Nghiên cứu biến động hình thái bờ đảo lý sơn và đề xuất các giải pháp đảm bảo ổn định

Tác giả xin cảm ơn tập thể Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung và Tây nguyên, đơn vị đã cung cấp các số liệu trong đề tài KC.09.15/11-15 “Nghiên cứu đánh giá biến động cực trị các yếu tố

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được tác giả ghi rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Hải

ii

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Trần Thanh Tùng - Trường Đại học Thủy lợi và TS Kiều Xuân Tuyển – Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung và Tây Nguyên, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và có những định hướng nghiên cứu khoa học giúp cho tác giả hoàn thành luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các cá nhân, cơ quan thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả được tham gia chương trình đào tạo cao học và hoàn thành khóa học, cũng như hoàn thành Luận văn cao học

Tác giả xin cảm ơn tập thể Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung và Tây nguyên, đơn vị

đã cung cấp các số liệu trong đề tài KC.09.15/11-15 “Nghiên cứu đánh giá biến động cực trị các yếu tố khí tượng thủy văn biển, tác động của chúng tới môi trường, phát triển kinh tế xã hội và đề xuất giải pháp phòng tránh cho các đảo đông dân cư thuộc vùng biển miền Trung (chủ yếu là đảo Lý Sơn, đảo Phú Quý)” để tác giả hoàn thành được Luận văn cao học của mình

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa sau đại học, Trường Đại học Thuỷ lợi đã luôn luôn giúp đỡ học viên trong việc truyền thụ kiến thức và rèn luyện con người trong thời gian học tập ở trường, để tác giả có được kết quả như ngày hôm nay

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân đã luôn ủng hộ tác giả trên con đường học tập cũng như nghiên cứu khoa học

Xin chân thành cảm ơn mọi sự giúp đỡ quí báu đó!

Hà Nội, ngày 16 tháng 03 năm 2017

Tác giả luận văn

Nguyễn Ngọc Hải

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH V DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỜ ĐẢO, DIỄN BIẾN BỜ ĐẢO VÀ GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH BỜ ĐẢO 4

1.1 Khái quát chung về nghiên cứu diễn biến bờ đảo và giải pháp bảo vệ 4

1.1.1 Khái niệm về diễn biến bờ biển 4

1.1.2 Các nguyên nhân gây xói lở bờ biển và giải pháp bảo vệ 4

1.2 Các nghiên cứu về diễn biến bờ và xâm thực đảo 6

1.2.1 Các nghiên cứu diễn biến bờ trên thế giới 6

1.2.2 Các nghiên cứu diễn biến bờ ở Việt Nam 9

1.2.3 Các nghiên cứu diễn biến bờ trên đảo Lý Sơn 11

1.3 Các giải pháp công nghệ phòng chống xâm thực sạt lở phổ biến 12

1.3.1 Giải pháp công trình 12

1.3.2 Giải pháp phi công trình 14

1.4 Kết luận chương 1 15

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC KHU VỰC ĐẢO LÝ SƠN……… 16

2.1 Giới thiệu chung về đảo Lý Sơn 16

2.1.1 Đặc điểm tự nhiên 16

2.1.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên 16

2.1.1.2 Đặc điểm khí tượng thủy hải văn 19

2.1.2 Tình hình phát triển kinh tế xã hội trên đảo Lý Sơn 21

2.1.2.1 Tình hình dân sinh 21

2.1.2.2 Tình hình phát triển kinh tế xã hội 22

2.1.2.3 Định hướng quy hoạch phát triển kinh tế xã hội 24

2.2 Nghiên cứu lựa chọn mô hình tính toán 26

2.2.1 Lựa chọn mô hình tính toán 26

2.2.2 Cơ sở lý thuyết của mô hình được lựa chọn tính toán 27

2.2.2.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình dòng chảy Mike 21 HD 27

2.2.2.2 Cơ sở lý thuyết của mô hình sóng Mike 21 SW 29

2.3 Thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy động lực 30

iv

2.3.1 Thiết lập mô hình, xây dựng miền tính, lưới tính 30

2.3.2 Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu 32

2.3.3 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy động lực khu vực đảo Lý Sơn 33

2.3.3.1 Số liệu thực đo để hiệu chỉnh, kiểm định 33

2.3.3.2 Bộ thông số mô hình 35

2.3.3.3 Hiệu chỉnh thông số mô hình thủy động lực 36

2.3.3.4 Kiểm định mô hình thủy động lực 37

2.4 Mô phỏng trường dòng chảy và xu thế vận chuyển bùn cát khu vực đảo Lý Sơn 41 2.4.1 Phân chia các đoạn đường bờ nghiên cứu 41

2.4.2 Xây dựng các kịch bản mô phỏng trường dòng chảy theo mùa 43

2.4.3 Mô phỏng trường dòng chảy và đánh giá xu thế vận chuyển bùn cát 45

2.4.3.1 Điều kiện biên tính toán 45

2.4.3.2 Kết quả tính toán 46

2.5 Kết luận chương 2 60

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG XÂM THỰC BỜ ĐẢO LÝ SƠN 62

3.1 Diễn biến xâm thực và sạt lở bờ đảo Lý Sơn 62

3.1.1 Điều tra diễn biến xâm thực và sạt lở bờ đảo 62

3.1.2 Lịch sử diễn biến bờ đảo từ kết quả phân tích ảnh viễn thám 63

3.2 Các công trình phòng chống xâm thực, sạt lở hiện có trên đảo Lý Sơn 65

3.3 Đề xuất giải pháp bảo vệ bờ 68

3.3.1 Xây dựng các tiêu chí 68

3.3.2 Giải pháp công trình 68

3.3.2.1 Giải pháp công trình bảo vệ bờ trực tiếp 69

3.3.2.2 Giải pháp công trình bảo vệ bờ gián tiếp cho một số vị trí 70

3.3.3 Giải pháp phi công trình 74

3.4 Hiệu quả mang lại sau khi xây dựng công trình bảo vệ bờ 75

3.5 Kết luận chương 3 76

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 77

1 Kết luận 77

2 Kiến nghị 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Kè lát mái bảo vệ bờ biển 13

Hình 1.2 Trồng rừng bảo vệ bờ biển 14

Hình 2.1 Vị trí địa lý đảo Lý Sơn và tỉnh Quảng Ngãi 16

Hình 2.2 Bản đồ đảo lớn Lý Sơn 17

Hình 2.3 Các dạng địa hình đảo Lý Sơn 18

Hình 2.4 Lượng mưa cực đại và trung bình tháng tại Lý Sơn (1985-2012) 20

Hình 2.5 Lượng mưa cực đại ngày theo tháng tại Lý Sơn (1985-2012) 20

Hình 2.6 Đảo Lý Sơn nhìn từ biển 21

Hình 2.7 Địa hình khu vực nghiên cứu 31

Hình 2.8 Minh họa lưới sử dụng trong mô phỏng 32

Hình 2.9 Các biên tính toán khu vực đảo Lý Sơn 32

Hình 2.10 Vị trí trạm đo mực nước trên đảo Lý Sơn 34

Hình 2.11 Quá trình mực nước giờ tại Lý Sơn (12/2012) 34

Hình 2.12 Vị trí đo đạc dòng chảy khu vực Lý Sơn 35

Hình 2.13 Biểu đồ vận tốc dòng chảy trung bình 13 tầng (17-29/12/2012) 35

Hình 2.14 So sánh mực nước giữa thực đo và trong tính toán (12/2012) 36

Hình 2.15 Độ cao sóng thực đo bằng máy AWAC (17-29/12/2012) 38

Hình 2.16 Hướng sóng chính 38

Hình 2.17 Vận tốc gió trên đảo Lý Sơn (17 - 29/12/2012) 39

Hình 2.18 Kết quả tính toán kiệm định vận tốc dòng chảy 40

Hình 2.19 Phân chia địa hình khu vực nghiên cứu 42

Hình 2.20 Vận tốc và hướng dòng chảy khu vực đảo Lý Sơn (KB1) 46

Hình 2.21 Xu thế vận chuyển bùn cát với hướng sóng NE (KB1) 47

Hình 2.22 Vận tốc và hướng dòng chảy tại phía Đông Bắc của đảo (KB1) 48

Hình 2.23 Khu vực có xu thế xói lở lớn nhất với hướng sóng NE (KB1) 48

Hình 2.24 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Tây đảo Lý Sơn (KB1) 49

Hình 2.25 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Bắc đảo Lý Sơn (KB1) 50

Hình 2.26 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Đông đảo Lý Sơn (KB1) 50

Hình 2.27 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Nam đảo Lý Sơn (KB1) 51

Hình 2.29 Khu vực có xu thế xói lở lớn nhất với hướng sóng ENE (KB2) 52

vi

Hình 2.30 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Tây đảo Lý Sơn (KB2) 53

Hình 2.31 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Bắc đảo Lý Sơn (KB2) 53

Hình 2.32 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Đông đảo Lý Sơn (KB2) 54

Hình 2.33 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Nam đảo Lý Sơn (KB2) 55

Hình 2.34 Vận tốc và hướng dòng chảy khu vực đảo Lý Sơn (KB3) 56

Hình 2.35 Xu thế vận chuyển bùn cát với hướng sóng SSE (KB3) 57

Hình 2.36 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Tây đảo Lý Sơn (KB3) 58

Hình 2.37 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Bắc đảo Lý Sơn (KB3) 58

