (b) vẫn còn gây nhiều tranh cãi về giá trị chính xác của nó (nằm trong khoảng từ 0,73 đến 1,03) Giá trị thực đo của giới hạn sóng vỡ b của các sóng biên độ nhỏ được tiến hành trên các máng sóng trong phòng thí nghiệm cho thấy dao động rất lớn, và phụ thuộc

23

chủ yếu vào độ dốc của bãi biển (Ippen and Kulin (1954) [26] ; Kishi and Saeki (1966)

[27]) Giá trị giới hạn của b khi sóng vỡ phụ thuộc vào cả độ dốc bãi biển và độ dốc của sóng ở vùng nước sâu Với một con sóng có độ dốc sóng đã biết, độ dốc bãi biển càng lớn thì giá trị của b càng cao tại thời điểm sóng vỡ Các nghiên cứu gần đây của

Kaminsky and Kraus (1993) [28] trên cơ sở xem xét 17 tập số liệu thu được qua một

loạt nghiên cứu khác nhau trong phòng thí nghiệm đã đưa ra công thức kinh nghiệm:

27 , 0 020,

trong đó: 0 là chỉ số sóng vỡ ở vùng nước sâu

Một số ứng dụng khác lại cần tính toán chiều cao sóng vỡ từ các tham số sóng nước sâu mà không cần xét tới toàn bộ quá trình biến dạng sóng và hiệu ứng nước nông

Công thức dạng này được Munk (1949) [29] đề xuất trước tiên với giả thiết coi thông

lượng sóng (energy flux) tại vùng sóng vỡ và thông lượng sóng tại vùng nước sâu là như nhau Munk ứng dụng lý thuyết sóng đơn tại vùng sóng vỡ với giới hạn sóng vỡ

b = Hb/hb = 0,78 và sử dụng lý thuyết sóng của Airy để tính toán mạch động năng lượng sóng ở vùng nước sâu, từ đó đưa ra tương quan giữa chiều cao sóng vỡ Hb tương ứng với chiều cao sóng H0 ở vùng nước sâu và độ dốc sóng ở vùng nước sâu H0/L0.:

 1 / 3 0 0

0 3,3 /

1

L H H

H b

Komar and Gaughan (1972) [30] cũng đã kiểm chứng lý thuyết sóng Airy khi dự báo

chiều cao sóng vỡ, mặc dù trong thực tế thì lý thuyết sóng Airy không thể ứng dụng được trong điều kiện này Trị số của giới hạn sóng vỡ b , được xác định từ các quan trắc ngoài thực địa chứ không được lấy bằng 0,78 theo lý thuyết sóng biên độ nhỏ như phương pháp của Munk đã trình bày ở trên Từ các đánh giá về mạch động năng lượng

ở vùng nước sâu và tại vùng sóng vỡ theo lý thuyết sóng Airy, Komar and Gaughan đã

đi đến phương trình:

 1 / 5 0 0

365,0

L H H

H b

Lúc này chiều cao sóng vỡ là hàm của độ dốc sóng với số mũ 1/5; khác với chỉ số mũ 1/3 trong phương trình của Munk Tương quan của Komar and Gaughan được lấy phù

24

hợp với số liệu thực đo tại thực địa và trong phòng thí nghiệm Trong công thức bán kinh nghiệm của Komar and Gaughan hằng số 0,365 là kết quả tương ứng khi đường tương quan phù hợp với các điểm thực đo nhất Phương trình Komar and Gaughan được xem như là phù hợp với toàn bộ dải giá trị của độ dốc sóng H0/L0, và cho kết quả tốt hơn so với phương trình của Munk

Có thể thấy rằng, các nghiên cứu kể trên đều có một điểm hạn chế là chỉ dựa vào các

số liệu đo đạc trong các điều kiện sóng đã bị khống chế trong phòng thí nghiệm Trong

các nghiên cứu của LeMehaute và Koh (1967) [31]; Kaminsky và Kraus (1993), tỷ số

H0/L0, có giá trị của hàm mũ lấy theo kinh nghiệm là 1/4, là giá trị trung gian giữa 2 số

mũ 1/3 và 1/5 đã nhắc tới ở phần trước Qua phân tích lại 17 tập số liệu trong phòng thí nghiệm của mình, Kaminsky và Kraus đã đưa ra một phương trình tương quan sử dụng các hệ số kinh nghiệm như sau:

 0 , 28 0 0

46,0

L H H

H b

Phương trình cho kết quả phù hợp nhất với các số liệu đo đạc hiện có trong phòng thí nghiệm, nhưng khi so sánh với các số liệu thực đo tại hiện trường của Munk (1949) thì tương quan này lại cho kết quả thiên lớn (lớn hơn khoảng 25% so thực tế), chiều cao

sóng vỡ dự báo do vậy lớn hơn trong thực tế Phương trình tương quan của Komar và Gaughan (1972) [30] được xem như là phù hợp nhất với các số liệu thực đo trong

phòng thí nghiệm và cả ngoài thực địa

Nếu loại bỏ các thành phần không thứ nguyên, phương trình Komar and Gaughan (1972) sẽ có dạng mới như sau:

