Lựa chọn và ứng dụng bộ công cụ nghiên cứu biến động đường bờ khu vực bãi biển nha trang

Tác giả Hanson 2011 đã nghiên cứu chi tiết 20 loại mô hình được áp dụng để dự báo sự biến đổi bờ và bãi biển với những quy mô thời gian và không gian khác nhau nhưng khôngtìm được mô hìn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA

Vũ Công Hữu

LỰA CHỌN VÀ ỨNG DỤNG BỘ CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC BÃI BIỂN NHA TRANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC

Hà Nội, 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA

Vũ Công Hữu

LỰA CHỌN VÀ ỨNG DỤNG BỘ CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC BÃI BIỂN NHA TRANG

Chuyên ngành: Hải dương học

Mã số: 9440228.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS Đinh Văn Ưu

2 TS Lê Xuân Hoàn

Hà Nội, 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quảtrình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ côngtrình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Tác giả

Vũ Công Hữu

LỜI CẢM ƠN

Luận án này đã được hoàn thành tại khoa Khí tượng, Thuỷ văn và Hải dương họcthuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướngdẫn của GS TS Đinh Văn Ưu và TS Lê Xuân Hoàn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơnsâu sắc tới hai Thầy đã tận tình giúp đỡ và định hướng khoa học từng bước trongnghiên cứu và hoàn thiện luận án

Tác giả xin được cảm ơn Trường ĐHKHTN, ĐHQGHN và Khoa Khí tượngThủy văn và Hải dương học đã tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất chotác giả trong học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tác giả xin cảm ơn Đề tài KHCN 09.14/16-20 đã tạo điều kiện cho NCS sử dụngcác số liệu, tài liệu và phần mềm liên quan đến thủy thạch động lực vùng bờ

Tác giả xin cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài Nghị định thư cấp nhà nước giữa ViệtNam và Cộng hòa Pháp: “Nghiên cứu các đặc trưng động học hình thái vùng vịnh và

đề xuất ứng dụng các giải pháp tái tạo nâng cấp bãi biển Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa

có tính đến ảnh hưởng của biến đổi khí hậu (MOST2:NDT.24.FRA/16)” đã cho phéptác giả tham gia nghiên cứu và sử dụng các số liệu của đề tài

Tác giả xin cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài Nghị định thư cấp nhà nước giữa ViệtNam và Cộng hòa Pháp đã cho phép tác giả tham gia thực hiện và sử dụng một phần

số liệu của Đề tài: “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát vùngcửa sông và bờ biển vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” thực hiện năm 2013-2014, chủnhiệm: GS.TS Nguyễn Trung Việt

Tác giả xin cảm ơn TS Lê Thanh Bình đã nhiệt tình hỗ trợ trong việc vận hành môhình xử lý ảnh camera và áp dụng cho bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang.Tác giả xin trân trọng cảm ơn Hội đồng Khoa học khoa Khí tượng Thủy văn và Hảidương học đã đóng góp ý kiến để các nội dung của luận án được hoàn thiện tốt nhất

Để có được ngày hôm nay, nghiên cứu sinh cảm ơn Bố, Mẹ và những người thântrong gia đình luôn thương yêu, động viên và khích lệ cả về vật chất và tinh thần

Hà nội, ngày tháng năm 2019Nghiên cứu sinh

Vũ Công Hữu2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH 7

DANH MUCC̣ BẢNG 10

MỞ ĐẦU 11

1 Tính cấp thiết của đề tài 11

2 Mục tiêu nghiên cứu 14

3 Nội dung nghiên cứu 14

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 15

5 Phương pháp nghiên cứu 15

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 16

7 Các đóng góp mới của luận án 17

8 Bố cục của luận án 17

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI BÃI BIỂN VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN BÃI BIỂN TRUNG TÂM BỜ TÂY VỊNH NHA TRANG… 19