Hình 2.38 Vận tốc và hướng dòng chảy khu vực phía Đông đảo (KB3) 59

Hình 2.39 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Nam đảo Lý Sơn (KB3) 59

Hình 3.1 Hiện trạng sạt lở trên đảo Lý Sơn 63

Hình 3.2 Biến động đường bờ đảo Lý Sơn (1965-2013) 64

Hình 3.3 Phân bố vùng biến động đảo Lý Sơn (1965-2013) 64

Hình 3.4 Kè bờ phía Tây đảo Lý Sơn 66

Hình 3.5 Kè bờ phía Đông đảo Lý Sơn 66

Hình 3.6 Kè bờ phía Nam đảo Lý Sơn 67

Hình 3.7 Sạt lở phía bờ Bắc đảo Lý Sơn 67

Hình 3.8 Các kết cấu cứng hóa bở biển 69

Hình 3.9 Kết cấu bảo vệ bờ giữ bãi 70

Hình 3.10 Kè mỏ hàn bảo vệ bờ 70

Hình 3.11 Đê ngầm chắn sóng, giảm sóng 71

Hình 3.12 Công trình tổng hợp ngăn cát, giảm sóng 71

Hình 3.13 Phân chia đoạn ứng với các giải pháp bảo vệ bờ 73

Hình 3.14 Các hình thức đề xuất bảo vệ bờ đảo 74

vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Đặc trưng thống kê tốc độ gió (trung bình và cực đại) theo tháng tại Lý

Sơn (1985 - 2012) 19

Bảng 2.2 Thống kê tốc độ gió (trung bình và cực đại) theo hướng tại Lý Sơn

(1985 - 2012) 19

Bảng 2.3 Năng lượng sóng tương đương trong năm tại vùng biển Lý Sơn 44

Bảng 2.4 Năng lượng gió tương đương trong năm tại đảo Lý Sơn 44

Bảng 2.5 Điều kiện biên sóng, gió cho các kịch bản 45 Bảng 2.6 Vận tốc dòng chảy lớn nhất tác động lên bờ đảo ứng với các kịch bản 60

viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GTSX Giá trị sản xuất

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Biển đảo Việt Nam là một phần lãnh thổ không thể tách rời của đất nước, qua nghìn năm nó luôn gắn chặt với đời sống của người dân nước Việt cả về vật chất và tinh thần Vị trí của các đảo này trong lãnh hải và cộng đồng dân cư ở đây đóng một vai trò cực kỳ quan trọng về chính trị, an ninh quốc phòng, bảo vệ chủ quyền Tổ quốc Trên các đảo có thể lập những căn cứ kiểm soát vùng biển, vùng trời của nước ta, kiểm tra hoạt động của tàu thuyền, đảm bảo an ninh quốc phòng, xây dựng kinh tế, bảo vệ chủ quyền toàn vẹn lãnh thổ của đất nước

Chính vì thế, trong những năm gần đây Chính phủ nước ta rất chú trọng vào phát triển kinh tế xã hội, quốc phòng trên các đảo tiền tiêu của đất nước Bên cạnh đó, Chính phủ cũng có nhiều chế độ ưu tiên về phát triển con người, nhân lực chất lượng cao cho các đảo, từ đó thu hút được người dân bám biển, bám đảo thiêng liêng của tổ quốc Huyện đảo Lý Sơn tỉnh Quảng Ngãi cũng chính là một đảo tiều tiêu trong số các đảo tiền tiêu của đất nước

Huyện đảo Lý Sơn của tỉnh Quảng Ngãi được tách ra từ huyện Bình Sơn của tỉnh Quảng Ngãi vào năm 1993 Đảo Lý Sơn còn có tên là Cù Lao Ré nằm trên vùng biển Đông Bắc tỉnh Quảng Ngãi, trong phạm vi 15o

22’00’’ đến 15o

23’00’’vĩ độ Bắc và

109o05’50’’ đến 109o08’20’’kinh độ Đông, cách đất liền (Cảng Sa Kỳ) khoảng 24 km; cách thành phố Quảng Ngãi 44 km về phía Đông Bắc và cách khu công nghiệp Dung Quất 37 km về phía Đông Nam Diện tích đảo vào khoảng 10,7 km2 Nằm cách đảo Lý Sơn khoảng trên 4 km về phía Bắc là đảo Bé (hay còn được gọi là Cù Lao Bờ Bãi) với diện tích khoảng 0,5 km2

Những năm gần đây đời sống của người dân trên các đảo và người dân trên đất liền có khoảng cách ngày càng được thu hẹp Lý Sơn là huyện đảo thứ ba của Việt Nam kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia vào năm 2014

2

Với sự biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn ra hiện nay, nước biển có xu thế ngày một dâng cao, bên cạnh đó tình hình thiên tai từ biển đang diễn ra ngày càng phức tạp,

cường độ và tần suất xuất hiện ngày càng lớn đe dọa đến sự ổn định của bờ đảo

Theo các tư liệu của người Pháp để lại, đảo Lý Sơn vào những năm đầu khi Pháp xâm lược có diện tích vào khoảng 20km2, nhưng cho đến nay, theo số liệu thống kê của huyện đảo thì diện tích đảo Lý Sơn hiện nay chỉ còn vào khoảng 10,7km2

; có nghĩa là đảo Lý Sơn bị xâm thực sạt lở mất đi gần một nửa diện tích trong vòng hơn một thế

kỷ

Hiện nay đường bờ biển phía Bắc đang ngày một bị sạt lở rất nghiêm trọng Do xâm thực, đường bờ đảo bị sạt lở tạo thành những vệt hình răng cưa, hình thành các rãnh lấn sâu vào bờ đất của đảo Diện tích đất ở và sản xuất trên đảo vốn đã hẹp, nay với sự xâm thực của nước biển thì diện tích đó ngày càng bị thu hẹp hơn

Để xác định rõ bản chất, nguyên nhân của sự biến động đường bờ cần nghiên cứu các quá trình thủy động lực tác động lên bờ đảo Lý Sơn Từ đó đưa ra các giải pháp hợp lý

để bảo vệ bờ đảo, hạn chế tối đa các bất lợi từ thiên nhiên

Trong quá trình học tập lớp Cao học chuyên ngành Xây dựng công trình thủy của trường Đại học Thủy lợi, tác giả nhận thấy nghiên cứu về tình hình xâm thực của nước biển trên các đảo rất phù hợp với chuyên ngành mà mình đang theo học Với tầm quan trọng và tính cấp thiết như vậy, tác giả đã lựa chọn và nghiên cứu luận văn tốt nghiệp

của mình với tên gọi: “Nghiên cứu biến động hình thái bờ đảo Lý Sơn và đề xuất các giải pháp đảm bảo ổn định”

2 Mục đích nghiên cứu

Đánh giá được hiện trạng xâm thực bờ và bãi biển khu vực đảo Lý Sơn, các tác động của hiện tượng xâm thực này đối với bờ và bãi biển khu vực đảo Lý Sơn

Đề xuất được các định hướng giải pháp bảo vệ bờ và bãi biển khu vực đảo Lý Sơn trên

cơ sở các nghiên cứu về diễn biến bờ đảo và tình hình kinh tế xã hội trên đảo

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3 1 Đối tượng nghiên cứu

3

Vùng ven bờ và bãi biển khu vực đảo Lý Sơn, chế độ thủy thạch động lực (sóng, mực nước, dòng chảy, bùn cát) khu vực đảo Lý Sơn

3 2 Phạm vi nghiên cứu

Huyện đảo Lý Sơn (đảo lớn) tỉnh Quảng Ngãi

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra thực địa, thu thập tổng hợp số liệu cơ bản về khí tượng thủy văn, hải văn, địa hình đáy khu vực đảo

- Phương pháp viễn thám và GIS, nghiên cứu diễn biến bờ đảo bằng ảnh vệ tinh, bổ sung thêm thông tin về diễn biến bờ đảo trong quá khứ

- Phương pháp mô hình toán: ứng dụng mô hình toán thủy động lực hình thái 2 chiều MIKE 21 với các mô đun sóng, dòng chảy để mô phỏng các diễn biến bờ đảo trong điều kiện hiện tại

- Phương pháp phân tích, tổng hợp, đề xuất các giải pháp bảo vệ bờ phù hợp

5 Kết quả đạt được

- Xác định được bức tranh thủy động lực (mực nước, dòng chảy) khu vực đảo Lý Sơn

- Mô phỏng được các trường dòng chảy và xu thế vận chuyển bùn cát theo mùa với các kịch bản mô phỏng đặc trưng cho khu vực đảo Lý Sơn

- Xác định được hiện trạng xói lở, bồi tụ vùng ven bờ và bãi biển khu vực đảo Lý Sơn

- Đề xuất được các giải pháp bảo vệ bờ đảo, phòng tránh các diễn biến gây xâm thực

bờ đảo và bãi biển trong tương lai tại khu vực đảo Lý Sơn

6 Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, Luận văn gồm có những nội dung chính như sau:

