Nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ và giải pháp công trình ổn định bãi biển_unprotected

Vì vậy, nghiên cứu trong luận án sẽ tập trung vào chế độ thủy động lực học, cơ chế bồi, xói và tác động của sóng, dòng chảy tổng hợp đến biến đổi địa hình đới bờ biển vịnh Nha Trang, từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VIỆT ĐỨC

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH BÃI BIỂN - ÁP DỤNG CHO BÃI BIỂN

XƯƠNG HUÂN, VỊNH NHA TRANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VIỆT ĐỨC

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH BÃI BIỂN - ÁP DỤNG CHO BÃI BIỂN

XƯƠNG HUÂN, VỊNH NHA TRANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 62-58-02-02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Trung Việt

GS.TS.NGND Nguyễn Chiến

HÀ NỘI, NĂM 2016

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả Các kết quả nghiên cứu cũng như các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Việt Đức

ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Các vị lãnh đạo Ban giám hiệu nhà trường, Phòng Đào tạo ĐH & SĐH, Khoa Công trình,

Bộ môn Thủy công - Khoa Công trình và Công ty TV&XD công trình Miền trung đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và động viên NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu

UBND Thành Phố Nha Trang, Sở KH - CN Khánh Hòa đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả luận án trong thời gian đo đạc, khảo sát thực tế tại hiện trường

Ban chủ nhiệm đề tài Nghị định thư cấp nhà nước hợp tác với Viện Nghiên cứu vì sự phát

triển Pháp (IRD) “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 trực

tiếp tham gia các hoạt động nghiên cứu và sử dụng các số liệu trong khuôn khổ Đề tài GS.TS Lương Phương Hậu chủ tịch Hội đồng cùng các nhà khoa học trong Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Trường

GS TS NGND Phạm Ngọc Quý chủ tịch Hội đồng cùng các nhà khoa học trong Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Cơ sở

Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các nhà khoa học đã quan tâm chia sẻ, góp ý

và bổ sung cho tác giả nhiều thông tin bổ ích qua cuộc Hội thảo mở rộng, Báo cáo chuyên đề cũng như trong quá trình thực hiện luận án

Giáo sư Hitoshi Tanaka Đại học Tohoku, Nhật Bản; Giáo sư Cheng Đại học Massachusetts Dartmouth, Hoa Kỳ trong thời gian tác giả học tập, tham quan thực tế tại Nhật Bản và Hoa Kỳ Đặc biệt, NCS xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Trung Việt, GS.TS NGND Nguyễn Chiến đã tận tình hướng dẫn cho NCS trong việc hình thành ý tưởng khoa học và các hoạt động nghiên cứu để NCS hoàn thành luận án này

Cuối cùng, tác giả xin trân trọng cảm ơn gia đình, người thân, đồng nghiệp đã luôn sát cánh chia sẻ, động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn khi thực hiện luận án này

Tác giả luận án

Nguyễn Việt Đức

iii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……… 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

6 Cấu trúc của luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH BÃI BIỂN 6

1.1 Giới thiệu chung 6

1.1.1 Khái niệm về đới bờ biển 6

1.1.2 Các vấn đề KH-CN trong nghiên cứu biến động đới bờ biển 7

1.2 Tổng quan các nghiên cứu ở nước ngoài về cơ chế biến động đới bờ và giải pháp công trình ổn định bãi biển biển 7

1.2.1 Lịch sử nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển 7

1.2.2 Các nghiên cứu về biến động đới bờ biển 8

1.2.3 Tổng quan về phương pháp nghiên cứu biến động đới bờ biển 9

1.2.4 Tổng quan về các mô hình số trị mô phỏng sóng và dòng chảy 10

1.2.5 Tổng quan về tính toán vận chuyển bùn cát ven bờ 12

1.2.6 Tổng quan các nghiên cứu về công trình bảo vệ và tôn tạo bờ, bãi biển 14

1.3 Tổng quan nghiên cứu trong nước về biến động đới bờ và giải pháp ổn định bãi biển 19

1.3.1 Nghiên cứu biến động đới bờ biển 19

1.3.2 Nghiên cứu về giải pháp công trình ổn định và tôn tạo bãi biển 21

1.3.3 Những nghiên cứu đã có về bờ biển tỉnh Khánh Hòa và vịnh Nha Trang 23

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án 25

1.5 Kết luận chương 1 25

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ BIỂN 27

2.1 Các yếu tố chính gây nên biến động đới bờ biển vịnh Nha Trang 27

2.1.1 Địa hình, địa mạo khu vực vịnh Nha Trang 27

iv

2.1.2 Phân bố trầm tích khu vực vịnh Nha Trang 28

2.1.3 Dòng chảy từ sông Cái, vịnh Nha Trang 29

2.1.4 Chế độ thủy triều trong vịnh Nha Trang 30

2.1.5 Chế độ sóng 31

2.1.6 Chế độ dòng chảy trong vịnh Nha Trang 32

2.1.7 Về tác động từ con người 33

2.1.8 Phân tích sơ bộ các nguyên nhân gây diễn biến bãi biển theo mùa 34

2.2 Các số liệu cơ bản phục vụ nghiên cứu 35

2.2.1 Tài liệu địa hình 35

2.2.2 Số liệu thủy, hải văn 36

2.2.3 Số liệu bùn cát đáy 40

2.3 Mô hình chuyển động bùn cát dọc bờ trong đới bờ biển 40

2.4 Các phương pháp nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển 43

2.4.1 Nghiên cứu biến động theo mùa của bãi biển từ hình ảnh thu được bằng Camera 43 2.4.2 Sử dụng phương pháp phao trôi nghiên cứu dòng chảy tổng hợp ven bờ biển 43

2.4.3 Sử dụng phương pháp mô hình toán nghiên cứu biến động đới bờ biển 48

2.5 Kết luận chương 2 64

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ BIỂN XƯƠNG HUÂN, VỊNH NHA TRANG 66

3.1 Phân tích quy luật bồi, xói bãi biển từ kết quả quan trắc bằng Camera 66

3.1.1 Phân tích số liệu hình ảnh từ Camera 66

3.1.2 Phân tích quy luật biến động trên mặt bằng của bãi biển khu vực nghiên cứu 68

3.2 Tính toán lượng và phương vận chuyển bùn cát dọc bờ 70

3.2.1 Tính toán lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ theo công thức thực nghiệm Pelnard- Considere với bộ số liệu từ Camera 70

3.2.2 Xác định phương chuyển động bùn cát dọc bờ theo quỹ đạo dòng chảy tổng hợp 72 3.3 Nghiên cứu biến đổi địa hình đới bờ biển Xương Huân bằng mô hình toán 73

3.3.1 Chế độ thủy động lực học khu vực vịnh Nha Trang 74

3.3.2 Chế độ thủy động lực học khu vực nghiên cứu 75

3.3.3 Dòng chảy tổng hợp dư ven bờ tại khu vực nghiên cứu 77

v

3.3.4 Kết quả nghiên cứu tác động của sóng và dòng chảy tổng hợp ven bờ đến đới bờ

biển khu vực nghiên cứu 78

3.3.5 Kết quả mô phỏng diễn biến bồi, xói tại khu vực nghiên cứu 84

3.3.6 So sánh lưu lượng vận chuyển bùn cát giữa phương pháp thực nghiệm và phương pháp số ……… 85

3.4 Kết luận chương 3 86

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH, TÔN TẠO BÃI BIỂN XƯƠNG HUÂN, VỊNH NHA TRANG 88

4.1 Hiện trạng khu vực và mục tiêu cải tạo 88

4.1.1 Hiện trạng bãi biển khu vực nghiên cứu 88

4.1.2 Mục tiêu cải tạo 89

4.2 Các căn cứ khoa học đề xuất phương án 89

4.3 Các phương án bố trí tổng thể công trình ngăn cát, giảm sóng 90

4.3.1 Giải pháp chung 90

4.3.2 Các phương án bố trí tổng thể 90

4.4 Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của các phương án bố trí công trình 92

4.4.1 Phương pháp đánh giá 92

4.4.2 Trường dòng chảy sau khi bố trí các phương án công trình chỉnh trị 92

4.4.3 Biến đổi địa hình đới bờ biển theo các phương án bố trí công trình 96

4.4.4 Lựa chọn phương án công trình chỉnh trị 101

4.5 Kết luận chương 4 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

I Những kết quả đạt được của luận án 102

II Những đóng góp mới của luận án 106

III Những tồn tại và kiến nghị hướng tiếp tục nghiên cứu 106

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

PHẦN PHỤ LỤC 116

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 0.1 Một số tồn tại của bãi tắm biển Nha Trang [2] 2

Hình 1.1 Định nghĩa về đới bờ biển [3] 6

Hình 1.2 Sơ đồ tính toán đánh giá biến động đới bờ biển 10

Hình 1.3 Tỷ lệ phân bố các dạng công trình bảo vệ bờ biển tại Châu Âu (1988) [18] 15 Hình 1.4 Hình ảnh kết hợp ba loại công trình trên bãi tắm Jaywich (Anh) [2] 18

Hình 1.5 Bãi biển Fiumicino, Roma (Italy) [2] 18

Hình 1.6 Bãi biển tại Dubai (UAE) [2] 18

Hình 1.7 Bãi biển tại Malaga (Tây Ban Nha) [2] 18

Hình 1.8 Một số hình ảnh tiêu biểu về công trình bảo vệ bờ biển ở Việt Nam [2] 23

Hình 2.1 Địa hình, địa mạo vịnh Nha Trang [37] 27

Hình 2.2 Mặt cắt bãi biển tại khu vực Xương Huân (độ dốc 2%) [2] 28

Hình 2.3 Sơ đồ trầm tích tầng mặt vịnh Nha Trang [37] 29

Hình 2.4 Phân bố các vùng có rạn san hô chết và đá gốc vùng phía Bắc cửa sông Cái [2] 29