 22 / 5 0 5 / 1

39,

Phương trình này biểu diễn tương quan giữa chiều cao sóng vỡ gần bờ và độ sâu nước tại vùng nước sâu H0 và chu kỳ sóng T Hằng số 0,39 là hệ số kinh nghiệm được lấy từ

đường tương quan phù hợp nhất với các số liệu thực đo của Munk (1949) [29]

Phần lớn các nghiên cứu vật lý sóng vỡ khu vực nước nông được thực hiện trong phòng thí nghiệm do phức tạp khi nghiên cứu thực địa Ngoài ra, bộ dữ liệu kết quả đo

25

đạc thường là trong không gian nhỏ ngay tại vị trí đo và có thể không chính xác do điều kiện đo bị rong rêu che phủ đầu cảm biến của thiết bị quan trắc hoặc trong thời gian đo bị nghiêng đổ thiết bị

1.2.5.3 Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát

Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát là độ sâu phía biển mà tại đó biến đổi đáy là rất

nhỏ hoặc không đáng kể trong nhiều năm (Dc) Hallermeier (1981) [32] đã chia mặt

cắt ngang bãi biển thành ba vùng: Vùng thứ nhất là vùng ven bờ mở rộng tới vị trí mà đáy biển vẫn còn chịu ảnh hưởng của sóng và dòng chảy do sóng gây ra; Vùng thứ hai

là vùng nước nông; Vùng thứ ba là vùng ngoài khơi không chịu ảnh hưởng của sóng lên bờ mặt đáy biển Vị trí chuyển tiếp giữa vùng ven bờ và vùng nước sâu là độ sâu giới hạn của vận chuyển bùn cát Dc, tại vị trí này mặc dù sóng vẫn có thể tác dụng làm bùn cát di chuyển nhưng tỉ lệ chuyển bùn cát lại rất nhỏ hoặc bằng 0 (Hình 1.6)

Birkemeier (1985) [33] và Kraus et al., (1999) [34] lại đưa ra một định nghĩa khác của

Dc đó là độ sâu phân chia vùng hoạt động của vận chuyển bùn cát ven bờ với vùng nước sâu nơi có thể bỏ quả tỉ lệ bồi xói đáy trong một khoảng thời gian nhất định

Dc là một tham số quan trọng trong thiết kế cầu tàu, đê chắn sóng, cửa sông ra biển,

tính toán lượng trầm tích, ứng dụng cơ bản trong các dự án nuôi bãi (Stive et al, (1991) [35]; Stauble et al., (1993) [36]) cũng như tính toán tổng lượng bùn cát và mô hình biến đổi đường bờ một chiều (Capobianco et al , (2002) [37]) Tuy nhiên, độ lớn của

Hình 1.6 Định nghĩa độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát (Hallermeier (1981)) [32]

26

giá trị Dc đôi khi lại phụ thuộc rất nhiều vào chuỗi số liệu quan trắc (Inman et al, (1993) [38]; Pilkey et al, (1993) [39]; Nicholls et al, (1998a) [40])

Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát Dc, có thể được xác định bằng hai phương pháp

đó là phương pháp thực nghiệm và phương pháp kinh nghiệm:

a Phương pháp thứ nhất: là phương pháp thực nghiệm: dựa vào chuỗi số liệu đo mặt

cắt ngang bờ biển trong nhiều năm ở cùng một vị trí sau đó vẽ các tập hợp đường này lên cùng một hệ trục để tìm ra vị trí ít thay đổi nhất Đối với phương pháp này thì Dc ảnh hưởng bởi quy mô thời gian và không gian Nếu quy mô thời gian càng lớn thì Dc

sẽ càng lớn (Birkemeier (1985) [33]) Biến đổi theo mùa của chế độ sóng tới sự thay đổi đáy biển cũng ảnh hưởng tới biến đổi của độ lớn Dc (Larson và Kraus (1994) [41]; Kraus et al, (1999) [34]) Để phân biệt Dc được chia thành 3 qui mô khác nhau (Hinton và Nicholls, (1998) [42]; Nicholls et al, (1998b) [43]):

- Qui mô lớn: có qui mô không gian lớn hơn 10km và qui mô thời gian cỡ thế kỷ

- Qui mô trung bình: có qui mô không gian lớn hơn 1km và qui mô thời gian cỡ năm

- Qui mô nhỏ: có qui mô không gian lớn hơn 100m và thời gian cỡ cơn bão hoặc mùa

b Phương pháp thứ hai: là sử dụng các công thức kinh nghiệm, được phát triển dựa

trên các dữ liệu thu thập được từ phương pháp đầu tiên, sử dụng một trong hai điều

kiện độ cao sóng cực trị (Hallermeier, (1978), (1981) [44] [32]) hoặc độ cao sóng ý nghĩa trung bình năm (Houston (1995) [45])

1.2.6 Phương pháp sử dụng mô hình vật lý

Sử dụng mô hình vật lý trong nghiên cứu những vấn đề về động lực học và công trình biển đa phần là những nghiên cứu trong máng sóng (Wave Flume) những bài toán phẳng, như thí nghiệm về hiệu quả giảm sóng và ổn định công trình của các đê chắn sóng, đê giảm sóng song song với bờ, kích thước mặt cắt ổn định, kết cấu của đê biển Những nghiên cứu về bố trí không gian hệ thống công trình thường được tiến hành trong bể sóng (Wave Basin)