- Chương 1: Tổng quan về bờ đảo, diễn biến bờ đảo và giải pháp ổn định bờ đảo

- Chương 2: Mô hình hóa chế độ thủy động lực khu vực đảo Lý Sơn

- Chương 3: Đề xuất các giải pháp phòng chống xâm thực bờ đảo Lý Sơn

4

GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH BỜ ĐẢO

1.1 Khái quát chung về nghiên cứu diễn biến bờ đảo và giải pháp bảo vệ

1.1 1 Khái niệm về diễn biến bờ biển

Bờ biển luôn biến đổi một cách liên tục dưới tác dụng của sóng và dòng chảy tại nhiều phạm vi không gian và bước thời gian khác nhau Ví dụ như khi bờ biển chịu tác động của một con sóng đơn làm bùn cát ở ven bờ nổi lơ lửng trong nước và dòng chảy do sóng sinh ra sẽ vận chuyển bùn cát bị nổi lơ lửng này về phía hạ lưu của dòng chảy dọc bờ Quá trình tác động của sóng đơn này chỉ diễn ra trong vòng vài giây và có phạm vi tác động dải sóng vỡ mà thôi Nhưng khi quá trình này diễn ra liên tục trong nhiều ngày hoặc nhiều năm, nó có thể gây ra hiện tượng xói lở bờ biển kéo dài trên một vùng rộng vài trăm mét đến hàng chục kilômét Hiện tượng xói lở hoặc bồi tụ liên tục trong thời gian nhiều tháng, nhiều năm sẽ dẫn tới đường bờ bị suy thoái

Cũng có những diễn biến bờ biển đòi hỏi phải được xem xét trên một phạm vi rộng đến hàng trăm kilômét và trong khoảng thời gian hàng trăm năm, ví dụ như những quá trình thành tạo và phát triển của các đồng bằng châu thổ sông Hồng hay đồng bằng sông Cửu Long, hay quá trình phát triển, suy thoái và thay thế của các cửa sông trên một hệ thống các cửa sông đổ ra biển

Vậy quá trình diễn biến bờ biển là gì ? Nó được hiểu là các quá trình tự nhiên có tác động tới sự biến đổi hình dạng đường bờ, vùng ven bờ và được xem xét, nghiên cứu ở nhiều phạm vi không gian và thời gian khác nhau tùy thuộc vào tính chất và mức độ phát triển của các quá trình này Ví dụ như quá trình xói lở bãi biển, tại chân các đụn

cát do bão thường được xem xét trong thời gian xảy ra bão (có thể vài giờ, hoặc một ngày) nhưng quá trình tự khôi phục lại bãi biển sau đó có thể xảy ra trong một vài tháng hoặc trong mùa kế tiếp

1.1.2 Các nguyên nhân gây xói lở bờ biển và giải pháp bảo vệ

a Khái quát các nguyên nhân gây xói lở bờ biển

5

Xói lở và bồi tụ được định nghĩa là các hiện tượng nhằm chỉ sự biến đổi đáng kể của đường bờ dưới tác dụng của các yếu tố tự nhiên như sóng, dòng chảy, gió và dưới tác động của con người Vì vậy, khi tình trạng xói lở bồi tụ diễn ra tại khu vực nào đó của

bờ biển, chúng sẽ làm tăng khả năng mất ổn định của đường bờ Các nguyên nhân gây xói lở bờ biển được khái quát bao gồm các hình thức sau:

- Do suy giảm nguồn bùn cát từ sông đổ ra biển

- Do suy giảm nguồn cung cấp bùn cát từ các đụn cát gần bờ

- Do hoạt động khai thác trầm tích và khoáng sản ở ven bờ hoặc trực tiếp trên bãi biển

- Do hiện tượng gia tăng năng lượng sóng ven bờ khi thềm bãi bị hạ thấp

- Do hiện tượng gián đoạn dòng vận chuyển trầm tích dọc bờ (do xây dựng công trình ven bờ hoặc do các tác động của tự nhiên)

- Do sự thay đổi của góc sóng tới so với đường bờ

- Do hiện tượng gia tăng số lần xuất hiện và cường độ của các trận bão đổ bộ vào bờ biển

- Do hiện tượng hình thành các sóng phản xạ ở ven bờ làm gia tăng xói lở bờ

- Do giải rừng ngập mặn tự nhiên ven bờ bị suy thoái, phá hủy làm gia tăng sóng tới gây xói lở bờ biển

Trên đảo Lý Sơn, tình trạng khai thác cát và khoáng sản gần bờ để phục vụ cho canh tác trồng tỏi của người dân địa phương được diễn ra hàng năm, đây là nguyên nhân rất lớn gây ra mất ổn định cho bờ đảo Ngoài ra, còn có các nguyên nhân khác như do gián đoạn của vận chuyển bùn cát dọc bờ, do sự thay đổi của góc sóng tới so với đường bờ, do hiện tượng gia tăng năng lượng sóng ven bờ

b Các giải pháp bảo vệ

Sau đây là các giải pháp được sắp xếp theo trình tự từ giải pháp mang tính bị động tới giải pháp mang tính chủ động trên quan điểm bảo vệ bờ đảo bằng công trình

6

- Giải pháp di dời và dịch chuyển dân đến nơi an toàn

Địa hình nguồn gốc núi lửa chiếm đến 70% diện tích của đảo nên quỹ đất để ở và sản xuất ở đây rất hạn chế Tại các vị trí có địa hình cao, với tàn tích của núi lửa để lại chỉ

là những dải núi đá, những vị trí này không thể xây dựng nhà cửa và sản xuất được Vì vậy, với giải pháp di dời và dịch chuyển dân rất khó để áp dụng cho đảo Lý Sơn

- Giải pháp bảo vệ mềm: Nuôi bãi nhân tạo và trồng rừng ngập mặn bảo vệ bờ

Với đặc điểm địa chất ven đảo chủ yếu là đá ngầm và cát kết hợp với đặc trưng sóng gió khu vực đảo Lý Sơn thì giải pháp nuôi bãi nhân tạo và trồng rừng ngập mặn bảo vệ

bờ đảo là giải pháp không khả thi

- Giải pháp cứng – Xây dựng công trình ổn định bảo vệ bờ: Xây dựng các công trình kiên cố như đập mỏ hàn, kè bảo vệ bờ, tường chắn sóng, đập phá sóng ngoài khơi Với đặc điểm địa hình, địa chất của đảo Lý Sơn thì bảo vệ bờ bằng giải pháp xây dựng các công trình kiên cố nhằm cứng hóa đường bờ như kè bảo vệ bờ, tường chắn sóng

là giải pháp hợp lý nhất

1.2 Các nghiên cứu về diễn biến bờ và xâm thực đảo

1.2 1 Các nghiên cứu diễn biến bờ trên thế giới

Nghiên cứu tác động của sóng lên bờ biển và công trình biển đã có từ thế kỷ 18, 19 và phát triển mạnh nhất từ sau thế chiến thứ 2 Nổi bật nhất là các nhà khoa học của 2 cường quốc lúc bấy giờ là Mỹ và Liên xô, các nhà nghiên cứu coi sóng, gió như là quá trình ngẫu nhiên, chuẩn dừng và áp dụng lý thuyết phân tích phổ để nghiên cứu Từ phân tích phổ sóng, cho phép phát hiện nhiều đặc điểm của quá trình sóng

Những năm gần đây nghiên cứu xói lở bờ biển còn theo hướng nghiên cứu theo lượng năng lượng mang bởi sóng đánh vào bờ, tiêu biểu là các nghiên cứu của M.T.Savin, A.P.Zhinlyev (1980-1990)[1]

Năm 1951, Chính phủ Mỹ thành lập cơ quan chuyên nghiên cứu về vận chuyển bùn cát và xâm thực bãi biển là Beach Erosion Board (BEB) Dưới sự lãnh đạo của J.Spender Smith, BEB nghiên cứu các biện pháp hữu hiệu chống lại quá trình xâm

7

thực bờ biển do sóng và dòng chảy tại các vùng ven đại dương nước Mỹ BEB đã đóng góp rất quan trọng vào việc phát triển kỹ thuật công trình ven biển và nghiên cứu các quá trình động lực học ven bờ Nổi bật nhất trong nghiên cứu sóng tác động lên bờ biển, lên công trình ven biển là các nghiên cứu của Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật bờ biển (Coastal Engineering Research Center CERC)[2] của quân đội Mỹ Bộ cẩm nang

kỹ thuật nổi tiếng Shore Protection Manual SPM[3]với lần sửa đổi bổ sung tái bản năm

1984 của CERC được sử dụng trên khắp thế giới ngày nay

Hiện nay trên thế giới có hai nhánh nghiên cứu về khí tượng thủy văn biển:

a Nhánh thứ nhất: Nghiên cứu bản chất, cơ chế động học phát sinh, phát triển và

mối quan hệ của các yếu tố khí tượng thủy văn biển

Trong nhánh nghiên cứu thứ nhất, ngoài hướng dùng các phương pháp toán học mô phỏng quá trình vật lý của các yếu tố khí tượng, còn có một hướng nghiên cứu khá phổ biến và thông dụng hầu hết ở tất cả các quốc gia hiện nay, vì nó đơn giản, phục vụ trực tiếp rất nhiều các yêu cầu của hoạt động kinh tế, xã hội và con người, đó là: Nghiên cứu khảo sát, đo đạc, phân tích tính toán các biến đổi của chuỗi các yếu tố khí tượng thủy hải văn trong quá khứ và hiện tại Căn cứ vào các chuỗi số liệu khí hậu, khí tượng quan trắc được, lựa chọn ra các yếu tố cần nghiên cứu, sau đó dùng phương pháp thống kê để tính toán các trị số đặc trưng của chuỗi số liệu đó là: Trị số trung bình, trị

số cực trị (max, min ) cùng quy luật biến động tập trung hay phân tán các chuỗi số liệu này Từ đó nhận định hoặc phán đoán theo xu thế biến động của chuỗi liệt số và các giá trị cực trị của nó