Hình 2.5 Diễn biến khu vực cửa sông Cái Nha Trang [2] 30

Hình 2.6 Hoa sóng ngoài khơi vịnh Nha Trang [2] 31

Hình 2.7 Elip triều tại biển Nha Trang [2] 33

Hình 2.8 Tác dụng ngăn cát, giảm sóng dọc bờ của các công trình nhô ngang bãi 34

Hình 2.9 Tổng hợp địa hình khu vực Vịnh Nha Trang (a) và địa hình sau khi nội suy số liệu với khoảng cách ô lưới 5x5m (b) 36

Hình 2.10 Vị trí trạm đo trong hai đợt khảo sát tháng 5 và tháng 12 năm 2013 37

Hình 2.11 Kết quả khảo sát mực nước và sóng (5/2013) 38

Hình 2.12 Kết quả khảo sát vận tốc trung bình (5/2013) 38

Hình 2.13 Kết quả khảo sát mực nước và sóng (12/2013) 39

Hình 2.14 Kết quả khảo sát vận tốc trung bình (12/2013) 39

Hình 2.15 Vị trí lấy mẫu bùn cát đáy 40

Hình 2.16 Thành phần hạt đưa vào mô hình 40

Hình 2.17 Sơ đồ cân bằng bùn cát vận chuyển dọc bờ [47] 41

Hình 2.18 Sơ đồ sai phân hữu hạn đường bờ và lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ (Horikawa, 1988) [49] 42

vii

Hình 2.19 Vị trí lắp đặt hệ thống giám sát ở khu vực nghiên cứu [2] 43

Hình 2.20 Sơ đồ cấu tạo của phao dạng chữ X theo mẫu của Davis 1985 45

Hình 2.21 Hình ảnh các phao sau khi chế tạo hoàn thiện 46

Hình 2.22 Dao động mực nước thủy triều tại khu vực Nha Trang (từ 26/11 đến 30/11/2015) 46

Hình 2.23 Lắp đặt, thử nghiệm và thả phao tại khu vực cửa sông Cái và ven biển vịnh Nha Trang (11/2015) 47

Hình 2.24 Sơ đồ khối tính toán của mô hình toán tổng hợp 48

Hình 2.25 Lưới tính toán và biên đầu vào cho mô hình toán 49

Hình 2.26 Trường vận tốc tại thời kỳ triều lên và thời kỳ triều rút 52

Hình 2.27 Kết quả so sánh độ lớn vận tốc dòng chảy tại Trạm A (5/2013) 53

Hình 2.28 Mực nước thực đo và tính toán trạm B đợt khảo sát tháng 5/2013 55

Hình 2.29 Mực nước thực đo và tính toán Trạm A (12/2013) 55

Hình 2.30 Mực nước thực đo và tính toán Trạm C (12/2013) 55

Hình 2.31 Kết quả so sánh độ lớn vận tốc dòng chảy Trạm A (12/2013) 56

Hình 2.32 Hoa sóng khu vực Nha Trang trong gió mùa Đông Bắc (a), 58

Hình 2.33 Độ cao và chu kỳ sóng tại biên nước sâu, vịnh Nha Trang (05/2013) 59

Hình 2.34 Kết quả độ cao sóng tính toán tại một thời điểm (05/2013) 59

Hình 2.35 Kiểm chứng độ cao sóng tại Trạm A (5/2013) 61

Hình 2.36 Kiểm chứng chu kỳ sóng tại Trạm A (5/2013) 61

Hình 2.37 Độ cao và chu kỳ sóng tại biên nước sâu, vịnh Nha Trang (12/2013) 62

Hình 2.38 Kiểm chứng độ cao sóng tại Trạm A (12/2013) 62

Hình 2.39 Kiểm chứng chu kỳ sóng tại Trạm A (12/2013) 62

Hình 2.40 Kết quả so sánh mực nước đo đạc và tính toán tại Cầu Trần Phú 63

Hình 2.41 Kết quả so sánh quỹ đạo phao giữa thực đo và mô phỏng trong trường hợp ở khu vực cửa sông Cái 63

Hình 2.42 Kết quả so sánh quỹ đạo phao giữa thực đo và mô phỏng trong trường hợp thả ven bờ biển 63

Hình 2.43 So sánh vận tốc phao trôi và vận tốc dòng chảy tính toán 64

Hình 3.1 Hình ảnh biến đổi đường bờ thu được từ Camera [51] 67

Hình 3.2 Diễn biến đường bờ biển trên mặt bằng khu vực nghiên cứu [2] 68

viii

Hình 3.3 Biến động đường bờ biển khu vực nghiên cứu trong năm 2013 [2] 68

Hình 3.4 Biến đổi của chiều rộng bãi biển tại một số vị trí trắc ngang đặc trưng [2] 69

Hình 3.5 Kết quả giải đoán đường bờ và chiều rộng bãi Ys từ ảnh Camera [2] 71

Hình 3.6 Biểu đồ xác định lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ trong các tháng 71

Hình 3.7 Kết quả thả phao ở cửa sông Cái 72

Hình 3.8 Vị trí doi cát ngầm tự nhiên 72

Hình 3.9 Kết quả đo quỹ đạo dòng chảy tổng hợp ven bờ khu vực nghiên cứu 73

Hình 3.10 Trường dòng chảy dư trong thời kỳ gió mùa Tây Nam - Mùa hè 74

Hình 3.11 Trường dòng chảy dư trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc - Mùa đông 74

Hình 3.12 Ảnh hưởng của dòng chảy sông Cái đến khu vực nghiên cứu trong gió mùa Tây Nam 75

Hình 3.13 Hoa dòng chảy khu vực nghiên cứu trong gió mùa Tây Nam 76

Hình 3.14 Ảnh hưởng của dòng chảy sông Cái đến khu vực nghiên cứu trong gió mùa Đông Bắc 76

Hình 3.15 Hoa dòng chảy khu vực nghiên cứu trong gió mùa Đông Bắc 77

Hình 3.16 Mặt cắt ngang trích xuất lưu lượng dòng chảy 77

Hình 3.17 Lưu lượng dòng chảy dư qua mặt cắt ngang trong năm 2013 78

Hình 3.18 Trường ứng suất đáy tổng cộng trong gió mùa Đông Bắc 78

Hình 3.19 Trường ứng suất đáy tổng cộng trong gió mùa Tây Nam 78

Hình 3.20 Trường ứng suất đáy do sóng trong gió mùa Đông Bắc 79

Hình 3.21 Trường ứng suất đáy do dòng chảy trong gió mùa Đông Bắc 79

Hình 3.22 Trường ứng suất đáy do sóng trong gió mùa Tây Nam 79

Hình 3.23 Trường ứng suất đáy do dòng chảy trong gió mùa Tây Nam 79

Hình 3.24 Các mặt cắt khảo sát biến thiên ứng suất đáy 80

Hình 3.25 Ứng suất đáy trong thời kỳ triều lên tại Mặt cắt 02 - Gió mùa Tây Nam 80

Hình 3.26 Ứng suất đáy trong thời kỳ triều rút tại Mặt cắt 02 - Gió mùa Tây Nam 81

Hình 3.27 Ứng suất đáy trong thời kỳ triều lên tại Mặt cắt 02 - Gió mùa Đông Bắc 81

Hình 3.28 Ứng suất đáy trong thời kỳ triều rút tại Mặt cắt 02 - Gió mùa Đông Bắc 81

Hình 3.29 Các điểm khảo sát ứng suất đáy 82

Hình 3.30 Biến thiên ứng suất đáy trong thời kỳ gió mùa Tây Nam 83

Hình 3.31 Biến thiên ứng suất đáy trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc 83

ix

Hình 3.32 Biến đổi địa hình đới bờ biển tại khu vực nghiên cứu trong năm 2013 84

Hình 3.33 Kết quả so sánh lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ giữa phương pháp thực nghiệm Camera và mô hình số trị 85

Hình 4.1 Vị trí bãi biển khu vực nghiên cứu 88

Hình 4.2 Sơ họa bố trí cụm công trình chỉnh trị khu vực nghiên cứu, phương án 02 91

Hình 4.3 Sơ họa bố trí cụm công trình chỉnh trị khu vực nghiên cứu, phương án 03 91

Hình 4.4 Sơ họa bố trí cụm công trình chỉnh trị khu vực nghiên cứu, phương án 04 91

Hình 4.5 Sơ họa bố trí cụm công trình chỉnh trị khu vực nghiên cứu, phương án 05 92

Hình 4.6 Vị trí kiểm tra so sánh kết quả trường vận tốc trên mô hình các phương án 92 Hình 4.7 Vận tốc dòng chảy tại vị trí 1 ứng với 4 phương án 93

Hình 4.8 Vận tốc dòng chảy tại vị trí 2 ứng với 4 phương án 94

Hình 4.9 Vận tốc dòng chảy tại vị trí 5 ứng với 4 phương án 95

Hình 4.10 Bồi xói khu vực nghiên cứu sau 12 tháng theo các phương án 96

Hình 4.11 Khảo sát mức độ bồi xói theo mặt cắt ngang 97

Hình 4.12 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt 1 ở các phương án 97

Hình 4.13 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt 3 ở các phương án 98

Hình 4.14 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt 5 ở các phương án 98

Hình 4.15 Sơ họa khu vực tính thể tích bồi xói 100

Hình 4.16 Thể tích bồi, xói khu vực tính toán trung bình tháng trong 4 phương án 100 Hình 4.17 Tổng thể tích bồi, xói khu vực tính toán trung bình tháng trong 4 phương án 100 Hình 4.18 Sơ đồ tính toán đánh giá biến động đới bờ biển 102

x

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Diện tích phân bố theo độ sâu vịnh Nha Trang 27