1.1 Các khái niệm cơ bản về bãi biển và đường bờ 19

1.2 Khái niệm về quy mô thời gian và không gian của các quá trình vùng bờ 22

1.3 Tổng quan vềcác nghiênứcu trên thế giới về mô hình toán biến đổi bờvàbaĩ biển 24 1.3.1 Các mô hình xét các quá trình dọc bờ 24

1.3.2 Các mô hình có xét đến các quá trình ngang bờ 27

1.3.3 Các mô hình dạng lai ghép (hybrid) giữa động lực và thống kê 31

1.3.4 Mô hình dựa trên các quá trình trầm tích 35

1.3.5 Mô hình lai ghép (Hybrid) động lực 38

1.3.6 Các mô hình dưạ trên thống kê và thưcc̣ nghiêm 39

1.4 Tổng quan các nghiên ứuc trong nước về biến đổi đường bờ và bãi biển 44

1.5 Tổng quan về điều kiện tự nhiên và các nghiên cứu liên quan đến biến đổi bãi biển khu vực vịnh Nha Trang 46

1.6 Xu thế diễn biển bãi biển thông qua phân tích ảnh vệ tinh Landsat 55

1.7 Xu thế biến động bãi biển theo cân bằng trầm tích dọc bờ 58

1.8 Các nghiên cứu về biến động bãi biển Nha Trang 60

1.9 Nhu cầu phát triển phương pháp cải tiến 63

1.10 Bộ các công cụ và mô hình được lựa chọn cho luận án 64

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN BỘ CÔNG CỤ VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ 66

2.1 Xác lập mô hình biến đổi đường bờ - độ rộng bãi biển 66

2.1.1 Phương trình mô phỏng diêñ biến đường bơ ̀ 66 2.1.2 Xác định vị trí đường bờ đường bờ cân bằng y eq (t) 68

2.1.3 Thuật toán tự hiệu chỉnh mô hình 72

2.1.4 Phương pháp giải số 73

2.2 Lựa chọn mô hình tính sóng 75

2.2.1 Sơ lược về các mô hình tính sóng ven bờ 75

2.2.2 Cơ sởkhoa hocc̣ của mô hình sóng EBED 76

2.3 Chương trình xử lý ảnh camera quan trắc baĩ biển 78

2.4 Lựa chọn phương pháp phân tích 80

2.5 Bộ công cụ mô hình mô phỏng và phân tích biến đôngg̣ờđưng bờ, bãi biển 83

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ ỨNG DỤNG BỘ CÁC CÔNG CỤ VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN BỜ TÂY VỊNH NHA TRANG 84

3.1 Tính toán và kiểm nghiệm các đặc trưng sóng khu vực vịnh Nha Trang 84

3.2 Diễn biến vị trí đường bờ từ ảnh camera quan trắc 93

3.3 Mô phỏng biến động bãi biển trung tâm thuôcg̣bờ tây vịnh Nha Trang 98

3.3.1 Xây dựng trắc ngang bãi cân bằng cho các mùa 98

3.3.2 Sốliêụ sóng taị các điểm có đô c̣sâu tới han c̣ 99 3.3.3 Mực nước dâng do sóng 100

3.3.4 Độ sâu tới hạn của vận chuyển trầm tích 101

3.3.5 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình biến đổi vị trí đường bờ 102