Trong vài chục năm trở lại đây, một vấn đề được quan tâm rất lớn của cộng đồng quốc

tế là Biến đổi khí hậu và Nước biển dâng Biến đổi khí hậu, sự nóng lên của trái đất và nước biển dâng trực tiếp phản ánh vào các biến động của các yếu tố khí tượng, thủy văn biển Các biến động này càng trở nên mãnh liệt hơn và cực đoan hơn Các cực trị của nó đều lớn hơn rất nhiều các cực trị mà các thời kỳ trước đây đạt được

b Nhánh thứ hai: Nghiên cứu những tác động của các yếu tố khí tượng thủy văn biển

lên công trình trên biển, lên bờ biển và các giải pháp chống lại các tác động này Đây

là hướng mà tác giả đi sâu nghiên cứu trong luận văn này

8

Trong nhánh thứ hai còn đi sâu vào nghiên cứu giải pháp chống lại hoặc hạn chế các tác động bất lợi của yếu tố khí tượng thủy văn biển mà chủ yếu là yếu tố sóng, yếu tố vận chuyển bùn cát, yếu tố dòng chảy ven bờ Các yếu tố này phá hoại công trình, phá hoại đường bờ, xâm thực bờ, bãi biển

Ngày nay với sự phát triển của mô hình toán, tác động của sóng cho phép đưa ra những lời giải định lượng trong khoảng thời gian ngắn, tiết kiệm kinh phí Có thể nêu một số dạng mô hình như sau:

Nghiên cứu tính toán sóng ven bờ:

Năm 1992 Trung tâm kỹ thuật bờ biển quân đội Mỹ (CERC) đã đưa ra mô hình tính sóng ổn định RCPWAVE[2] nổi tiếng Ngoài ra, còn có các mô hình của các viện

nghiên cứu lớn trên thế giới như Mô hình Mike-21[7]do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xây dựng là hệ thống phần mềm đa năng, ngoài tính sóng còn bao gồm tính dòng chảy, sa bồi và nước dâng

Nghiên cứu ổn định bờ và đáy biển:

Trong nghiên cứu vấn đề này có thể chia làm 2 nhóm sau:

- Mô hình biến động đường bờ: Mô hình này được áp dụng tính toán cho biến động đường bờ, thời gian tính toán nhanh, nhưng không sử dụng được để dự báo biến đổi đáy

- Mô hình biến động đáy: Loại này thường là mô hình 3D, phạm vi ứng dụng rộng hơn nhưng thời gian tính toán đòi hỏi nhiều hơn Khi áp dụng, các mô hình này cần được kiểm chứng và thận trọng khi tính toán dự báo dài hạn

Các mô hình tính toán biến động đường bờ thông dụng và phổ biến là:

- Mô hình GENESIS là mô hình tính toán biến động đường bờ do trung tâm nghiên cứu công nghệ bờ biển thuộc Hải quân Mỹ và trường Đại học Lund Thụy Điển đưa ra năm 1989

- Mô hình UNIBEST do viện Delf Hydraulic (Hà Lan) đưa ra năm 1990

9

- Mô hình LIPACK do Viện Thuỷ lực Đan Mạch công bố năm 1991

- Mô hình NPM (Nearshone Profile Model) do Viện Thuỷ lực Wallingford vương quốc Anh quốc đưa ra năm 1993

Như đã nêu ở trên, hiện có rất nhiều kết quả nghiên cứu về khí tượng thủy văn biển và tác động của nó lên bờ biển Song những nghiên cứu riêng biệt khí tượng thủy văn biển ở vùng hải đảo và những tác động này lên hải đảo lại không nhiều, có chăng chỉ

là những nghiên cứu của từng vùng, từng khu vực riêng lẻ với các đặc tính riêng, mà chưa có những nghiên cứu tổng quát Do đó khi nghiên cứu về hải đảo đều phải vận dụng các nghiên cứu chung về tương tác giữa các yếu tố khí tượng thủy hải văn biển với đất liền như đã trình bày ở trên

1.2 2 Các nghiên cứu diễn biến bờ ở Việt Nam

Nước ta có bờ biển và hải đảo dài trên 3000 km, vai trò của biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội Đặc biệt, nước ta có một vùng lãnh hải đầy tiềm năng về dầu khí và tài nguyên biển Vì vậy hiểu biết về biển, nghiên cứu về biển là vô cùng cần thiết

Nghiên cứu khảo sát đo đạc tác động của các yếu tố khí tượng thủy văn biển lên bờ biển được tiến hành vào những năm 70, 80 của thế kỷ trước Đó là khi có vấn đề xâm thực, sạt lở bờ biển vùng Hải Hậu (Nam Định), ngành Thủy lợi đã cho khảo sát đo đạc biến động thủy hải văn và thực hiện các giải pháp phòng chống xâm thực biển đầu tiên

ở đây Trạm đo sóng Văn Lý - Hải Hậu - Nam Định của Viện Khoa học Thủy lợi là trạm đầu tiên đo sóng ở miền Bắc (1974) Máng thí nghiệm nghiên cứu mô hình sóng tuy còn đơn sơ song cũng là thiết bị nghiên cứu sóng đầu tiên ở Việt Nam do Viện Khoa học Thủy lợi tự chế tạo (1976)

Từ những năm 90 đến nay Nhà nước ta có chiến lược biển Đông thì các nghiên cứu về xâm thực bờ biển được quan tâm rất nhiều Các cơ quan khoa học có điều kiện tiếp cận

và nghiên cứu nhiều vấn đề của biển Đông Có thể kể ra một số đơn vị nghiên cứu tiêu biểu như Viện nghiên cứu biển thuộc Viện Khoa học Việt Nam, Viện Hải dương học Nha Trang, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Trường Đại học xây dựng, Viện Khí tượng Thủy Văn, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Trường Đại học Thủy lợi Các

10

nhà khoa học tiêu biểu như GS.TS Lương Phương Hậu[4], PGS.TS Đinh Văn Ưu[5]

, PGS.TSKH Nguyễn Văn Cư[6]

Nghiên cứu về khí tượng thủy văn biển ở nước ta cũng được chia làm 2 nhánh tương

tự như của thế giới:

a Nhánh thứ nhất: Nghiên cứu bản chất, cơ chế động học và mối quan hệ giữa các

yếu tố khí tượng thủy văn biển

Nhánh nghiên cứu này tuy chưa được tập trung nghiên cứu rộng và sâu như nghiên cứu khí tượng thủy văn lục địa, song điểm nổi bật của nhánh này là đã đi đầu nghiên cứu và sớm khởi động ngay khi miền Bắc vừa được giải phóng (1955) Nhánh này đã

để lại một thành tựu rất to lớn là nghiên cứu những đặc tính cơ bản của yếu tố thủy văn biển nước ta Đó là xác định đặc tính của chế độ thủy triều ở vùng biển Việt Nam; phân định các chế độ thủy triều trên các khu vực biển, thiết lập được các nguyên tắc tính thủy triều ở biển Việt Nam Hàng năm xuất bản đều đặn lịch thủy triều Lịch thủy triều cho đến nay được xác định là rất phù hợp với dao động thực tế của thủy triều ở vùng biển Đông nước ta GS Nguyễn Ngọc Thụy[8]là chủ biên của lịch thủy triều Việt Nam trong nhiều thập kỷ Lịch thủy triều ngày nay hàng năm là bước tiếp của các lịch thủy triều do GS Nguyễn Ngọc Thụy xác lập

Trong nhánh nghiên cứu thứ nhất còn kể tới đóng góp của các nhà khoa học của các Viện nghiên cứu: Viện Cơ học, Viện Địa lý thuộc Viện Khoa học Việt Nam, Viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường thuộc Tổng cục Khí tượng Thủy văn Các nhà khoa học ở các Viện này có nhiều nghiên cứu rất có giá trị về lĩnh vực khí tượng thủy văn biển như: Cố GS Phạm Văn Ninh[9], GS Đỗ Ngọc Quỳnh[10], GS Hoàng Xuân Lượng[11]

, GS Nguyễn Văn Cư[6]

, GS Nguyễn Đức Ngữ[12]

, PGS.TS Trần Đức Thạnh[13], GS Lương Phương Hậu[4], GS Đinh Văn Ưu[5]

b Nhánh thứ 2: Nghiên cứu tác động của yếu tố khí tượng thủy văn biển lên bờ và

các công trình trên biển

Nhánh nghiên cứu này phát triển rất mạnh và có rất nhiều tiến bộ cả về chất và về lượng Trong nhánh nghiên cứu này, đã có rất nhiều đề tài ứng dụng vào thực tế có

- Nghiên cứu tính toán chế độ về trường sóng ven bờ phục vụ thiết kế công trình bảo

vệ bãi và đê, kè biển

- Nghiên cứu kiểm soát sóng bằng công trình như: đê phá sóng cho phép dòng chảy đi

qua, đê phá sóng ngầm

- Nghiên cứu tác động của sóng vỡ lên công trình

- Nghiên cứu tải trọng của sóng lên công trình

Các nghiên cứu này được thực hiện ở Viện nghiên cứu biển thuộc Viện Khoa học Việt Nam, Viện Hải dương học Nha Trang, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Trường Đại học xây dựng, Viện Khí tượng Thủy Văn Một số phương pháp tính và vận dụng

mô hình tính toán của nước ngoài được các đơn vị đầu ngành sử dụng khá nhiều trong những năm gần đây