Bảng 2.2 Thống kê tần suất mực nước trạm Cầu Đá (1/5/2013 đến 1/5/2014) 31

Bảng 2.3 Số liệu lưu tốc thực đo (cm/s) trong vịnh Nha Trang [46] 33

Bảng 2.4 Vị trí các trạm đo hải văn (05/2013 và 12/2013) 37

Bảng 2.5 Kết quả đo đạc và đánh giá sai số giữa phao đo và máy ADCP 44

Bảng 2.6 Kết quả tính toán tỷ số DAR của phao thiết kế 45

Bảng 2.7 Các phương án thả phao 47

Bảng 2.8 Các hằng số điều hòa của sóng triều tại biên lỏng phía Đông 50

Bảng 2.9 Kết quả hiệu chỉnh mô hình (5/2013) 54

Bảng 2.10 Kết quả kiểm chứng mô hình (12/2013) 57

Bảng 3.1 Biến động chiều rộng bãi biển (m) khu vực nghiên cứu 70

Bảng 3.2 Kết quả đo vận tốc dòng chảy tổng hợp ven bờ (m/s) 73

Bảng 3.3 Ứng suất đáy tổng cộng do sóng và dòng chảy tổng hợp gây ra (N/m2) 82

Bảng 3.4 Ứng suất đáy do riêng dòng chảy tổng hợp (N/m2) 82

Bảng 3.5 Ứng suất đáy do riêng sóng (N/m2) 83

Bảng 4.1 Vận tốc trung bình tháng (m/s) tại vị trí 1 ứng với 4 phương án 93

Bảng 4.2 Vận tốc trung bình tháng (m/s) tại vị trí 2 ứng với 4 phương án 94

Bảng 4.3 Vận tốc trung bình tháng (m/s) tại vị trí 5 ứng với 4 phương án 95

DELFT3D Mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều do trường Đại học

DELFT Hà Lan Phát triển

Đề tài

Đề tài Nghị định thư cấp nhà nước hợp tác với Viện Nghiên cứu vì

sự phát triển Pháp (IRD) “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”

EFDC

Environmental Fluid Dynamics Code

Mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều EFDC

FVCOM

Finite-Volume, primitive equation Community Ocean Model

Mô hình hoàn lưu biển sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn GPS Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu

GTVT Giao thông vận tải

KTTV Khí tượng thủy văn

MIKE Mô hình thủy động lực học môi trường do Viện thủy lực Đan Mạch

phát triển NBNT Nuôi bãi nhân tạo

NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration - Trung tâm

nghiên cứu biển và khí quyển Mỹ

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam với bờ biển dài hơn 3.260km, xuất phát từ phía Bắc xuống phía Nam, nằm vị trí thứ 27 của thế giới, trên tổng số 157 quốc gia, quốc đảo, vùng lãnh thổ có tiếp giáp với biển Chỉ số chiều dài bờ biển trên diện tích đất liền của Việt Nam xấp xỉ 0,01km (cứ 100km2 đất liền có 1km bờ biển) Trong 63 đơn vị hành chính (bao gồm các tỉnh và thành phố trực thuộc Trung ương) trên cả nước thì có 28 tỉnh, thành phố với gần một nửa dân số sinh sống ven biển [1]

Vịnh Nha Trang nằm về phía Đông thành phố Nha Trang, là Vịnh lớn thứ hai sau vịnh Vân Phong của tỉnh Khánh Hòa, với diện tích khoảng 500km2 Vịnh nằm trong giới hạn phía Bắc là mũi Khe Cây (Kê Gà) và phía Nam là mũi Đồng Ba (Núi Cù Hin) Vịnh Nha Trang

là một trong 29 vịnh đẹp nhất Thế giới, là trung tâm du lịch và dịch vụ, có tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh của tỉnh Khánh Hòa nói riêng và khu vực Nam Trung Bộ nói chung

Bên cạnh những thế mạnh về du lịch, hiện tại khu vực bãi biển vịnh Nha Trang đang tồn tại một số hạn chế sau:

Bãi biển hẹp, dốc và biến đổi theo mùa: Bãi biển từ Khách sạn 378 (Bộ Công an) đến cảng Hải quân có độ dốc trung bình từ 2% đến 5% Do bãi biển quá dốc, nước sâu áp sát bờ, sóng leo cao và rút mạnh, gây nguy hiểm cho người tắm biển do đó làm giảm sức hấp dẫn về du lịch nói chung

Sóng lớn thường xuyên tác động vào bờ: Với sóng hướng Đông Bắc khu vực Bãi Tiên

và đoạn bờ từ Tháp Trầm Hương đến Cảng Vinpearl bị sóng tác động mạnh nhất, chiều cao sóng gần bờ trong bão có thể đạt tới 3,2m Với sóng hướng Đông, toàn bộ khu bờ

từ cảng Vinpearl đến Bãi Tiên bị sóng tác động mạnh Tuy nhiên, tần suất và cường độ của sóng hướng Đông Bắc cao hơn sóng hướng Đông Ngoài ra, còn có sóng lừng hoạt động khá thường xuyên, chiều cao sóng lừng có thể đạt tới 2,0m Khi có sóng lớn, ngọn sóng có thể leo tràn qua bờ, làm ngập đường giao thông ven biển, nhất là đường Trần Phú Sóng lớn làm sạt lở bờ biển, gây tổn hại đến các công trình ven bờ

2

Từ trước đến nay chưa có nghiên cứu nào đi sâu xác định cơ chế bồi, xói, vận chuyển bùn cát và nguyên nhân tác động chính ảnh hưởng đến cơ chế biến động đới bờ biển với mục tiêu ổn định và nâng cấp bền vững các bãi biển đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế du lịch vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hoà

Vì vậy, nghiên cứu trong luận án sẽ tập trung vào chế độ thủy động lực học, cơ chế bồi, xói và tác động của sóng, dòng chảy tổng hợp đến biến đổi địa hình đới bờ biển vịnh Nha Trang, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất các giải pháp bảo vệ và tôn tạo bãi biển khu vực nghiên cứu hiệu quả, ổn định lâu dài Hình 0.1 là hình ảnh minh họa cho các vấn đề hạn chế của bãi tắm ven biển vịnh Nha Trang

a) Bãi tắm hẹp, dốc b) Bãi tắm hẹp, dốc, nước rút mạnh

c) Sóng đổ gần bờ nguy hiểm cho người tắm d) Sóng xô lên đỉnh bờ làm ngập đường

e) Bãi tắm trung tâm ngày càng quá tải f) Các vật trôi nổi, rác bẩn tràn lên bãi tắm

Hình 0.1 Một số tồn tại của bãi tắm biển Nha Trang [2]

3

2 Mục tiêu nghiên cứu

Các mục tiêu nghiên cứu của luận án là:

1) Mô tả và lý giải được cơ chế bồi, xói theo mùa của bãi biển khu vực nghiên cứu 2) Làm sáng tỏ được chế độ thủy động lực học, cơ chế vận chuyển bùn cát và các yếu

tố tác động chính gây nên sự biến đổi địa hình đới bờ biển khu vực nghiên cứu

3) Đề xuất và lựa chọn được giải pháp bố trí công trình phù hợp để cải thiện các mặt hạn chế của bãi biển khu vực nghiên cứu, vịnh Nha Trang

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Chế độ thủy động lực học, cơ chế bồi, xói và tác động của sóng, dòng chảy tổng hợp ven bờ đến biến đổi địa hình đới bờ biển

Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi đới bờ biển Xương Huân

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Tiếp cận hiện đại: Sử dụng các phương pháp, công nghệ hiện đại để nghiên cứu và tìm giải pháp xử lý những tác động tiêu cực đến bờ biển khu vực nghiên cứu

Tiếp cận bền vững: Giải pháp công trình đề xuất phải được tính toán kỹ càng để vừa đạt được mục đích ổn định, tôn tạo bãi biển, vừa không phá vỡ cảnh quan môi trường cũng như không gây ảnh hưởng tiêu cực đến các khu vực lân cận

4

4.2 Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án

Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu chủ yếu sau: phương pháp nghiên cứu tổng quan; phương pháp nghiên cứu thực nghiệm quan trắc hiện trường (quan trắc đường

bờ bằng Camera; thả phao nghiên cứu dòng chảy tổng hợp ven bờ…); phương pháp sử dụng mô hình số trị và phương pháp nghiên cứu ứng dụng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

Luận án đã nghiên cứu đưa phương pháp phao trôi vào áp dụng thực tiễn tại khu vực ven

bờ biển vịnh Nha Trang, nhằm nghiên cứu dòng chảy tổng hợp ven bờ và cho phép kiểm chứng, hiệu chỉnh mô hình toán ứng dụng thực tiễn một cách hiệu quả Thành công của nghiên cứu trong luận án cho phép lập quy trình ứng dụng phao trôi vào nghiên cứu dòng chảy tổng hợp ven bờ và làm cơ sở tin cậy để hiệu chỉnh, kiểm chứng khả năng áp dụng thực tiễn của các mô hình toán mô phỏng dòng chảy tổng hợp tại Việt Nam

Với bộ số liệu tin cậy có được từ các thiết bị quan trắc, khảo sát hiện đại cùng với mô hình toán mã nguồn mở đã được hiệu chỉnh, kiểm chứng, luận án đã làm sáng tỏ cơ chế vận chuyển bùn cát, tìm ra được các nguyên nhân chính và đánh giá vai trò tác động của từng yếu tố động lực đến biến đổi địa hình đới bờ biển khu vực nghiên cứu Đây là cơ

sở khoa học quan trọng cho việc đề xuất các giải pháp công trình cải tạo bãi biển Nha Trang đảm bảo phát triển du lịch, môi trường, sinh thái bền vững