3.3.6 Mô phỏng diễn biến đường bờ 107

3.3.7 Diễn biến đường bờ theo mùa 107

3.3.8 Diễn biến đường bờ trong bão điển hình 109

4

3.3.9 Diễn biến đường bờ theo các sự kiện, đợt gió mùa 109

3.3.10 Mối liên hệ giữa biến động đường bờ với mực nước và độ cao sóng 113

3.4 Kết quả phân tích các hàm điều hòa 114

3.5 Các nguyên nhân gây biến động đư ờng bờ 117

KẾT LUẬN 119

KIẾN NGHỊ 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

Phụ lục Chương trình tính toán biến đổi đường bờ 133

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

6

DANH MỤC HÌNH

Hình1.1 Khái quát về quy mô của các mô hình 12

Hình1.2 Biến đôngc̣ bãi biển trung tâm vinḥ Nha Trang2013năm 13

Hình 1.3 Cửa sông Cái trước và sau khi có cầu Trần Phú 13

Hình1.4 Phạm vi nghiên cứu 15

Hình1.5 Minh họa bãi biển và vùng ven bờ 19

Hình 1.6 Các quy mô thời gian và không gian của biến đổi hình thái ven bờ 22

Hình1.7 Quy mô thời gian và không gian của các quá trình 24

Hình1.8 Khái quát hóa mô hình 1-đường 26

Hình1.9 Khái quát mô hình N-Line 26

Hình1.10 So sánh kết quả mô hình và thực đo 28

Hình1.11 Minh họa trắc ngang trong SBEACH 30

Hình1.12 Sơ đồ trắc ngang bãi 32

Hình1.13 Minh họa vị trí đường bờ 34

Hình1.14 Sơ đồ triển khai mô hình các quá trình 36

Hình1.15 Khái quát về mô hình lai ghép của Sten Esbjørn Kristensen (2012) 38

Hình1.16 Vị trí địa lý khu vực vịnh Nha Trang 47

Hình1.17 Hoa sóng ngoài khơi vịnh Nha Trang 49

Hình1.18 Diêñ biến lưu lươngc̣ trung bi ̀ nh tháng sông Cái 49

Hình1.19 Mực nước trung bình ngày thực đo và sau khi loại bỏ nước dâng 50

Hình1.20 Các vị trí có mẫu trầm tích 51

Hình1.21 Các vị trí khảo sát do Viện HDH thực hiện 51

Hình1.22 Vị trí đường bờ tại các thời điểm trong những năm gần đây 53

Hình1.23 Ảnh chụp bãi biển Nha Trang, mùa gió đông bắc và mùa gió tây nam năm 2013 53

Hình1.24 Một số hình ảnh bãi biển mùa gió đông bắc (trái) và mùa gió tây nam (phải) 53

Hình 1.25 Biến động bãi biển qua các năm 54

Hình1.26 Diễn biến cửa sông Cái thời kì 1988-1995 55

Hình1.27 Diễn biến cửa sông Cái thời kì 1988-1999 – 2014 55

Hình1.28 Diễn biến cửa sông Cái thời kì tháng 6/1988 và tháng 6/1996 56

Hình1.29 Diễn biến cửa sông Cái thời kì tháng 2, 6, 8 năm 1996 và tháng 3/1997 56

7

Hình1.31 Biến động đường bờ khu vực phía trước UBND tỉnh thời kì tháng 4/1995, tháng 2, 6/1996

57

Hình1.32 Biến động đường bờ khu vực bờ biển phía trước UBND 57

Hình1.33 Diễn biến vị trí đường bờ qua các năm 58

Hình1.34 Vị trí các trắc ngang tính toán vận chuyển trầm tích dọc bờ 59

Hình1.35 Dòng vận chuyển dọc bờ (các tháng) 60

Hình1.36 Sơ đồ dòng vận chuyển dọc bờ 60

Hình1.37 Sơ đồ bộ công cụ và mô hình mô phỏng biến động đường bờ 65

Hình 2.1 Minh họa biến đổi đường bờ d sóng và mực nướ c 68

Hình 2.2 Sơ đồ hiệu chỉnh mô hình 72

Hình 2.3 Sơ đồ quan hệ hình học giữa tâm c amera (X0, Y0, Z0), tọa độ ảnh (u, v) và tọa độ thực (X,Y, Z) 79 Hình 2.4 Sơ đồ các công cụ và mô hình 83

Hình 3.1 So sánh độ cao sóng tính toán và thực đo tại trắc ngang Y26 của thí nghiệm 84

Hình 3.2 Miền tính sóng (trái) và khu vực vịnh Nha Trang (phải) 85

Hình 3.3 Hoa sóng tại điểm biên ngòai khơi sử dụng làm dữ liệu biên mô hi ̀ nh 86