1.2 3 Các nghiên cứu diễn biến bờ trên đảo Lý Sơn

Cho đến nay, nghiên cứu về tình trạng xâm thực bờ trên đảo Lý Sơn là rất ít Đề tài

Khoa học cấp Nhà nước Nghiên cứu đánh giá biến động cực trị các yếu tố khí tượng thủy văn biển, tác động của chúng tới môi trường, phát triển kinh tế xã hội và đề xuất giải pháp phòng tránh cho các đảo đông dân cư thuộc vùng biển miền Trung (chủ yếu

là đảo Lý Sơn, đảo Phú Quý) do TS Kiều Xuân Tuyển làm chủ nhiệm là một trong

những đề tài đầu tiên đi sâu nghiên cứu về tình hình xâm thực trên đảo Lý Sơn

Các nghiên cứu khác trên đảo Lý Sơn chủ yếu chỉ tập trung vào những vấn đề chung tổng quát như dân sinh kinh tế và hệ sinh thái biển Chỉ có một số lĩnh vực cấp thiết nhất mang tính an ninh quốc phòng được thực hiện dưới dạng dự án đầu tư như bến cảng neo đậu, đường cơ động

12

Các nghiên cứu về công trình bảo vệ bờ và neo đậu tàu thuyền:

Chiếm gần 70% tổng số cư dân huyện đảo Lý Sơn làm ngư nghiệp, đánh bắt nuôi trồng hải sản Số lượng tàu thuyền của đảo rất lớn cùng với các tàu thuyền trong đất liền ra ngoài khơi xa đánh bắt nên tại Lý Sơn rất cần các bến neo đậu phục vụ hoạt động khai thác hải sản và là nơi trú tránh cho tàu thuyền khi có bão lốc Đồng thời cần

có đường giao thông quanh đảo và xuyên đảo phục vụ lưu thông vận chuyển hàng hóa, đặc biệt là phục vụ cho quốc phòng khi lâm sự Bờ đảo Lý Sơn luôn bị xâm thực sạt lở cuốn trôi nhà cửa và đất màu vốn dĩ rất ít ỏi ở đây Vì vậy, từ năm 2010 Lý Sơn được đầu tư một số dự án sau:

- Dự án vũng neo đậu tàu thuyền đảo Lý Sơn

- Dự án đường cơ động phía Đông Nam đảo Lý Sơn

- Dự án kè bảo vệ bờ khu vực phía Tây chống sạt lở

Các dự án này đang trong giai đoạn thi công và bổ sung hoàn thiện Nhờ có các dự án này mà bộ mặt và đời sống, dân sinh kinh tế xã hội huyện đảo Lý Sơn đã thay đổi rõ rệt trong những năm qua

1.3 Các giải pháp công nghệ phòng chống xâm thực sạt lở phổ biến

Có hai giải pháp công nghệ phòng chống xâm thực, sạt lở phổ biến hiện nay là giải pháp công trình và giải pháp phi công trình

1.3.1 Giải pháp công trình

Phòng chống xâm thực bờ đảo nằm trong hệ thống phòng chống thiên tai chung cho đảo Lý Sơn, nó không tách riêng đứng độc lập chỉ với chức năng phòng chống xâm thực mà còn kết hợp với chức năng phòng chống khác Nguyên nhân chính gây ra xâm thực là sóng và công trình chống xâm thực chính là công trình chống lại sức công phá của sóng để bảo vệ bờ Tuy nhiên, công trình chống xâm thực chỉ phát huy tác dụng trong các trường hợp sóng bình thường tương ứng với tần xuất thiết kế công trình, thông thường là tần suất tương ứng với sóng trong bão dưới cấp 12 Trong các trường hợp cực đoan khi gặp sóng lớn trong cấp bão rất mạnh (cấp 12 tới cấp 15) hoặc siêu bão thì công trình chống xâm thực bị sóng vượt qua thậm chí có thể bị hư hỏng sụt sạt,

13

song nó lại có tác dụng làm giảm năng lượng công phá của sóng cực đoan rất nhiều Một thực tế, sóng, bão cực đoan rất ít xảy ra mà các sóng bão bình thường luôn xuất hiện, do đó công trình chống xâm thực phát huy được hiệu quả vừa chống xâm thực vừa chống sóng tràn uy hiếp khu dân cư nằm ven bờ đảo trong thời gian dài Khi gặp trường hợp cực đoan nó sẽ hỗ trợ làm giảm sức công phá của sóng, bão

Hiện nay, công nghệ phòng chống xâm thực bờ biển nói chung và bờ đảo nói riêng thì giải pháp công trình là chủ đạo còn giải pháp phi công trình là hỗ trợ Trong giải pháp công trình người ta phân làm hai dạng:

- Dạng công trình cứng là các kè, mỏ hàn, tường chắn sóng (break water) có kết cấu là

bê tông hoặc rọ đá… Dạng công trình này cần rất nhiều kinh phí Vì vậy phải phân kỳ đầu tư và phải tính toán kỹ thuật chi tiết cùng với quy hoạch bài bản để tránh lãng phí, đặc biệt là để ổn định bền vững công trình

Hình 1.1 Kè lát mái bảo vệ bờ biển

- Dạng công trình mềm hay công trình sinh học là rừng cây, thảm cây, bụi cây chịu

mặn, chịu hạn được trồng ven bờ biển, bờ đảo và trên đảo ở những nơi có thể trồng được để chống lại bão, sóng bảo vệ bờ đảo Trong rất nhiều trường hợp công trình mềm hay công trình sinh học phát huy hiệu quả rất cao, rất kinh tế và thân thiện với môi trường Đây là dạng công trình được Liên Hợp Quốc và các tổ chức bảo vệ môi trường kêu gọi khuyến khích áp dụng Nó là công trình của thế kỷ 21

14

Hình 1.2 Trồng rừng bảo vệ bờ biển Nhận xét về giải pháp công trình:

Giải pháp công trình mềm có lợi thế là kinh phí đầu tư ít, người dân có thể tự trồng rừng để bảo vệ bờ, tạo cảnh quan xanh mát cho đảo, thân thiện với môi trường Tuy nhiên, với đặc trưng của đảo Lý Sơn được hình thành từ kết quả phun trào của núi lửa trong quá khứ nên địa chất vùng ven bờ chủ yếu là đá và cát sạn, vì vậy không thể áp dụng giải pháp trồng rừng cây, thảm cây để bảo vệ bờ đảo

Với giải pháp công trình cứng, có nhược điểm là vốn đầu tư xây dựng lớn, không được thân thiện với môi trường nhưng ngược lại nó làm cho bờ đảo được cứng hóa và thời gian sử dụng lâu dài Vì vậy, để bảo vệ bờ đảo Lý Sơn thì giải pháp xây dựng các công trình cứng vẫn là giải pháp chủ đạo và hợp lý nhất

1.3 2 Giải pháp phi công trình

Với giải pháp phi công trình phòng chống xâm thực thì di dân lên các khu vực cao hơn không bị xâm thực hoặc di dời dân ra xa khu vực xâm thực vẫn là chủ đạo, để tránh sự

đe dọa của xâm thực và ít tốn kém kinh phí Khác với việc sơ tán dân để phòng tránh

bão, sóng cực đoan, đó chỉ là tạm thời trong thời gian không dài trước và trong khi xẩy

ra cực đoan, với phòng chống tránh sạt lở thì việc di dời dân ra xa khu vực sạt lở hầu như là mãi mãi không quay trở lại nơi ở cũ vì sạt lở diễn ra liên tục, kéo dài Khi có đầu tư công trình bảo vệ bờ chống xâm thực thì nơi ở cũ của người dân chính là vị trí

15

xây dựng công trình hoặc khu vực thi công hoặc là hành lang bảo vệ công trình Do đó quy hoạch khu dân cư tránh xa khu vực xâm thực là rất cần thiết

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương 1, luận văn đã đạt được những kết quả như sau:

Nắm bắt được khái niệm về diễn biến bờ biển, bờ đảo, đề cập đến các khả năng mất ổn định đường bờ và các giải pháp bảo vệ bờ

Đề cập đến các nghiên cứu về diễn biến đường bờ và xâm thực đảo ở trên thế giới, ở Việt Nam và ở đảo Lý Sơn

Nêu lên các giải pháp công nghệ phòng chống xâm thực, sạt lở phổ biến hiện nay

2 1.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên

Hình 2.1 Vị trí địa lý đảo Lý Sơn và tỉnh Quảng Ngãi Huyện đảo Lý Sơn thuộc tỉnh Quảng Ngãi được tách ra từ huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi vào năm 1993 Đảo Lý Sơn còn có tên là Cù Lao Ré nằm trên vùng biển Đông Bắc tỉnh Quảng Ngãi, trong phạm vi 15o

22’00’’ đến 15o

23’00’’vĩ độ Bắc và

109o05’50’’đến 109o08’20’’kinh độ Đông, cách đất liền (Cảng Sa Kỳ) khoảng 24 km; cách thành phố Quảng Ngãi 44 km về phía Đông Bắc và cách khu công nghiệp Dung Quất 37 km về phía Đông Nam Diện tích đảo vào khoảng 10,7 km2 Nằm cách đảo Lý Sơn khoảng trên 4 km về phía Bắc là đảo Bé (hay còn được gọi là Cù Lao Bờ Bãi) với diện tích khoảng 0,5 km2 Huyện đảo Lý Sơn gồm 03 xã: An Vĩnh, An Hải và An Bình (Đảo Bé) Diện tích tự nhiên gần 10,7km2 Dân số trên 21.342 nguời, có khoảng 60%

hộ dân sống bằng nghề biển, 30% hộ dân sống bằng nghề nông (chủ yếu là trồng hành, tỏi, ngô) và 10% hộ dân sống bằng các ngành nghề khác