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Thành công của luận án sẽ cung cấp một giải pháp phù hợp cho việc nghiên cứu và đề xuất giải pháp công trình nhằm ổn định, tôn tạo bãi biển khu vực nghiên cứu nói riêng và các khu vực biến đổi địa hình đới bờ biển nói chung Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong việc góp phần phát triển nền kinh tế du lịch biển một cách bền vững trong giai đoạn ứng phó với các diễn biến bất lợi của biến đổi khí hậu hiện nay

5

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận, nội dung luận án gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ và giải pháp

công trình ổn định bãi biển

Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển

Chương 3: Nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển Xương Huân, vịnh Nha Trang Chương 4: Nghiên cứu đề xuất giải pháp công trình ổn định, tôn tạo bãi biển Xương

Huân, vịnh Nha Trang

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH BÃI BIỂN

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Khái niệm về đới bờ biển

Đới bờ biển là khu vực phân giới xẩy ra tiếp xúc và tương tác giữa biển và lục địa, là dải ven bờ chịu tác động rõ rệt của sóng và thủy triều Thuật ngữ khoa học gọi dải đất đó là đới

bờ biển (Coastal area) Đới bờ biển gồm 3 thành phần hợp thành:

Bãi trên hay bãi sau (Backshore): là phần bãi nằm cao hơn mực nước đỉnh triều, chỉ có thể bị ngập khi gặp sóng bão, triều cường

Bãi giữa hay bãi trước (Foreshore): là phần bãi nằm giữa mực nước đỉnh triều và mực nước chân triều, bao gồm cả khu vực sóng leo trên đường đỉnh triều

Bãi thấp hay bãi ngoài (Inshore-Shore Face): là phần bãi trong giải sóng vỡ dưới đường chân triều, vì vậy cũng gọi là dải sóng vỡ Khi triều cao, bãi giữa cũng là một phần của dải sóng vỡ Đây là phần bãi biến động mạnh nhất của dải bờ biển do có chuyển động bùn cát rất mạnh Các khu vực động lực trên mặt cắt ngang bờ biển và các thuật ngữ tên gọi tương ứng được thể hiện trên Hình 1.1

Hình 1.1 Định nghĩa về đới bờ biển [3]

Vùng bờ biển

Bờ biển Bãi biển hay bờ biển

Vùng gần bờ

Ngoài khơi

Đỉnh bãi Thềm bãi

Vùng sóng vỡ Đới bờ biển

Bãi thấp hay bãi ngoài

7

1.1.2 Các vấn đề KH-CN trong nghiên cứu biến động đới bờ biển

Đới bờ biển trên toàn trái đất dài khoảng 440.000km (gấp 11 lần chiều dài đường xích đạo), là khu vực có kinh tế, văn hóa phát triển nhất thế giới ngày nay Vì vậy, hàng ngàn năm nay từ khi con người có yêu cầu chinh phục biển, nghiên cứu khoa học - công nghệ (KH - CN) về đới bờ biển luôn là vấn đề thời sự, dành được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới cũng như của Việt Nam

Các vấn đề KH-CN về đới bờ biển chủ yếu bao gồm:

- Đặc điểm hình thái và cách phân loại đới bờ biển;

- Cơ chế thành tạo đới bờ biển và các yếu tố ảnh hưởng;

- Cấu trúc và phân bố trầm tích;

- Các yếu tố động lực trong đới bờ biển;

- Chuyển động bùn cát trong đới bờ biển và các yếu tố ảnh hưởng;

- Công trình bảo vệ, tôn tạo, khai thác bờ biển

1.2 Tổng quan các nghiên cứu ở nước ngoài về cơ chế biến động đới bờ và giải pháp công trình ổn định bãi biển biển

1.2.1 Lịch sử nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển

Nghiên cứu xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển, hải cảng luôn gắn liền với sự phát triển của nền văn minh nhân loại Một số dấu vết về các công trình cảng cổ xưa còn tồn tại cho đến ngày nay Phần lớn các cảng và công trình bảo vệ bờ biển lâu đời này đã bị phá hủy do động đất, sụt lún hoặc bị đất chôn vùi

Các nghiên cứu xây dựng công trình biển cổ xưa chủ yếu tập trung vào việc xây dựng cảng, trừ một số ít các công trình liên quan đến bảo vệ bờ biển Việc bảo vệ thành phố Venice là môt ví dụ về công trình xây dựng bảo vệ bờ biển Các tài liệu tiếng Hy Lạp

và Latinh của Herodotus, Josephs, Suetonius … đưa ra các mô tả về các nghiên cứu ven

bờ Đã cho thấy sự hiểu biết khá đầy đủ của họ về các quá trình phức tạp ven bờ chỉ với các số liệu đo đạc hạn chế và các công cụ xây dựng thô sơ Các nhà nghiên cứu về bờ biển cổ xưa đã nắm vững được các quá trình động lực ven bờ như dòng chảy của khu

8

vực ven bờ biển Địa Trung Hải, chế độ gió và tác động của gió và sóng Người La Mã

là những người đầu tiên thiết lập hoa gió biểu thị chế độ gió vùng ven bờ [4] [5]

1.2.2 Các nghiên cứu về biến động đới bờ biển

Nhìn chung, việc nghiên cứu biến động đới bờ biển là vấn đề đã được thế giới quan tâm

từ rất lâu, theo thời gian, các kết quả nghiên cứu đã cho thấy những quy luật rõ ràng của

tự nhiên Các kết quả nghiên cứu cũng đã được tổng hợp lại và xuất bản trên những ấn phẩm khoa học dưới dạng bài báo khoa học hoặc các cuốn sách rất có giá trị cho việc tham khảo trong nghiên cứu cũng như phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu tính toán ứng dụng trên thực tiễn

Các nghiên cứu về cơ sở khoa học của các quá trình thành tạo và biến đổi địa mạo bờ biển được công bố trong các công trình của Steers (1948, 1962), Guilcher (1958), Ottmann (1965), Bird (1969), Zenkovich (1967), Davies (1973) Trong đó công trình của King (1972) được

sử dụng rất rộng rãi khi tham khảo về các quá trình xảy ra trên bãi biển Shepard và Wanless (1971) đã có các thử nghiệm nghiên cứu tổng hợp về lịch sử biến động bờ biển của Mỹ bao gồm cả Alaska và Hawaii Các cuốn sách về kỹ thuật bờ biển của Wiegel (1964), Ippen (1966), Muir Wood (1969) đã đề cập đến các vấn đề về áp dụng các loại kỹ thuật khác nhau trong công nghệ ven biển Cuốn “Hướng dẫn bảo vệ bờ” [3] do Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật bờ biển của Mỹ công bố vào các năm 1973, 1977 và tái bản lần cuối cùng năm 1984 là một cuốn sách cẩm nang cho các nhà kỹ thuật bờ biển Tuy nhiên nội dung cuốn sách này chủ yếu tập trung vào vấn đề bảo vệ bờ biển Năm 2000, Trung tâm nghiên cứu này đã cho

ra đời cuốn sách tổng hợp về nghiên cứu bờ biển (CEM) “Hướng dẫn về công nghệ bờ biển” [4] Trong cuốn sách này đưa ra các cơ sở khoa học về các quá trình ven bờ, các phương pháp tính toán các thông số kỹ thuật phục vụ bảo vệ bờ biển cửa sông, và hướng dẫn lập kế hoạch nghiên cứu giảm thiểu tác động của bão đến bờ biển, bảo vệ bờ và các công trình xây dựng ven biển Đồng thời trong cuốn sách hướng dẫn này, đã nghiên cứu một cách khái quát, rộng rãi tất cả các vấn đề liên quan đến bờ biển bao gồm cả vấn đề hàng hải và thiết kế cảng, nạo vét luồng ra vào cảng, vị trí xả thải các bùn cát nạo vét, duy tu và phục hồi công trình biển, các quá trình đất ngập nước và bảo vệ các vùng bờ biển có năng lượng yếu, bờ biển cấu tạo

từ bùn cát kết dính, đánh giá rủi ro, mô phỏng số các quá trình ven bờ và các quá trình khác liên quan đến đới bờ biển Hướng dẫn về công nghệ bờ biển gồm hai mảng đề cập đến cơ sở

9

khoa học và cơ sở công nghệ ven bờ biển Mảng cơ sở khoa học bao gồm Phần II - Thủy động lực ven bờ; Phần III - Các quá trình bùn cát ven bờ và Phần IV - Địa chất ven bờ Các phần này đề cập đến các cơ sở khoa học các quá trình ven biển mà mảng thứ hai - Cơ sở công nghệ ven biển sẽ sử dụng Mảng Cơ sở công nghệ ven biển bao gồm Phần V - Lập kế hoạch

và thiết kế và Phần VI - Thiết kế chi tiết các công trình biển đề cập đến cơ sở phương pháp luận nghiên cứu tổng thể về các vấn đề bảo vệ bờ biển khác với các vấn đề thiết kế cụ thể được đưa ra trong cuốn “Hướng dẫn bảo vệ bờ biển” trước đó Phụ lục A của “Hướng dẫn về công nghệ bờ biển” đưa ra các thuật ngữ liên quan đến các quá trình ven bờ biển Cuốn sách này được cập nhật định kỳ các kiến thức, kết quả nghiên cứu mới về các quá trình liên quan đến công nghệ bờ biển [5]

1.2.3 Tổng quan về phương pháp nghiên cứu biến động đới bờ biển

Trước đây, do thiếu công cụ tính toán, dự báo bằng mô hình toán như tính sóng, dòng chảy tổng hợp cũng như vận chuyển bùn cát ven bờ cho nên phương pháp nghiên cứu biến động đới bờ biển được thực hiện theo trình tự: Đo đạc các yếu tố sóng, dòng chảy, nồng độ bùn cát, sau đó tính toán dòng bùn cát bằng các công thức bán kinh nghiệm để xem xét chênh lệch dòng bùn cát cho một khu vực và đánh giá biến động địa hình của khu vực nghiên cứu