Hình 3.4 So sánh hướng sóng (thời đoạn mùa gió đông bắc) 86

Hình 3.5 So sánh hướng sóng (thời đoạn mùa gió tây nam) 87

Hình 3.6 So sánh độ cao sóng (thời đoạn mùa gió đông bắc) 87

Hình 3.7 So sánh độ cao sóng (thời đoạn mùa gió tây nam) 87

Hình 3.8 So sánh chu kỳ sóng (thời đoạn mùa gió đông bắc) 88

Hình 3.9 So sánh chu kỳ sóng (thời đoạn mùa gió tây nam) 88

Hình 3.10 Trường sóng trong gió mùa gió đông bắc 89

Hình 3.11 Trường sóng trong gió mùa tây nam 89

Hình 3.12 Hoa sóng mùa gió đông bắc (phía Nam cửa sông Cái) 90

Hình 3.13 Hoa sóng mùa gió tây nam (phía Nam cửa sông) 91

Hình 3.14 Hoa sóng mùa gió tây nam (phía Bắc cửa sông) 91

Hình 3.15 Hoa sóng mùa gió đông bắc (phía Bắc cửa sông) 92

Hình 3.16 Diêñ biến đô c̣cao sóng taị điê ̉m A 92 Hình 3.17 Vị trí lắp đặt camera trên mặt bằng và phạm vi giám sát 93

Hình 3.18 So sánh giữa tọa độ tính toán từ camera và tọa độ GCP 94

Hình 3.19 Mối quan hệ giữa sai số tính toán và tiêu cự f của camera hướng Bắc 94

8

Hình 3.21 Kết quả xử lý video từ camera phía Nam lúc 15h/ 5/6/2014 95

Hình 3.22 Mô tả nhận diện đường bờ và kết quả giải đoán đường bờ dựa trên ảnh camera 96 Hình 3.23 Các vị trí xử lý dữ liệu đường bờ từ camera 96

Hình 3.24 Diễn biến đường bờ tại các vị trí dọc bờ 97

Hình 3.25 So sánh trắc ngang tính toán và thực đo mùa gió đông bắc 98

Hình 3.26 So sánh các trắc ngang tính toán và thực đo mùa gió tây nam 99

Hình 3.27 Diêñ biến đô c̣cao sóng taị điê ̉m A 100 Hình 3.28 Mô hình nướ c dâng do sóng 100

Hình 3.29 Độ cao sóng và mực nước dâng do sóngạivịtrí A 101

Hình 3.30 So sánh kết quả mô hình và vị trí đường bờ từ camera tại x= 250m 103

Hình 3.31 So sánh kết quả mô hình và vị trí đường bờ từ camera tại x= 200m 103

Hình 3.32 So sánh kết quả mô hình và vị trí đường bờ từ camera tại x= 150m 103

Hình 3.33 So sánh kết quả mô hình và vị trí đường bờ từ camera tại x= 100m 104

Hình 3.34 So sánh kết quả mô hình và vị trí đường bờ từ camera tại x= 50m 104

Hình 3.35 So sánh vị trí đường bờ tính toán và giải đoán từ camera 106

Hình 3.36 So sánh vị trí đường bờ tính toán và giải đoán từ camera 106

Hình 3.37 Diễn biến vị trí đường bờ tại các vị trí (theo kết quả mô hình) 107

Hình 3.38 Diễn biến đường bờ các tháng mùa gió tây nam 108

Hình 3.39 Diễn biến đường bờ các tháng mùa gió đông bắc 108

Hình 3.40 Diễn biến độ cao sóng trong khoảng thời gian 2 cơn bão Nari và Haiyan 109

Hình 3.41 Diễn biến của vị trí đường bờ, độ cao sóng và mực nước 113

Hình 3.42 So sánh diến biến đường bờ sau khi lọc chu kỳ nửa năm, 1 năm và 3 năm 116