Lý Sơn nằm trên con đường biển từ Bắc vào Nam và nằm ngay cửa ngõ của Khu Kinh

Tế Dung Quất cũng như của cả khu vực kinh tế trọng điểm miền Trung Vị thế này của

Lý Sơn đã đưa huyện đảo trở thành đơn vị hành chính tiền tiêu của đất nước, có vai trò

17

đảm bảo an ninh chủ quyền quốc gia trên biển, đồng thời có nhiều điều kiện để đẩy nhanh tốc độ phát triển kinh tế - xã hội

* Địa hình, địa mạo trên đảo Lý Sơn:

Địa hình của Lý Sơn nhìn chung tương đối bằng phẳng, không có sông ngòi lớn (chỉ

có một số suối nhỏ được hình thành vào mùa mưa) và có độ cao trung bình từ 20-30m

so với mực nước biển

Trên địa bàn huyện có 5 hòn núi dạng bát úp được hình thành do hoạt động của núi lửa, trong đó cao nhất là núi Thới Lới (169m) Xung quanh các chân núi, địa hình có dạng bậc thềm, độ dốc từ 8° đến 15° Dạng địa hình nguồn gốc núi lửa chiếm tới 70% diện tích đảo Theo địa hình thái nguồn gốc được chia thành: sườn vòm núi lửa, sườn họng núi lửa, đáy họng núi lửa và bề mặt lớp phủ bazan Đây là những đối tượng quan trọng để bố trí các công trình xây dựng, đồng thời là những điểm tham quan thiên nhiên rấn ngoạn mục của các tuyến du lịch biển – đảo Lý Sơn

Hình 2.2 Bản đồ đảo lớn Lý Sơn Nhóm dạng địa hình nguồn gốc biển gồm các dạng: vách mái vòm – bóc mòn, vách mái mòn, bãi biển mài mòn, bãi biễn mài mòn - tích tụ Bãi biễn mài mòn tích tụ và thềm tích tụ làm thành một đồng bằng bằng phẳng, nghiên thoải, hơi lượn sóng, độ dốc dưới 8°, thích hợp cho sản xuất nông nghiệp và bố trí dân cư Đây chính là những

vùng tập trung dân cư và là địa bàn sản xuất nông nghiệp trọng điểm của huyện

18

Địa hình bờ biển của huyện phần lớn là các vách và hốc sóng vỗ bờ tạo nên các hốc hang khá đẹp (Hang Câu, Chùa Hang…) Chính những địa hình vách dốc này đã tạo cho đảo những nét hùng vĩ có giá trị về tham quan, du lịch Huyện đảo Lý Sơn nằm trên thềm lục địa có độ sâu trung bình dao động 50-60m

Về mặt địa hình là đồng bằng tích tụ - mài mòn nghiêng thoải bị chia cắt bởi các máng trũng với độ sâu khác nhau Điểm sâu nhất trong lãnh thổ huyện là 120m, ở phía Đông Địa hình đáy biển phân bậc rõ ràng, do vậy có thể sử dụng làm cầu cảng và tổ chức các hoạt động thể thao mạo hiểm trên biển

Dạng địa hình bậc thềm Dạng địa hình đồng bằng

Hình 2.3 Các dạng địa hình đảo Lý Sơn

* Địa chất trên đảo Lý Sơn:

Đảo Lý Sơn được thành tạo bởi các hoạt động phun trào núi lửa và các trầm tích có các nguồn gốc biển, gió tuổi từ Pleistocen đến Holocen

- Thống Pleistocen trung - thượng, phun trào bazan (βQII-III): Phân bố rộng rãi, lộ ở trung tâm của 2 đảo và một khối nhỏ ở phía đông đảo lớn (chiếm khoảng 70% diện tích) Thành phần chủ yếu là bazan olivin, bazan dolerit màu xám đen, xám xanh, kiến trúc porphyr, cấu tạo đặc sít hoặc lỗ hổng

- Thống Pleistocen thượng, trầm tích biển (mQIII): phân bố ở phía Bắc thôn Đồng Hộ, Đông Nam xã An Hải với diện tích khoảng 2,5km2

- Thống Holocen, phun trào bazan (βQIV): Phân bố ở các miệng núi lửa với diện tích tổng cộng khoảng 1,3km2

19

- Thống Holocen, phụ thống thượng bao gồm các trầm tích biển (mQiv3) và trầm tích gió (vQiv3): Phân bố chủ yếu ở các xã An Hải, An Vĩnh và An Bình chúng tạo nên bậc thềm bằng phẳng ở độ cao 2-3m quanh rìa đảo, chiếm diện tích khoảng 2,2km2 Thành phần chủ yếu là cát hạt trung đến thô

2 1.1.2 Đặc điểm khí tượng thủy hải văn

a Đặc điểm khí tượng khu vực Lý Sơn

* Bão và áp thấp nhiệt đới: Mùa bão ở khu vực miền Trung trong đó có Lý Sơn thường

bắt đầu từ tháng VI và kết thúc vào tháng XII Thời kỳ hay gặp bão, áp thấp nhiệt đới trong năm là các tháng IX-XI Số lượng bão đổ bộ vào khu vực này khoảng 16 cơn trong vòng 53 năm trở lại đây, tương ứng với khoảng 0,25 cơn/năm, số lượng các cơn bão có cường độ cấp 6 - 7 chiếm khoảng 43%

* Chế độ gió: Tốc độ gió trung bình trên vùng huyện đảo tương đối thấp so với các hải đảo khác, với biên độ từ 2,5-6,5m/s Tháng có tốc độ gió trung bình lớn là thời kỳ gió mùa Đông Bắc (tháng X-VI), tốc độ gió trung bình 5-10m/s, tuy nhiên cũng có lúc lên đến 30-40m/s chủ yếu trong tháng X Mùa hè hướng gió thị hành là Tây Nam, có tốc

độ gió trung bình tháng khá nhỏ, dao động từ 2,5-3,5m/s Hướng gió chính tại Lý Sơn gồm Đông Nam, Tây Bắc và Đông Bắc Gió mạnh từ cấp 8 trở lên chủ yếu xuất hiện vào các tháng mùa đông hoặc vào thời gian bão, áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng đến khu vực, thường từ tháng IX đến hết tháng XII

Bảng 2.1 Đặc trưng thống kê tốc độ gió (trung bình và cực đại) theo tháng tại Lý Sơn

20

* Lượng mưa: Huyện đảo Lý Sơn có mùa mưa lệch pha kéo dài từ tháng IX đến tháng

II năm sau, lượng mưa tập trung trong mùa mưa khoảng 71% Mùa khô kéo dài từ tháng III đến tháng VIII Lý Sơn là khu vực có lượng mưa khá so với các khu vực khác của tỉnh Quảng Ngãi, tổng lượng mưa hàng năm dao động từ 1200-3300mm và phân bố không đồng đều giữa các tháng trong năm Cao điểm mùa mưa tại khu vực là

từ tháng IX đến tháng XII, trung bình dao động từ 400-550mm và chiếm hơn 65-75% tổng lượng mưa của cả năm, có tháng tổng lượng mưa đạt gần 2000mm

Hình 2.4 Lượng mưa cực đại và trung bình

tháng tại Lý Sơn (1985-2012) Hình 2.5 tháng tại Lý Sơn (1985-2012)Lượng mưa cực đại ngày theo

b Đặc điểm thủy hải văn khu vực Lý Sơn

* Đặc điểm thủy văn: Do địa hình tương đối đơn giản, đồng nhất, ít phân cắt, cộng với việc diện tích đảo nhỏ nên mạng lưới sông suối trên đảo kém phát triển, chỉ có một số con suối nhỏ chảy tạm thời vào mùa mưa ở phía Nam đảo với lưu lượng rất thấp

* Đặc điểm về thủy triều: Mực nước quan trắc ở khu vực đảo Lý Sơn cho thấy chế độ triều ở đây chủ yếu là nhật triều không đều, số ngày bán nhật triều chiếm khoảng 18 đến 22 ngày, độ lớn trung bình kỳ nước cao nhất là 1,2 - 2,0m, độ lớn trung bình kỳ nước kém là 0,5m

Mực nước triều quan trắc được nhiều năm như sau:

+ Mực nước triều trung bình: 195cm

+ Mực nước triều cao nhất: 250cm

21

* Sóng biển: Phần lớn sóng biển ở đây phụ thuộc vào tốc độ gió Vào mùa hè (từ tháng III đến tháng VIII) sóng chịu ảnh hưởng của gió mùa Tây Nam, hướng gió thịnh hành

là Đông đến Nam Đông Nam Độ cao sóng trung bình là 0,5m, độ cao sóng cực đại là

2,8m Trong những tháng mùa thu (từ tháng IX đến tháng XI) là thời kỳ chuyển mùa

từ gió mùa Tây Nam sang Đông Bắc (gió mùa đông bác chiếm ưu thế) Tuy nhiên, hướng sóng chủ yếu là Bắc Đông Bắc đến Đông Đông Bắc Độ cao sóng trung bình là