Từ những tiến bộ vượt bậc về công nghệ và kỹ thuật tính toán, máy móc đo đạc hiện trường hiện đại cùng các phương pháp nghiên cứu tiên tiến nên việc tính toán các yếu

tố thủy thạch động lực ven bờ trong những năm gần đây đã có những chuyển biến mạnh

về chất Phương pháp nghiên cứu chủ yếu hiện nay là sử dụng mô hình toán để mô phỏng kết hợp với khảo sát, đo đạc hiện trường Các nghiên cứu biến đổi địa hình đới bờ ngắn hạn phổ dụng hiện nay có thể được khái quát như trên sơ đồ Hình 1.2 Trong đó, có thể thấy yếu tố chủ yếu là sóng và dòng chảy ven bờ (do thuỷ triều, gió, dòng do sông đổ

ra, do dòng chảy sóng) Chính vì vậy, việc mô phỏng, dự báo biến đổi địa hình bờ sẽ phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của các mô hình mô phỏng lan truyền và biến dạng sóng vùng ven bờ và mô hình tính toán dự báo dòng chảy tổng hợp Bên cạnh đó, cách tính toán các dòng vận chuyển bùn cát trong mô hình vận chuyển bùn cát cũng là vấn

đề quan trọng trong việc mô phỏng được đúng quá trình biến đổi địa hình đới bờ biển

10

Tính toán dự báo, đánh giá biến đổi địa hình đới bờ biển được thực hiện theo sơ đồ Hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ tính toán đánh giá biến động đới bờ biển

1.2.4 Tổng quan về các mô hình số trị mô phỏng sóng và dòng chảy

Các ứng dụng thực tế tính toán sóng bao gồm một hỗn hợp sóng lừng và sóng do gió tạo thành tại chỗ, gió biến đổi theo không gian, thời gian và địa hình bờ Để tính toán sóng trong các trường hợp này cần phải dùng một mô hình diễn tả được các quá trình vật lý xảy ra trong tự nhiên

Mô hình toán đầy đủ có tính đến tất cả các điều kiện thực tế nêu trên thường rất phức tạp và khó áp dụng trên thực tiễn do thời gian tính toán quá lâu và đòi hỏi máy tính có

bộ nhớ rất lớn cũng như tốc độ tính toán rất nhanh Thực tế hiện nay, những mô hình phức tạp như vậy thường giải trực tiếp hệ phương trình Navier-Stokes và mới chỉ phù hợp cho các bài toán qui mô nhỏ (thí dụ như trong phòng thí nghiệm, xung quanh một vật thể, một công trình) mà chưa thể áp dụng cho tính toán thực tế trên qui mô vùng bờ biển Để đáp ứng được nhu cầu áp dụng thực tiễn và không bị xa rời bản chất vật lý chủ đạo của quá trình sóng, thông thường, một loạt các mô hình đơn giản hơn được đưa ra

để áp dụng cho các trường hợp đặc biệt Trong đó, các quá trình vật lý chủ đạo, chiếm

ưu thế được chú trọng mô mỏng, và bỏ qua những quá trình thứ yếu, có tác động không lớn đến kết quả mô phỏng Do đó, để lựa chọn được một mô hình thích hợp nhất cần

SÓNG

ỨNG SUẤT SÓNG

DÒNG CHẢY TỔNG HỢP VEN BỜ

TRIỀU GIÓ

BIẾN ĐỔI ĐỊA HÌNH ĐỚI BỜ BIỂN

VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VEN BỜ ĐỊA HÌNH

TÍNH CHẤT ĐÁY

11

phải hiểu tính quan trọng tương đối của các quá trình vật lý Battjes (1994) đã phân các

mô hình trong đó miền áp dụng được chia thành 4 loại như sau:

1) Nước sâu, ảnh hưởng của đáy là có thể bỏ qua

2) Thềm lục địa - miền giữa nước sâu và nước nông

3) Miền nước nông mà tại đó hiệu ứng nước nông là quan trọng

4) Khu vực mà tại đó cần phải tính đến tương tác giữa sóng và một công trình nào đó (như đập phá sóng, dàn khoan dầu khí, đảo, dải đá ngầm v.v )

Ngoài ra, các mô hình có thể được chia thành hai loại:

1) Mô hình phân giải pha có tính đến biên độ và pha của các sóng thành phần

2) Mô hình trung bình pha chỉ tính được các đại lượng trung bình như phổ hay các đặc trưng tích phân (H s, f p, v.v.)

Nếu như các đặc trưng trung bình pha thay đổi nhanh (với bậc vài bước sóng) thì nói chung cần phải dùng một mô hình phân giải pha Ngược lại, nếu các tính chất sóng thay đổi chậm, trên kích thước rất nhiều bước sóng thì nói chung, một mô hình trung bình pha là áp dụng được

Không có loại mô hình nào là ưu việt hơn và thường là dải áp dụng của chúng là không

trùng lặp Tuy nhiên, Battjes (1994) kết luận rằng: “Các mô hình phân giải pha cần nhiều thời gian tính toán nên chỉ dùng chúng khi mà có yêu cầu chi tiết nghiêm ngặt” Trong

số các quá trình sóng, thì chỉ có nhiễu xạ và tương tác phi tuyến, tương tác sóng phản

xạ - sóng tới và sóng đổ cần được mô phỏng bằng mô hình phân giải pha Do đó, miền

áp dụng của các mô hình phân giải pha thường được thực hiện trong khu vực có tương tác sóng và công trình (cảng v.v.) và miền gần bờ

Sự xuất hiện của các công cụ mô hình toán 1D, 2D và 3D cho phép tính toán và mô phỏng các quá trình thủy động lực trong sông, ngoài biển như: mực nước; dòng chảy; trường vận tốc; độ cao sóng; triều; nước dâng; vận chuyển 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

1.2.5 Tổng quan về tính toán vận chuyển bùn cát ven bờ

Từ những năm 50 của thế kỷ XX đến nay, việc xây dựng các công trình ven biển đã thúc đẩy mạnh mẽ việc nghiên cứu về dòng chảy, chuyển động bùn cát ven bờ Các nhà khoa học trên thế giới đã thu được nhiều thành tựu đáng kể trong nghiên cứu để tìm hiểu các quy luật chuyển động bùn cát ven bờ biển dưới tác dụng của sóng, dòng chảy tổng hợp ven bờ Thông qua các phương pháp như quan trắc hiện trường, thực nghiệm mô hình vật lý, phân tích lý thuyết…, các nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra được nhiều công thức bán kinh nghiệm, mỗi công thức có phạm vi áp dụng nhất định Đại diện có một số công thức tiêu biểu như:

1.2.5.1 Công thức CERC và các dạng chỉnh sửa

Trong rất nhiều công thức loại dòng chảy năng lượng sóng, được ứng dụng rộng rãi nhất

là công thức CERC Về sau, công thức này được nhiều nhà nghiên cứu xem xét ảnh hưởng của các yếu tố khác tiến hành một số chỉnh sửa Năm 1984, công thức CERC được đưa vào “Sổ tay bảo vệ bờ biển” của Mỹ và ứng dụng cho đến ngày nay

Công thức CERC được đề xuất sớm nhất là dựa vào số liệu thí nghiệm của Krumbein (1944) [6] và số liệu thực đo hiện trường của Watts (1953), Caldwell (1956) [7], có dạng

cơ bản như sau:

.

13

trong đó, Iy suất tải cát tính theo trọng lượng (N/s); Py là dòng năng lượng sóng (N/s); a,

b là các tham số; E là tổng năng lượng sóng trên đơn vị diện tích (June/m2); Cg là tốc độ nhóm sóng (m/s); θ là góc giữa đường đỉnh sóng vỡ với đường đẳng sâu (degr); K là hệ

số kinh nghiệm Về hệ số kinh nghiệm K, các học giả khác nhau đã đưa ra các biểu thức khác nhau

Komar và Inman [8] sau khi tổng hợp các số liệu thí nghiệm của Watts (1953) và Caldwell (1956), xác định K=0,42 Sau đó, xem xét thêm số liệu đo đạc hiện trường của mình vào năm 1970, sửa lại K=0,77

Công thức CERC của Komar và Inman không xét đến các yếu tố như độ dốc, chu kỳ, đường kính hạt, loại hình sóng vỡ, không phù hợp với nhiều trường hợp thực tế Số liệu thí nghiệm của Wang et al (2002) [9] chứng tỏ rằng: dùng phương pháp xử lý này để

dự báo sóng vỡ đổ thì trị số tính toán lớn gấp 2,5 lần trị số thực tế, với sóng vỡ cuộn thì lớn gấp 7 lần, hơn nữa chỉ thích dụng với phạm vi đường kính hạt 0,2÷0,4mm Sau đó, rất nhiều học giả cũng đưa ra những hiệu chỉnh của mình về hệ số K Bailard và Inman (1981) [10] cho rằng, K phụ thuộc vào góc sóng vỡ, lưu tốc đáy, tốc độ lắng chìm của bùn cát Ozhan (1982) [11] căn cứ vào số liệu phòng thí nghiệm thấy rằng K có quan hệ với độ dốc sóng nước sâu Del Valle (1993) và một số người khác [12] căn cứ vào số liệu thí nghiệm xây dựng quan hệ số mũ giữa K và đường kính hạt trung bình Kamphuis

và Readshaw (1978) [13] thông qua thí nghiệm phát hiện K có quan hệ với số Iribarren

1.2.5.2 Công thức Kamphuis

Kamphuis (1986) [14] tổng hợp số liệu hiện trường và số liệu thí nghiệm, xây dựng được quan hệ giữa suất tải cát và chiều cao sóng, góc sóng đổ, độ dốc sóng, đường kính hạt