Hình 3.43 Diễn biến đường bờ theo các phương pháp tại vị trí x =200m 117

Hình 3.44 Sơ đồ nguyên lý biến đổi bãi biển thuộc bờ tây của vịnh Nha Trang 118

DANH MUCC̣ BẢNG

Bảng 1.1 Các dạng trắc ngang cân bằng 21

Bảng 1.2 Tổng hợp các mô hình biến đổi đường bờ 40

Bảng 1.3 Thống kê các cơn bão ảnh hưởng trực tiếp đến tỉnh Khánh Hòa 48

Bảng 2.1 Khả năng của các mô hình sóng ven bờ 76

Bảng 3.1 Biến động bãi biển tại các vị trí 97

Bảng 3.2 Giá trị chỉ số NMSE tại các vị trí 105

Bảng 3.3 Biến động độ rộng của bãi biển tại các vị trí 105

Bảng 3.4 Giá trị ∆Y 0 tại các vị trí 105

Bảng 3.5 Chi tiết các cơn bão, gió mùa và kết quả tính biến đổi đường bờ 109

Bảng 3.6 Chi tiết các cơn bão, gió mùa và kết quả tính biến đổi đường bờ 111

Bảng 3.7 Chi tiết các cơn bão, gió mùa và kết quả tính biến đổi đường bờ 112

Bảng 3.8 Kết quả phân tích hàm điều hòa vị trí đường bờ 114

10

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Nhìn chung trên toàn thế giới, diện tích khu vực ven biển được sử dụng cho cácmục đích phát triển kinh tế khác nhau như vận tải, khu công nghiệp, du lịch, khaihoang lấn biển đã tăng lên rất nhanh trong những năm gần đây Theo Uỷ Ban liên

chính phủ về biến đổi khí hậu [IPPC, 2007] có hai phần ba dân số thế giới sống trong phạm vi khoảng 200km ven biển Tuy nhiên, việc phát triển kinh tế và sự gia tăng dân

số khu vực ven biển cũng đã tác động tiêu cực lên quá trình cân bằng tự nhiên về thuỷthạch động lực và hệ sinh thái khu vực này Đồng thời khu vực ven biển cũng là nơi dễ

bị ảnh hưởng nặng nề bởi các tai biến từ biển như ngập lụt và xói lở, bồi lấp bờ biển.Xói lở bãi và biến đổi đường bờ đang diễn ra rất nghiêm trọng ở nhiều quốc gia,trong đó có Việt Nam Với trên 3200 km chiều dài bờ biển, chưa kể các đảo, Việt Nam

đã và đang chịu ảnh hưởng nặng nề do quá trình xói lở bờ

biển diễn ra ở nhiều nơi, chẳng hạn như vùng biển Hải Hậu (Nam Định), đầmphá Tam Giang (Huế), Lý Hoà (Quảng Bình), Bãi biển bắc cửa Tùng(Quảng Trị), Bờbiển Bạc Liêu và Mũi Cà Mau, bờ biển Hội An – Cửa Đại,

Tính chất phức tạp của hệ động lực ven bờ khiến cho việc dự báo sự biến đổi địa mạocủa vùng cực kỳ khó khăn Trong kỹ thuật bờ biển, có 4 công cụ cơ bản là các mô hình kinhnghiệm/thực nghiệm, các mô hình vật lý, các mô hình giải tích và các mô hình số trị Ở khíacạnh nào đó thì kinh nghiệm sẽ có ý nghĩa tốt nhất, chẳng hạn như kiến thức về các quá trìnhcủa khu vực nào đó (sóng, dòng chảy, triều, vận chuyển trầm tích) và địa hình là yếu tố quantrọng trong việc hiểu biết hệ thống ven bờ Các mô hình kinh nghiệm luôn là tốt nhất khi ápdụng cùng với sự kết hợp của các mô hình số, mô hình giải tích và mô hình vật lý

Tác giả Hanson (2011) đã nghiên cứu chi tiết 20 loại mô hình được áp dụng để dự báo

sự biến đổi bờ và bãi biển với những quy mô thời gian và không gian khác nhau nhưng khôngtìm được mô hình nào có khả năng đưa ra được các kết quả chính xác ứng với các quy mô

thời gian được quan tâm [Hans Hanson & Nicholas C.Kraus, 2011].