1,0m, độ cao sóng cực đại là 6m (do ảnh hưởng của bão) Thời kỳ mùa đông (từ tháng XII đến tháng II năm sau) sóng tại khu vực đảo Lý Sơn chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc nên có hướng chính là Bắc Đông Bắc đến Đông Đông Bắc Độ cao sóng trung bình là 1,3m; độ cao sóng cực đại là 3,8m

Hình 2.6 Đảo Lý Sơn nhìn từ biển

2 1.2 Tình hình phát triển kinh tế xã hội trên đảo Lý Sơn

2.1.2.1 Tình hình dân sinh

Dân số toàn huyện Lý Sơn năm 2011 có 21.342 người, toàn bộ dân số của huyện sống trong khu vực nông thôn Mật độ dân số trung bình của huyện là 2.067 người /km2 Dân cư của huyện Lý Sơn phân bố tại các xã như sau: Xã An Vĩnh có 12.031 người chiếm 56,37% Xã An Hải có 8.809 người chiếm 41,28% Xã An Bình có 502 người chiếm 2,35%

Toàn huyện hiện có 5.222 hộ gia đình (quy mô trung bình hộ là 4,3 người/hộ), trong

đó có 3.593 hộ nông lâm nghiệp, thủy sản chiếm 68,8%; 1.629 hộ phi nông nghiệp,

22

chiếm 31,2% Dân số trong lĩnh vực nông lâm nghiệp, thủy sản là 14.684 người, phi nông nghiệp là 6.658 người trong đó lao động trong lĩnh vực nông nghiệp là 7.480 người, phi nông nghiệp là 3.395 người

2 1.2.2 Tình hình phát triển kinh tế xã hội

* Hiện trạng ngành nông nghiệp Lý Sơn

Lý Sơn là huyện duy nhất của tỉnh Quảng Ngãi không thể trồng lúa và các cây lương thực và công nghiệp khác (trừ cây ngô với diện tích không lớn) cũng như sản xuất lâm nghiệp

Ngành trồng trọt Lý Sơn

Sản xuất các cây đặc sản là những thế mạnh trong nông nghiệp của huyện Hành, tỏi là

cây trồng đặc trưng và là cây trồng chủ lực của huyện đảo Lý Sơn, chiếm tỷ trọng lớn

nhất trong GTSX ngành trồng trọt

Mặc dù đây là hai loại cây trồng chủ lực, đem lại thu nhập chính cho người dân huyện đảo và 2/3 nông dân trên đảo trồng hành, tỏi; diện tích gieo trồng bình quân hàng năm khoảng 290ha, sản lượng bình quân hàng năm đạt khoảng 1650 tấn Tuy nhiên, kỹ thuật canh tác hiện nay đều chỉ dựa hoàn toàn trên kinh nghiệm truyền thống do đó năng suất, sản lượng và chất lượng hành tỏi vẫn chưa ổn định Bên cạnh đó, việc sản xuất theo kỹ thuật truyền thống sử dụng nhiều cát trắng và đất thịt bazan đang làm ảnh hưởng mạnh đến môi trường, cảnh quan của huyện đảo

* Hiện trạng ngành thuỷ sản Lý Sơn

Số lượng phương tiện đánh bắt hải sản tăng từ 226 phương tiện năm 2000 lên 379 phương tiện năm 2008 và 408 phương tiện năm 2010 Tuy nhiên hầu hết các phương tiện đánh bắt của huyện mới chỉ có công suất dưới 100CV và thiếu trang bị hiện đại

Hạ tầng nghề cá đã được đầu tư xây dựng với việc hoàn thành xây dựng vũng neo đậu tàu thuyền An Hải giai đoạn 1, bước đầu triển khai các hạng mục của giai đoạn II đáp ứng yêu cầu tránh trú bão, neo đậu tàu thuyền cho cả vùng miền Trung

* Hiện trạng công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp và xây dựng Lý Sơn

23

Cho đến nay, Lý Sơn là huyện duy nhất của tỉnh Quảng Ngãi vẫn chưa có điều kiện phát triển công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, do hạn chế về tiềm năng và cơ sở hạ tầng

kỹ thuật phát triển chậm, đặc biệt rất hạn chế về nguồn nước

* Hiện trạng phát triển ngành giáo dục huyện Lý Sơn

Hệ thống Giáo dục - Đào tạo của huyện hiện nay như sau:

* Hiện trạng phát triển hệ thống kết cấu hạ tầng huyện đảo Lý Sơn

a Hệ thống đường giao thông huyện đảo Lý Sơn:

Nhìn chung, hệ thống giao thông của huyện phân bố hợp lý, đồng đều, đảm bảo phục

vụ tốt cho sản xuất và sinh hoạt của nhân dân Tuy nhiên chất lượng đường bộ còn nhiều hạn chế: nền đường nhỏ, hẹp, công trình thoát nước chưa hoàn thiện nên thường xuyên ứ đọng nước, gây khó khăn cho hoạt động giao thông Tổng chiều dài của các tuyến đường trong toàn huyện là 22,41 km

Giao thông đường thủy đóng vai trò hết sức quan trọng đối với quá trình phát triển của huyện đảo Lý Sơn, gắn liền với sự phát triển của đảo và đất liền

∗ Hệ thống hạ tầng giao thông đường biển gồm có:

- Vũng neo đậu tàu thuyền An Hải: Đã được xây dựng tại xã An Hải, với luồng tàu dài

250 m đảm bảo cho tàu có công suất 400 CV ra vào;

b Hệ thống công trình thủy lợi trên đảo Lý Sơn:

Vì là huyện đảo nên hệ thống cấp nước phục vụ cho nông nghiệp chủ yếu dựa vào nước giếng khoan và giếng khơi khai thác từ nguồn nước ngầm Hiện nay trên địa bàn huyện có 04 mương dẫn nước chống úng với chiều dài 5.000 m tại xã An Vĩnh 2.000

m và 3.000 m tuyến mương tại xã An Hải (khu vực hồ Thới Lới)

Cấp nước: Hiện nay trên đảo có duy nhất một hồ chứa nước Thới Lới có dung tích 270.000 m3 đảm bảo tưới cho 60 ha đất nông nghiệp, cấp nước sạch cho 1.000 dân (100m3/ngày,đêm) và cung cấp nước cho 300 tàu thuyền;

Đến nay, trên địa bàn huyện vẫn chưa có Nhà máy cung cấp nước sạch nên việc cung cấp nước sinh hoạt, nước phục vụ cho sản xuất công nghiệp chủ yếu dựa vào vào các giếng nước ngầm, riêng nước sinh hoạt 2/3 dân trên đảo phải vận chuyển xa từ 2-3 km

2 1.2.3 Định hướng quy hoạch phát triển kinh tế xã hội

Trên cơ sở quy hoạch phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Quảng Ngãi và huyện đảo Lý Sơn tới năm 2020 tầm nhìn tới năm 2030, một số định hướng quy hoạch phát triển các ngành chính trên đảo Lý Sơn như sau:

* Phương hướng phát triển ngành nông lâm nghiệp

Xây dựng nền nông nghiệp hàng hoá với sản phẩm chủ lực là trồng và chế biến cây hành và tỏi phù hợp với hệ sinh thái, phát triển bền vững nhằm bảo vệ môi trường sống, có năng suất, chất lượng và khả năng cạnh tranh cao

* Phương hướng phát triển ngành thủy sản

25

Đẩy mạnh đầu tư xây dựng hệ thống kết cấu hạ tầng thuỷ sản, trước hết là các công trình cảng, bến, thông luồng, vũng neo đậu tàu thuyền trú bão và các hạng mục kết cấu

hạ tầng dịch vụ nghề cá như khu dịch vụ hậu cần nghề cá xã An Hải

Phương hướng và giải pháp phát triển ngành đánh bắt hải sản:

Phát triển số lượng tàu thuyền theo hướng nâng cao công suất gắn với đầu tư trang thiết bị hiện đại, ngư lưới cụ tiên tiến để có thời gian đánh bắt dài, đảm bảo được chất lượng và nâng cao giá trị sản phẩm

Tổ chức các hoạt động đánh bắt hải sản xa bờ theo hình thức thành lập các Nghiệp đoàn nghề cá

Đến năm 2020 số lượng tàu đạt 500 chiếc với tổng công suất 108.750 CV, sản lượng đánh bắt đạt khoảng 40.000 tấn

Phương hướng giải pháp phát triển ngành dịch vụ thủy sản:

Hoàn thành giai đoạn II âu thuyền An Hải với khả năng tránh, trú trên 500 tàu thuyền các loại

Xây dựng Khu hậu cần nghề cá ở khu neo đậu tàu thuyền An Hải và hiện đại hóa cảng

cá Lý Sơn, xây dựng cảng vận tải bến Đình để tách biệt với cảng cá

* Phương hướng phát triển hệ thống kết cấu hạ tầng

+ Xây dựng cảng Bến Đình hoàn chỉnh theo quy hoạch với quy mô nhận tàu hàng 1.000 DWT và tàu khách rẽ nước 500T

+ Nâng cấp, mở rộng cảng Lý Sơn hiện tại để phục vụ cho việc đi lại của nhân dân và khách tham quan du lịch

+ Nâng cấp mở rộng Vũng neo đậu tàu thuyền và khu dịch vụ hậu cần nghề cá đảo Lý Sơn (giai đoạn II) có công suất cho 800 tàu neo đậu có công suất 500CV