3,5 1 50

Phòng thí nghiệm của Kamphuis lấy chiều cao sóng có ý nghĩa là 0,05÷0,14m Kết quả nghiên cứu của Wang et al (1999) [16] chứng tỏ rằng trong điều kiện có nước dâng do bão, kết quả tính toán của Kamphuis có độ chính xác thấp hơn so với một số công thức khác Nhưng, Schoones và Theron (1993) [17] so sánh 52 phương trình tổng tải cát đã phát hiện rằng kết quả tính toán của Kamphuis là tốt nhất, trên cơ sở công thức năm 1991 của Kamphuis họ đề xuất công thức của mình, có thể mở rộng phạm vi tính toán đến khu vực

có chiều cao sóng 0,3m, đường kính hạt nhỏ hơn 1mm Công thức đó như sau:

mô phỏng chi tiết dòng chảy do sóng và sóng đổ vùng gần bờ, hai là, nghiên cứu cơ chế chuyển động bùn cát ven bờ dưới tác động của sóng và dòng chảy Những năm gần đây,

mô phỏng số về dòng ven bờ do sóng đã thu được nhiều thành quả, nhưng do chuyển động bùn cát ven bờ có tính chất quá phức tạp nên chưa thu được nhiều tiến bộ đáng kể,

vì vậy, vấn đề này vẫn còn chờ đợi những nghiên cứu tiếp theo

1.2.6 Tổng quan các nghiên cứu về công trình bảo vệ và tôn tạo bờ, bãi biển

Để bảo vệ và tôn tạo bờ biển, bãi biển trên thế giới thường sử dụng riêng lẻ hoặc các tổ hợp khác nhau từ các giải pháp cơ bản sau đây:

- Công trình gia cố bờ;

- Các loại công trình ngăn cát, giảm sóng;

và cảnh quan khu vực Hai loại khối đang được đánh giá cao hiện nay là khối Hydroblock

và khối Basalton của Hà Lan

Các loại công trình ngăn cát, giảm sóng bao gồm các loại mỏ hàn biển (Groins), đê giảm sóng gần bờ (Detached breakwaters), công trình chữ L (L-shaped LCS), công trình dạng chữ T (T-shaped LCS), rạn nhân tạo (Artificial Reefs) …và các loại công trình biến thể, cách điệu khác

Hình 1.3 Tỷ lệ phân bố các dạng công trình bảo vệ bờ biển tại Châu Âu (1988) [18] Theo kết quả nghiên cứu của chương trình DELOS (Environmental Design of Low Crested Coastal Defence Structures) được tiến hành từ năm 1998 đến năm 2002 tại Châu Âu cho thấy,

có khoảng 1245 đê giảm sóng (ĐGS), chiếm tới 66% công trình chủ động bảo vệ bờ biển Các công trình ĐGS được xây dựng nhiều nhất là ở Anh, Italia, Tây Ban Nha Trong đó Anh có 9 hệ thống, Tây Ban Nha có 9 hệ thống, Đan Mạch có 1 hệ thống, Italia có 700

hệ thống (Franco 1986) [19]

Dưới đây trình bày một số loại công trình bảo vệ, tôn tạo bãi biển chủ yếu

16

1.2.6.1 Mỏ hàn biển (MHB)

Mỏ hàn biển là loại công trình chủ động ngăn cát, giảm sóng và bảo vệ bờ biển Sổ tay

kỹ thuật bờ biển của Mỹ (CEM 2002) [4] đã tổng kết khá cơ bản những nguyên tắc cho thiết kế MHB nên cần thiết cho mọi chỉ dẫn kỹ thuật Hướng dẫn thiết kế MHB của Anh (CIRIA,1991) [20] là một tài liệu rất cơ bản Các nguyên tắc cơ bản cho thiết kế MHB được đề xuất thành những tài liệu chỉ dẫn

1.2.6.2 Đê giảm sóng gần bờ

Đê giảm sóng gần bờ có tác dụng giảm sóng, chống xói và tạo bãi Các chỉ dẫn, hướng dẫn kỹ thuật, sổ tay kỹ thuật của Hiệp hội các nhà kỹ thuật quân đội Mỹ như CERC-93-

19 [21], EM 1110-2-1617 [22], SPM1984 [3], CEM2002 [4] hoặc các Hướng dẫn thiết

kế mới nhất của Anh, Châu Âu (chương trình DELOS) cũng rất thận trọng trong đề nghị

áp dụng các phương pháp thực nghiệm để bố trí không gian hệ thống ĐGS và dự báo diễn biến đường bờ sau khi có công trình

Trên cơ sở phân tích ưu điểm và hạn chế của các phương pháp: thực nghiệm trên mô hình vật lý, Dally và Pope (1986) đã có những chỉ dẫn các bước thiết kế không gian công trình ĐGS trong tài liệu [23]

1.2.6.3 Rạn nhân tạo

Rạn nhân tạo (RNT) hoặc dải ngầm là dạng công trình đa mục tiêu nhằm bảo vệ bờ biển, kích thích hệ sinh thái biển và phát triển du lịch Về mặt nguyên lý thì RNT hoạt động tương tự như đê ngầm giảm sóng, có tác dụng làm giảm năng lượng sóng ở vùng gần

bờ, từ đó hạn chế tác động gây xói lở bãi biển và nâng cao sự an toàn cho người tắm biển RNT có thể được xây dựng bằng nhiều loại vật liệu, cấu kiện khác nhau như đá

đổ, khối bê tông, ống vải địa kỹ thuật bơm cát, hay bao tải cát

Một số công trình đã xây dựng RNT trên thế giới:

- Rạn đá granite Cable Station, xây dựng năm 1999 ở tây Australia, được biết tới là dải ngầm đầu tiên trên thế giới nhằm cải thiện điều kiện sóng cho những người lướt ván [24]

- Gần đây một kết cấu mới đã được phát triển với dạng khối cầu rỗng và có khoét các lỗ thủng (Reef Ball), được bố trí dưới đáy biển nhằm giảm năng lượng sóng, vận tốc dòng

17

chảy và tạo ra nơi cư trú cho san hô và sinh vật biển Rạn dạng cầu này đã được áp dụng

ở một số nơi như phía Nam biển Caribbe, Curacao, Indonesia, … và đem lại những hiệu quả tích cực tới môi sinh và thu hút thêm khách du lịch

- Một số RNT có kết cấu bao hoặc ống vải địa kỹ thuật đã được xây dựng tại eo biển Emilia Romagna ở Italy, Tabasco và Yucatan ở Mexico Những rạn ngầm này có chức năng giảm sóng, tạo bãi và ít ảnh hưởng tới cảnh quan khu vực

1.2.6.4 Nuôi bãi nhân tạo

Nuôi bãi nhân tạo (beach nourishment) (NBNT) là phương pháp cải tạo bãi biển bằng cách

đưa cát từ nơi khác đến đổ vào vùng bãi cần cải tạo, nhằm chống xâm thực bờ, bãi và điều chỉnh hình thái bãi đạt tới mặt cắt cân bằng, phù hợp với trường động lực tại vùng biển cải tạo Cát mang đến có thể từ vùng bờ lân cận, có thể từ ngoài khơi Hàng năm cần phải bổ sung lượng cát mất đi, khoảng 10%, để hoàn lại mặt cắt bãi thiết kế ban đầu

Công trình NBNT đã được xây dựng lần đầu tiên tại đảo Coney, ở Mỹ năm 1922 [25]

Kể từ đó có rất nhiều công trình NBNT từ nhỏ đến lớn đã được xây dựng và những kiến thức về công trình NBNT đã thu được từ các kinh nghiệm thực tế, những hiểu biết về quá trình bờ biển đã tăng lên Việc thiết kế, xây dựng các công trình NBNT ngày càng thu được nhiều thành công lớn

Hiện nay, giải pháp NBNT đang được các nước trên thế giới đánh giá cao và ứng dụng rộng rãi, mang lại nguồn lợi lớn cho du lịch, đặc biệt là các bãi biển nổi tiếng ở Mỹ (Miami), Tây Ban Nha (Barcelona) NBNT còn được kết hợp với các loại công trình khác

để có hiệu quả bền vững hơn

1.2.6.5 Bố trí nhiều loại công trình khác nhau trong một khu vực

Trong điều kiện thủy, hải văn và địa hình bãi biển phức tạp, để lợi dụng các ưu điểm và hạn chế các khuyết điểm của các loại công trình riêng rẽ hoặc loại trừ cảm giác nhàm chán của du khách có thể sử dụng loại công trình hỗn hợp, tùy theo nhu cầu thẩm mỹ

để tạo ra các phương án bố trí có tính nghệ thuật cao Từ Hình 1.4 đến Hình 1.7 dẫn ra các ví dụ về bố trí công trình tổng hợp tại một số bờ biển nổi tiếng trên thế giới

18

Hình 1.4 Hình ảnh kết hợp ba loại công trình trên bãi tắm Jaywich (Anh) [2]

Hình 1.5 Bãi biển Fiumicino, Roma (Italy) [2]

Hình 1.6 Bãi biển tại Dubai (UAE) [2]

Hình 1.7 Bãi biển tại Malaga (Tây Ban Nha) [2]

19

1.3 Tổng quan nghiên cứu trong nước về biến động đới bờ và giải pháp ổn định bãi biển

1.3.1 Nghiên cứu biến động đới bờ biển

Nghiên cứu biến động đới bờ biển nói chung và chủ yếu là nghiên cứu xói lở, bồi tụ nói riêng trong những năm gần đây chủ yếu được tiến hành trong khuôn khổ các chương trình nghiên cứu thuộc chương trình điều tra nghiên cứu biển cấp nhà nước và hiện nay là các chương trình khoa học công nghệ biển cấp nhà nước Trong chương trình Biển KT.03 (1990-1995) có đề tài cấp Nhà nước nghiên cứu về hiện trạng và nguyên nhân bồi xói dải

bờ biển Việt Nam [26] Trong chương trình biển KHCN.06 (1996-2000) có đề tài “Nghiên

cứu quy luật và dự đoán xu thế bồi tụ-xói lở vùng ven biển và cửa sông Việt Nam” [27] và