Hình 1.1 Khái quát về quy mô của các mô hình [Hanson, 2011]

Khánh Hòa là tỉnh thuộc khu vực Nam Trung Bộ của Việt Nam, có bờ biển kéodài khoảng 385km, có nhiều đầm, vịnh nổi tiếng như Vân Phong, Nha Trang, CamRanh Trong đó, vịnh Nha Trang đứng thứ 29 của thế giới và đứng thứ 2 của châu Átrong các vịnh đẹp nhất thế giới Hàng năm tỉnh Khánh Hòa đón hàng triệu khách dulịch trong nước và quốc tế, đã mang lại nguồn lợi đáng kểcho nền kinh tế của đất nước

Bờ biển của thành phố Nha Trang hiện đang phải đối mặt với sự suy thoái tiện ích do

áp lực dân số, phát triển đô thị, giao thông, du lịch, khai thác trầm tích quá nhiều… đãlàm hạn chế sự phục hồi của bãi biển, xói bồi ven bờ, diễn biến bờ biển ngày càngphức tạp Hậu quả rõ nét đã phản ánh thông qua sự biến đổi đường bờ nghiêm trọng,

bãi biển bị thu hẹp (hình 1.2) [Đinh Văn Ưu, 2012].

12

đông bắc (ảnh T03/2013) mùa tây nam (ảnh T07/2013)

Hình 1.2 Biến đôngc̣ bãi biển trung tâm vịnh Nha Trang năm 2013

Khi xây dựng cầu Trần Phú trên sông Cái và kè bảo vệ bờ trước UBND tỉnhKhánh Hòa để cải tạo môi trường cửa sông Cái, mở rộng đường Trần Phú thì bãi biểntrước UBND tỉnh bị thu hẹp không còn bãi Bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang

từ ngã ba đường Lê Lợi - Trần Phú đến cầu cảng Vinpearl cũng đang trong tình trạng

bị thu hẹp, đường bờ biển đang tiến dần về phía bờ kè đường Trần Phú Cụ thể nhưtrắc ngang tại ngã ba đường Nguyễn Chánh - Trần Phú đường bờ đã tiến sâu vào 9m từnăm 2006 đến tháng 5/2013 và độ dốc trung bình đáy biển gần bờ xấp xỉ 4%, bãi biển

về phía cầu cảng Vinpear có độ dốc trung bình đáy biển càng lớn, gây nguy hiểm cho

người dân tắm biển [Lê Thanh Bình, 2017].

Hình 1.3 Cửa sông Cái trước và sau khi có cầu Trần Phú

Nghiên cứu diễn biến đường bờ và bãi biển cần phải xét trong mối quan hệ tổng hợp dựatrên các luận chứng kinh tế-kỹ thuật-môi trường và xã hội, làm cơ sở cho việc quy hoạch, lập

dự án đầu tư Bãi biển trung tâm của vịnh Nha Trang trong những năm gần đây đã đượcnghiên cứu trong những đề tài, dự án cấp tỉnh và độc lập cấp nhà nước Trong đó, đề tài Nghịđịnh thư Việt Nam - Cộng hòa Pháp “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùncát vùng cửa sông và bờ biển vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” do GS.TS Nguyễn TrungViệt, trường Đại học Thủy lợi chủ trì thực hiện trong các năm 2013-2014 đã luận chứng sựcần thiết và cấp bách trong việc cải tạo và tôn tạo bãi biển thành phố Nha Trang, đưa ra cácđịnh hướng về khoa học - công nghệ cho vấn đề này Cũng trong giai đoạn này các NCS LêThanh Bình, Nguyễn Việt Đức tiếp tục theo hướng nghiên cứu của đề tài nghị định thư trên vàđưa ra được các định hướng công trình, bảo vệ các bãi biển ven bờ tây vịnh Nha Trang CácNCS đã đi sâu khai thác đầy đủ hơn các số liệu thực đo, từ camera và sử dụng kỹ