Phương hướng phát triển thủy lợi huyện Lý Sơn

2.2 Nghiên cứu lựa chọn mô hình tính toán

2.2 1 Lựa chọn mô hình tính toán

Để đánh giá biến động của vấn đề xói lở, bồi tụ và dịch chuyển đường bờ đảo, hướng giải quyết chủ yếu của nghiên cứu này là sử dụng mô hình toán số mô phỏng chế độ thủy thạch động lực và hình thái vùng ven bờ, có kiểm chứng bằng số liệu khảo sát thực tế Ngoài ra, tác giả còn sử dụng các phương pháp kinh nghiệm khác như đánh giá xu thế diễn biến đường bờ dựa trên cơ sở phân tích tài liệu thực tế, sử dụng ảnh viễn thám…

Trên thế giới và trong nước hiện có nhiều mô hình thủy động lực đang được áp dụng cho nhiều mục đích khai thác khác nhau như nghiên cứu, quy hoạch và thiết kế hệ thống công trình , tiêu biểu có thể kể đến SORBEK, DELFT 3D (Hà Lan), MIKE (Đan Mạch) Tuy nhiên, mỗi mô hình đều có những ưu nhược điểm riêng và cho đến nay vẫn chưa có một đánh giá toàn diện và chi tiết về khả năng áp dụng trong thực tế của các mô hình nói trên Sau khi cân nhắc, so sánh các mô hình toán có thể áp dụng cho khu vực phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã lựa chọn mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch Các môđun của bộ mô hình MIKE cho phép mô phỏng và tái hiện bức tranh thủy động lực trên toàn miền nghiên cứu, thay vì chỉ tại một vài điểm như số liệu đo đạc

Trong Luận văn này, với mục tiêu mô phỏng và tính toán đồng thời của các yếu tố trường thủy thạch động lực vùng ven bờ của đảo Lý Sơn, bộ mô hình MIKE đã được lựa chọn do đáp ứng được các tiêu chí Bộ mô hình thuỷ động lực sử dụng trong nghiên cứu này có tên gọi MIKE của Viện Thuỷ lực DHI, Đan Mạch Đây là một trong các mô hình 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều tiên tiến nhất thế giới hiện nay, được sử dụng trong hầu hết các trường đại học, viện nghiên cứu và các đơn vị tư vấn ở trong và ngoài nước với các lợi thế như sau:

27

Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng (tính toán trường sóng, dòng chảy, vận chuyển trầm tích, diễn biến địa hình đáy)

Cơ sở toán học chặt chẽ, chạy ổn định, thời gian tính toán nhanh

Đã được kiểm nghiệm thực tế ở nhiều quốc gia trên thế giới

Có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có khả năng tích hợp với một số phần mềm chuyên dụng khác

Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng bộ mô hình MIKE của Viện Nghiên cứu Thủy lực Đan Mạch với các mô đun MIKE 21 SW để tính sóng, môđun MIKE 21 HD tính toán và mô phỏng thủy lực, từ đó đưa ra được bức tranh thủy động lực học khu vực ven bờ đảo Lý Sơn dưới những điều kiện tác động của thủy lực biển

2.2 2 Cơ sở lý thuyết của mô hình được lựa chọn tính toán

2.2.2.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình dòng chảy Mike 21 HD

Mô đun dòng chảy được giải bằng phương pháp lưới phần tử hữu hạn Mô đun này dựa trên nghiệm số của hệ các phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds cho chất lỏng không nén được 2 hoặc 3 chiều kết hợp với giả thiết Boussinesq và giả thiết

áp suất thuỷ tĩnh Do đó, mô đun bao gồm các phương trình: phương trình liên tục, động lượng, nhiệt độ, độ muối và mật độ và chúng được khép kín bởi sơ đồ khép kín rối Với trường hợp ba chiều thì sử dụng xấp xỉ chuyển đổi hệ toạ độ sigma

Việc rời rạc hoá không gian của các phương trình cơ bản được thực hiện bằng việc sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn trung tâm Miền không gian được rời rạc hoá bằng việc chia nhỏ miền liên tục thành các ô lưới/phần tử không trùng nhau Theo phương ngang thì lưới phi cấu trúc được sử dụng còn theo phương thẳng đứng trong trường hợp 3 chiều thì sử dụng lưới có cấu trúc Trong trường hợp hai chiều các phần tử có thể là phần tử tam giác hoặc tứ giác Trong trường hợp ba chiều các phần tử có thể là hình lăng trụ tam giác hoặc lăng trụ tứ giác với các phần tử trên mặt có dạng tam giác hoặc tứ giác

Phương trình cơ bản

Phương trình liên tục

28

Phương trình động lượng theo phương x và y tương ứng

Trong đó, t là thời gian; x, y và z là toạ độ Đề các; η là dao động mực nước; d là độ sâu; h=η+d là độ sâu tổng cộng; u, v và w là thành phần vận tốc theo phương x, y và z; f=2Ωsinφ là tham số Coriolis; g là gia tốc trọng trường; ρ là mật độ nước; t là nhớt rối thẳng đứng; pa là áp suất khí quyển; o là mật độ chuẩn; S là độ lớn của lưu lượng

do các điểm nguồn và (us,vs) là vận tốc của dòng lưu lượng đi vào miền tính Fu, Fv là

các số hạng ứng suất theo phương ngang

Phương trình tải cho nhiệt và muối

trong đó Dv là hệ số khuếch tán rối thẳng đứng; H là số hạng nguồn do trao đổi nhiệt với khí quyển Ts và Ss là nhiệt độ và độ muối của nguồn; Ft và Fs là các số hạng khuếch tán theo phương ngang

Phương pháp giải

MIKE 21 áp dụng sơ đồ sai phân hữu hạn và phương pháp giải hiệu quả là kỹ thuật ADI (Alternating Direction Implicit) để giải các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng trong miền không gian và thời gian Các ma trận phương trình kết quả đối

2.2.2.2 Cơ sở lý thuyết của mô hình sóng Mike 21 SW

Mike 21 SW là mô đun tính phổ sóng gió được tính toán dựa trên lưới phi cấu trúc

Mô đun này tính toán sự phát triển, suy giảm và truyền sóng tạo ra bởi gió và sóng lừng ở ngoài khơi và khu vực ven bờ Động lực học của sóng trọng lực (the dynamics

of the gravity wave) được mô phỏng dựa trên phương trình mật độ tác động sóng (wave action density) Khi áp dụng tính cho vùng nhỏ thì phương trình cơ bản được sử dụng trong hệ toạ độ Cartesian, còn khi áp dụng cho vùng lớn thì sử dụng hệ toạ độ cầu (spherical polar coordinates) Phổ mật độ tác động sóng thay đổi theo không gian

và thời gian là một hàm của 2 tham số pha sóng Hai tham số pha sóng là vevtor sóng

k với độ lớn k và hướng θ Ngoài ra, tham số pha sóng cũng có thể là hướng sóng θ và tần suất góc trong tương đối Trong mô hình này thì hướng sóng θ và tần suất góc tương đối được chọn để tính toán Tác động mật độ N được thay thế bằng mật độ năng lượng E thông qua công thức:

θ

MIKE 21 SW bao gồm hai công thức khác nhau:

- Công thức tham số tách hướng

30

bảo toàn hoạt động sóng, như được mô tả bởi Komen và cộng sự (1994) và Young (1999), tại đó phổ hướng sóng của sóng hoạt động là giá trị phụ thuộc Các phương trình cơ bản được xây dựng trong cả hệ toạ độ Đề các với những áp dụng trong phạm

vi nhỏ và hệ toạ độ cầu cho những áp dụng trong phạm vi lớn hơn MIKE 21 SW bao gồm các hiện tượng vật lý sau:

- Sóng phát triển bởi tác động của gió

- Tương tác sóng-sóng là phi tuyến

- Ảnh hưởng của thay đổi độ sâu theo thời gian

Việc rời rạc hoá phương trình trong không gian địa lý và không gian phổ được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn lưới trung tâm Sử dụng kỹ thuật lưới phi cấu trúc trong miền tính địa lý Việc tích phân theo thời gian được thực hiện bằng cách sử dụng xấp xỉ chia đoạn trong đó phương pháp hiện đa chuỗi được áp dụng để tính truyền sóng

2.3 Thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy động lực

2.3.1 Thiết lập mô hình, xây dựng miền tính, lưới tính

Thiết lập mô hình:

Mô hình được xây dựng dựa trên số liệu địa hình thực đo ven bờ vào tháng 12/2012 do đoàn khảo sát thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam thực hiện với tỷ lệ bình đồ 1/2000, đường đồng mức 1,0m

Số liệu địa hình khu vực ngoài khơi do Hải quân Việt Nam đo đạc Tỷ lệ bình đồ 1/25000 xuất bản năm 2012

Miền tính được giới hạn như hình vẽ dưới

Kích thước miền tính: Phương ngang 24,14km

Số mắt lưới tối đa của vùng tính: 100000 mắt lưới

Hình 2.7 Địa hình khu vực nghiên cứu

32

Hình 2.8 Minh họa lưới sử dụng trong mô phỏng

2.3 2 Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu

Để thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu cho khu vực nghiên cứu Tác giả thiết lập 4 biên đại diện cho 4 hướng là: Biên phía Tây (Biên Tây), biên phía Bắc (Biên Bắc), biên phía Đông (Biên Đông) và biên phía Nam (Biên Nam) như hình vẽ:

Hình 2.9 Các biên tính toán khu vực đảo Lý Sơn