đề tài “Cơ sở khoa học và các đặc trưng kỹ thuật đới bờ phục vụ yêu cầu xây dựng công trình biển ven bờ” [28] Vấn đề xói lở còn được đặt ra trong khuôn khổ đề tài độc lập cấp nhà nước KHCN-5, Giai đoạn 1990-2000: “Nghiên cứu dự báo, phòng chống sạt lở bờ biển Việt Nam” [29] và một số đề tài có các nội dung nghiên cứu về biến động bờ biển trong chương trình biển giai đoạn 2001-2005 Ngoài ra nhiều đề tài liên quan đến xói lở ở cấp bộ, được thực hiện tại Bộ NN và PTNT, Trung tâm KHTN&CNQG (nay là Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) Cho đến nay, nhờ các kiến thức về địa mạo, địa chất, chúng ta đã

mô tả được khá chi tiết trên các bản đồ 1/250.000, 1/100.000 bức tranh biến động bờ biển, bồi, xói tổng quát dọc bờ biển Việt Nam và đã sơ bộ lý giải nguyên nhân, trong đó nguyên nhân ngoại sinh là quan trọng nhất Còn đối với từng khu vực bồi, xói cụ thể, đã chuẩn bị được lực lượng cả về trang thiết bị, phương pháp và con người để nghiên cứu tìm cơ chế của quá trình bồi xói, đặc biệt là khả năng mô phỏng số quá trình đó, nhưng mới chỉ ứng dụng được cho một vài vùng cụ thể

Ở nước ta, hiện nay việc áp dụng các phương pháp nghiên cứu cơ chế xói lở, bồi tụ cho các đoạn bờ cụ thể là phương pháp kỹ thuật bờ (Coastal Engineering), trong đó có tham khảo các kết quả từ địa chất, địa mạo đang được thực hiện tại Viện Cơ học, Trung tâm Động lực, Cửa sông, Ven biển và Hải đảo (Viện Nghiên cứu Khoa học Thủy lợi), Viện Hải dương học Nha Trang, Khoa Khí tượng, Thủy văn và Hải dương (Đại học Khoa học

Tự nhiên Hà Nội) Các tập thể khoa học nói trên đã công bố nhiều công trình nghiên cứu

về biến động bờ biển cửa sông tại nhiều hội nghị, tạp chí trong nước và quốc tế Tuy vậy, chưa có nhiều nghiên cứu đáp ứng được yêu cầu cần thiết trong lĩnh vực này Các

20

công trình chỉnh trị chống xói lở bờ biển đã được thực hiện ở nhiều nơi, nhưng còn nhiều công trình thiếu cơ sở khoa học: đê Hải Hậu (Nam Định) đã lui sâu vào đất liền lần thứ 3; hệ thống kè bảo vệ bờ ở Hòa Duân (Huế); kè 5 tấn ở Gò Công (Tiền Giang); đê kè ở Cần Giờ trước 1991, v.v… Đề tài cấp nhà nước KT.03.14 [26] đã sử dụng các bản đồ địa hình và ảnh hàng không, viễn thám được vẽ, chụp trung các thời kỳ khác nhau Nguồn tư liệu bản đồ địa hình được xuất bản bởi Sở địa dư Đông Dương thuộc Pháp và Cục Đo đạc bản đồ Phủ Thủ Tướng tái bản Ngoài ra còn có các bản đồ tỷ lệ 1: 100.000, 1:150.000 loại UTM, phủ toàn dải ven biển Việt Nam do Hải quân Mỹ thành lập năm

1965 để nghiên cứu về biến động bờ biển cửa sông Có thể tổng kết một số các phương pháp đã được áp dụng trong nghiên cứu biến động đới bờ biển ở Việt Nam như sau [30]: Phương pháp bản đồ - viễn thám: Nghiên cứu biến động hình thái đường bờ bằng cách chập ảnh và chập bản đồ cùng tỷ lệ như nhau và khác thời gian để so sánh biến động bờ biển cửa sông Phương pháp này cho phép nghiên cứu các vùng lãnh thổ rộng lớn, có tính đồng bộ, một cách khách quan, tổng thể hiện trạng đường bờ biển tại các thời điểm

vẽ bản đồ cũng như thời điểm chụp ảnh

Phương pháp điều tra theo phiếu (questionnaire): Đây là phương pháp lần đầu tiên được ứng dụng trong nghiên cứu hiện trạng xói lở dải ven bờ biển Việt Nam [30] Phương pháp này đơn giản, thời gian ngắn, ít tốn kém và cho nhiều thông tin bổ sung kịp thời Nội dung các câu hỏi trong phiếu điều tra thường ngắn gọn, rõ ràng, dễ trả lời Chỉ cần người được hỏi có trình độ cấp 2 trở lên (thường là cán bộ xã) Các câu hỏi là cấu tạo đất đá bờ (cát, đá, đất sét,…), địa hình bờ, kích thước bờ xói lở (dài, rộng), thời gian xảy

ra xói lở, các kiểu công trình gia cố chống xói lở,…Phương pháp này đã góp phần giúp chúng ta có được các thông tin định tính và định lượng về mỗi đoạn bờ xói lở khác nhau, lịch sử và xu thế phát triển của chúng, đồng thời bằng phương pháp này cũng đã phát hiện ra nhiều đoạn bờ xói lở mới, có kích thước bé, hoặc mới xảy ra mà phương pháp bản đồ - viễn thám đã bỏ qua do độ phân dải ảnh không cao

Phương pháp khảo sát thực địa: Phương pháp này rất cần thiết, không thể thiếu được và được sử dụng sau khi đã nghiên cứu phương pháp bản đồ-viễn thám và phương pháp điều tra theo phiếu Mục đích của phương pháp này là để kiểm tra và xác định các thông tin đặc trưng kỹ thuật bị sai lệch hoặc có mâu thuẫn của 2 phương pháp thực hiện trên

Phương pháp mô hình số: Mô hình toán là một trong những phương pháp có hiệu quả

để tính toán biến động đới bờ biển, cửa sông

Phương pháp phân tích thống kê và tổng hợp: Các tư liệu thu thập được từ các phương pháp khác nhau được phân tích tổng hợp theo một hệ thống thống nhất, lập bảng biểu tổng hợp Trên các bảng thống kê được chỉ rõ địa điểm xảy ra các đoạn bờ đang xói lở

và các số liệu quan trọng cần thiết đã được tổng hợp Các kết quả nghiên cứu đã được phân tích tổng hợp để xây dựng nội dung về hiện trạng xói lở và trình bày trên các sơ

đồ xói lở tỷ lệ 1/250.000 và sau này là tỷ lệ 1/100.000, tổng hợp các số liệu để tìm quy luật sơ bộ, tìm nguyên nhân cũng như đặc điểm của biến động đới bờ [5]

1.3.2 Nghiên cứu về giải pháp công trình ổn định và tôn tạo bãi biển

Trước đây, việc bảo vệ đê biển và bờ biển chống xói lở ở nước ta chủ yếu là sử dụng giải pháp bị động với các công trình kè lát mái Mặc dù có những ưu điểm nhất định nhưng do

là dạng công trình bị động nên khi có sự biến động lớn các chế độ động lực học, diễn biến hình thái bờ biển, đặc biệt những vùng biển lấn, giải pháp kè lát mái đã bộc lộ rõ những hạn chế của nó và làm giảm hoặc thậm chí mất hẳn chức năng bảo vệ đê, bờ biển

Những năm gần đây, đặc biệt là sau những thiệt hại do cơn bão số 7 năm 2005 đối với

hệ thống đê biển, đã có nhiều địa phương (đặc biệt là Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ) mạnh dạn ứng dụng các giải pháp công trình ngăn cát, giảm sóng - chủ yếu là mỏ hàn (mỏ hàn thẳng, mỏ hàn chữ T) để ngăn cát, giảm sóng, gây bồi chống xói lở Có thể kể đến các

hệ thống mỏ hàn ở Cát Hải, Đồ Sơn (Hải Phòng), các mỏ hàn bảo vệ đê biển Nam Định,

Hà Tĩnh, Quảng Bình; các mỏ hàn mềm ở Hòa Duân (Thừa Thiên Huế) Việc kết hợp

mỏ hàn và đê chắn sóng tách bờ dưới dạng mỏ hàn chữ T mới được áp dụng cho bốn công trình gồm: hệ thống công trình Nghĩa Phúc bảo vệ đê biển Nghĩa Hưng, hệ thống công trình Kiên Chính, Hải Thịnh II bảo vệ đê biển Hải Hậu, hệ thống công trình Đông

Tiêu chuẩn 14TCN 130-2002 - Hướng dẫn thiết kế đê biển và Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển ban hành kèm theo Quyết định số 1613/QĐ-BNN-KHCN ngày 9/7/2012 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn có đề cập đến hai loại công trình đập mỏ hàn và đập (tường) giảm sóng nhưng mới nêu được một số nguyên tắc chung về bố trí, cao trình đỉnh công trình, chưa đủ điều kiện để người thiết kế có thể áp dụng trong các đoạn bờ biển khác nhau, đặc biệt

trong điều kiện bờ biển Việt Nam có nhiều sự khác biệt giữa các vùng, khu vực [31]

Các nghiên cứu về cấu kiện và công nghệ mới ứng dụng có hiệu quả trong công trình chống sóng, bảo vệ bờ như các khối gia cố mái đê của Phan Đức Tác [36], các khối bê tông dị hình

từ nước ngoài, các cấu kiện lắp ghép bảo vệ bờ sông, hồ và đê biển của Busadco…

Tuy nhiên, do độ phức tạp và tính địa phương của từng khu vực khác nhau nên với mỗi một khu vực cần có nghiên cứu riêng về chế độ thủy thạch động lực ven bờ và cơ chế bồi,