thuâṭphân tích số liệu để xác định mối quan hệ giữa quá trình biến đổi của vị trí đường

bờ với sóng ngoài khơi nhưng chưa chỉ ra được quy mô thời gian của các thành phầngây biến đổi dài hạn đường bờ và bãi biển

Từ đó, tên đề tài “Lựa chọn và ứng dụng bộ công cụ nghiên cứu biến động đường bờ khu vực bãi biển Nha Trang” được NCS lựa chọn nhằm đáp ứng nhu cầu mô phỏng dài hạn quá trình biến đổi bãi biển nói chung và bãi biển Nha Trang nói riêng.

Bộ các công cụ đươcg̣ lựa chọn ở đây gồm có: Mô hinh̀ thủy động lực kết hợp tính toán sóng, dòng chảy, mực nước và diêñ biến vi trị́đường bờhay biến đôngg̣ baĩ biê,̉môn hinh̀ xử lý ảnh camera và phân tích số liệu giám sát Lần đầu tiên ởnước ta, bộ các công

cụ mô hinh̀ này đã đáp ứng nhu cầu vềmô phỏng quy mô biến động từ ngắn haṇ đến dài haṇ và biến đổi khí hậu

Bãi biển trung tâm thuộc bờ tây của vịnh Nha Trang là khu vực được lựa chọncho viêcg̣ áp dungg̣ hê g̣thống mô hinh̀ Kết quả tích hợp các loại mô hình đã xác định rõcác quy mô thời gian của các quátrinh̀ gây biến đôngg̣dài hạn bãi biển

2. Mục tiêu nghiên cứu

Để nghiên cứu biến động dài hạn bãi biển bờ tây vịnh Nha Trang, tác giả đã tập trung vào một số nội dung chính nhằm đạt những mục tiêu sau:

- Nghiên cứu lựa chọn được bộ công cụ và mô hinh̀ đáp ứng nhu cầu mô phỏngbiến đổi bãi biển quy mô công trình, từtrung hạn (năm) cho đến dài haṇ(nhiều năm)

- Xác định được các quy mô và nguyên nhân biến động của bãi biển trung tâm thuôcg̣ bờ tây vịnh Nha Trangbằng bộ công cụ mô hình đã lựa chọn

3. Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về các phương pháp mô hình biến động bờ và bãi biển trên thế giới

cơ sở phân tích tương quan của vị trí đường bờ với các đặc trưng thủy động lựctheo các quy mô khác nhau cho bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh NhaTrang.

- Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình biến đổi đường bờ dưạ trên sốliêụ vi trị́

đường bờđươcg̣ xử lýảnh camera quan trắc tại chỗ

- Tính toán, mô phỏng và phân tích diễn biến đường bờ nhằm xác định quy môthời gian, nguyên nhân biến đổi bãi biển và đề xuất mô hình dự báo biến độngdài hạn bãi biển

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Quá trình biến động hình thái bãi biển (đường bờ, trắc ngang : bề rộng và độdốc của bãi biển, giới hạn vận chuyển trầm tích theo mùa) và các đặc trưng thủyđộng lực sóng, mực nước, dòng chảy vùng bờ

- Phạm vi vùng nghiên cứu chi tiết là bãi biển trung tâm thuộc bờ tây của vịnh Nha Trang tỉnh Khánh Hòa (từ cửa sông Cái đến quân cảng), (hình 1.4)

Hình 1.4 Phạm vi nghiên cứu [Ảnh từ google Earth]