23

xói một cách chi tiết Chính vì vậy đến nay vẫn còn thiếu những chỉ dẫn kỹ thuật về bố trí không gian, kết cấu các công trình ngăn cát, giảm sóng, công trình nuôi bãi, trong các điều kiện cụ thể Những nghiên cứu đã có về các công trình ngăn cát giảm sóng chưa đủ độ tin cậy để ứng dụng vào thực tế Những công trình có kết cấu mềm ứng dụng vật liệu vải địa

kỹ thuật đã xây dựng hầu hết bị hư hỏng nhanh chóng, nhưng vẫn tiếp tục được sử dụng

ở nhiều nơi mà chưa có giải pháp khắc phục Cho nên, hiện nay đang rất cần một cách tiếp cận khoa học, tổng thể với những phương pháp nghiên cứu hiện đại để áp dụng cho việc ổn định, tôn tạo bờ biển xói lở khu vực Miền Trung cũng như ở Việt Nam

c Công trình bảo vệ đê biển Hải Hậu,

Nam Định

d Công trình bảo vệ bờ biển Nha Trang

Hình 1.8 Một số hình ảnh tiêu biểu về công trình bảo vệ bờ biển ở Việt Nam [2]

1.3.3 Những nghiên cứu đã có về bờ biển tỉnh Khánh Hòa và vịnh Nha Trang

Từ trước đến nay, vấn đề nghiên cứu các quá trình thủy thạch động lực trong vịnh Nha Trang chủ yếu được tiến hành bởi Viện Hải dương học Nha Trang [37] [38] [39], Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam thông qua các đề tài các cấp [40] Nghiên cứu hoàn lưu vịnh Nha Trang bằng mô hình MIKE 21 [41] đã tính toán hoàn lưu vịnh Nha Trang

24

trong các điều kiện điển hình; Nghiên cứu hoàn lưu ven bờ vịnh Nha Trang của Hà Thanh Hương và nhóm nghiên cứu [42]; Nghiên cứu các đặc trưng trường sóng trong vịnh Nha Trang bằng mô hình MIKE 21 của Phạm Sỹ Hoàn và nhóm nghiên cứu [43]; Nghiên cứu chế độ thủy động lực học vịnh Nha Trang bằng mô hình mã nguồn mở EFDC [44] và mô hình mã nguồn mở FVCOM của Nguyễn Việt Đức và nhóm nghiên cứu [45]

Phương pháp sử dụng trong các nghiên cứu này gồm: thu thập, phân tích kết quả điều tra, khảo sát; mô hình hóa các quá trình

Nhìn chung, các nghiên cứu về các quá trình thủy thạch động lực ở vịnh Nha Trang là khá nhiều Tuy nhiên, do mục tiêu nghiên cứu đặt ra khác nhau, thiết bị nghiên cứu, công nghệ

xử lý số liệu cũng như phương pháp chưa đồng bộ nên các công trình nghiên cứu nêu trên chỉ dừng lại ở mức đánh giá các quá trình riêng rẽ Chưa có nghiên cứu nào mang tính hệ thống và đủ số liệu tin cậy để làm rõ được chế độ thủy động lực học, cơ chế vận chuyển bùn cát ven bờ cũng như diễn biến địa hình đới bờ biển

Trong khuôn khổ Đề tài Nghị định thư cấp nhà nước hợp tác với Viện Nghiên cứu vì sự

phát triển Pháp (IRD) “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 tiến hành khảo sát địa

hình, trầm tích đáy và đo đạc các yếu tố thủy, hải văn một cách đồng bộ và đã sử dụng

mô hình toán (MDEC, SWAN, EBALDIF ,…) để tính toán và mô phỏng chế độ thủy thạch động lực ven bờ Các đặc trưng chế độ thủy động lực học như sóng, mực nước, dòng chảy, lưu lượng sông, vận chuyển trầm tích lơ lửng và bồi, xói đáy Vịnh đã được nghiên cứu khá rõ Tuy nhiên, Đề tài chưa đi sâu nghiên cứu nguyên nhân, cơ chế biến động trong đới bờ biển cũng như cơ chế vận chuyển bùn cát ven bờ Đặc biệt là vai trò tác động của sóng, dòng chảy tổng hợp ven bờ đến biến đổi địa hình đới bờ biển Chính vì vậy, luận án sẽ sử dụng bộ số liệu khảo sát, đo đạc đồng bộ, hệ thống và tin cậy của

Đề tài cho việc hiệu chỉnh, kiểm định mô hình toán để nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển Làm sáng tỏ chế độ thủy động lực học, cơ chế vận chuyển bùn cát ven bờ, xác định được các nguyên nhân chính và đánh giá một cách chi tiết vai trò tác động của từng yếu tố gây nên

sự biến đổi địa hình đới bờ biển, từ đó đề xuất được giải pháp công trình nhằm ổn định, tôn tạo bãi biển khu vực nghiên cứu phù hợp với mục tiêu phát triển kinh tế, xã hội đã đề ra

25

1.4 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án

Trong phạm vi thời gian, điều kiện của một luận án tiến sĩ kỹ thuật, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp giữa thực nghiệm hiện trường và mô hình toán hiện đại để đi vào nghiên cứu các vấn đề sau:

- Mô tả và lý giải được cơ chế bồi, xói theo mùa của bãi biển khu vực nghiên cứu

- Làm sáng tỏ được chế độ thủy động lực học, cơ chế vận chuyển bùn cát và các yếu tố tác động chính gây nên sự biến đổi địa hình đới bờ biển khu vực nghiên cứu

- Đề xuất và lựa chọn được giải pháp bố trí công trình phù hợp để cải thiện các mặt hạn chế của bãi biển khu vực nghiên cứu

1.5 Kết luận chương 1

Do tác động của việc suy thoái môi trường, biến đổi khí hậu diễn ra ngày càng gay gắt nên tình trạng xói lở bãi biển khu vực nghiên cứu ngày càng trở nên nghiêm trọng Vì vậy việc nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển và đề xuất giải pháp công trình ổn định, tôn tạo bãi biển khu vực nghiên cứu vẫn luôn là vấn đề thời sự

Trong chương này tác giả đã nghiên cứu làm rõ được:

1 Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về biến động đới bờ và giải pháp công trình

ổn định bãi biển bao gồm: Lịch sử nghiên cứu biến động đới bờ biển; Các nghiên cứu tiêu biểu về biến động đới bờ biển; Các phương pháp nghiên cứu từ trước đến nay; Các

mô hình số trị hiện đại mô phỏng sóng và dòng chảy; Các mô hình, công thức tính toán vận chuyển bùn cát ven bờ và các nghiên cứu về công trình ổn định, tôn tạo bãi biển Nghiên cứu về cơ chế biến động trong đới bờ biển thời gian qua ở nước ngoài đã đạt được nhiều kết quả Việc tính toán các yếu tố động lực ven bờ biển đã có nhiều bước tiến mạnh mẽ nhờ vào những tiến bộ vượt bậc về công nghệ và kỹ thuật tính toán Các

mô hình toán được sử dụng để tính toán và mô phỏng các quá trình thủy thạch động lực trong sông và ngoài biển một cách chi tiết, trực quan Đến nay nhiều bộ mô hình thủy động lực học thương mại cũng như mã nguồn mở đã và đang được ứng dụng, sử dụng rộng rãi Bên cạnh đó, nghiên cứu về chuyển động bùn cát ven bờ cũng đã đạt được những kết quả đáng kể, thông qua nhiều loại phương pháp như phân tích lý thuyết, quan

26

trắc hiện trường, mô phỏng số đã tìm ra và phát triển nhiều công thức xác định lượng vận chuyển bùn cát ven bờ có ý nghĩa khoa học cũng như tính thực tiễn cao Áp dụng những kết quả nghiên cứu trên, ở nước ngoài đã xây dựng thành công nhiều công trình bảo vệ và tôn tạo bờ, bãi biển với nhiều vật liệu mới

2 Tổng quan các nghiên cứu trong nước về biến động đới bờ và giải pháp ổn định bãi được thể hiện qua các nội dung chính: Các nghiên cứu đã có về cơ chế biến động đới bờ biển; Các nghiên cứu vể công trình ổn định và tôn tạo bãi biển và những nghiên cứu đã

có về biến động đới bờ biển tỉnh Khánh Hòa và vịnh Nha Trang

Ở Việt Nam trong thời gian qua cũng có nhiều đề tài, dự án nghiên cứu về biến động trong đới bờ biển được thực hiện ở nhiều cơ quan, tổ chức chuyên ngành về biển Tuy vậy, chế độ thủy động lực cũng như chuyển động của bùn cát ven bờ, nhất là khu vực cửa sông dưới tác động của dòng chảy sông, sóng, triều, dòng chảy ven bờ rất phức tạp Với điều kiện trong nước còn hạn chế rất nhiều về số liệu cũng như trang thiết bị khảo sát, quan trắc nên các kết quả nghiên cứu vẫn chưa đạt đến mức chi tiết và độ tin cậy để có thể triển khai ứng dụng trong thực tế

3 Luận án đặt mục tiêu nghiên cứu về chế độ thủy động lực học, cơ chế vận chuyển bùn cát, tác động của sóng, dòng chảy tổng hợp ven bờ đến biến đổi địa hình đới bờ biển cho một khu vực cụ thể trên cơ sở thiết lập bộ số liệu nghiên cứu đầy đủ và đáng tin cậy Kết hợp phân tích các kết quả nghiên cứu quan trắc hiện trường với phân tích, lựa chọn thiết lập bộ mô hình số hiện đại để tính toán và mô phỏng các quá trình thủy thạch động lực Tìm ra nguyên nhân và cơ chế tác động đến quá trình bồi, xói, làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất các giải pháp bảo vệ hiệu quả để ổn định lâu dài bãi biển khu vực nghiên cứu