5. Phương pháp nghiên cứu

Do tính chất phức tạp của các quá trình vùng bờ và tác động của công trình ven bờ tớibãi biển, các nhà nghiên cứu trên thế giới thường sử dụng kết hợp nhiều phương pháp khácnhau Thông thường thì các phương pháp cơ bản sau nhận được sự quan tâm nhiều nhất: i)

Nghiên cứu, phân tích số liệu thực đo; ứng dụng công nghệ viễn thám; hệ thông tin địa lý(GIS); camera giám sát, (ii) sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý trong dạng tích hợp;(iii) Kết hợp với các phương pháp thống kê phân tích điều hòa, phân tích các thànhphần chính và phân tích các hàm trực giao Trong nghiên cứu của luận án, các phươngpháp được sử dụng bao gồm:

- Phương pháp phân tích ảnh viễn thám (camera mặt đất, ảnh vệ tinh) và quantrắc truyền thống bãi biển: xác định vị trí đường bờ, trắc ngang và biến độnghình thái bãi biển

- Phương pháp mô hình số trị: mô hình thủy động lực tính toán và khôi phục các

dữ liệu thủy động lực và biến động bãi biển theo các quy mô thời gian

- Phương pháp thống kê phân tích và đánh giá quy luật tiến triển bờ bãi dựa trên

cơ sở dữ liệu lịch sử và dự đoán về biến động bãi biển và đường bờ

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

tính toán, cảnh báo và dự báo biến đổi vị trí đường bờ và trắc ngang bãi Luận án đã

khẳng định quy luật biến đổi dài hạn và xây dựng thành công mô hình dự báo diễn biếnđường bờ theo quy mô thời gian từ ngắn hạn đến dài hạn tại bãi biển trung tâm thuôcg̣

bờ tây vịnh Nha Trang Viêcg̣ phân tich́ kết quảmô hinh̀ cũng như ảnh viễn thám đa

̃chỉrõcác quy mô thời gian vàthành phần chinh́ củaquá trình biến đôngg̣ baĩ biển (theoquy mô ngắn hạn, quy mô mùa, nửa năm, nhiều năm) Kết quả đạt được của luận ángóp phần hoàn thiện phương pháp nghiên cứu biến đôngg̣ baĩ biển t ự nhiên cũng nhưkết hợp với quy hoạch công trình, hỗ trợ quản lý và bảo vệ bãi biển

triển thành mô hình dự báo và cảnh báo quá trình diễn biến dài hạn đường bờ phục vụcho công tác quản lý, bảo vệ và quy hoạch bãi biển Xác định được các quy luật vànguyên nhân gây biến động dài hạn bãi biển làm cơ sở cho việc đề xuất giải pháp bảo

vệ, nâng cấp và ổn định bãi biển một cách hiệu quả và khoa học

16

7. Các đóng góp mới của luận án

Luận án đã lựa chọn và ứng dụng thành công bộ công cụ và các mô hình số trị

mô phỏng quy luật biến động các nhân tố thủy động lực và hình thái bãi biển trung tâmthuộc bờ tây vịnh Nha Trang Kết quả áp dụng bộ các công cụ này đa ̃chỉ ra các quy

mô thời gian của quá trình biến đổi bãi biển (quy mô mùa, năm và dài hạn

;3 năm), góp phần khẳng định các nguyên nhân làm bi ến động dài hạn bãi biển bờ tâyvịnh Nha Trang

8. Bố cục của luận án: Ngoài các phần mở đầu; kết luận và kiến nghị; tài liệu tham

khảo; phụ lục, luận án gồm 03 Chương:

Chương 1 Tổng quan về các mô hình tính toán biến đổi bãi biển và các kết quả nghiên cứu liên quan đến bãi biển trung tâm bờ tây vịnh Nha Trang

Tổng quan các công trình nghiên cứu về biến đổi bờ, bãi biển và khả năng ứngdụng của mỗi một phương pháp làm cơ sở để định hướng nghiên cứu và lựa chọnphương pháp cho luận án Các kết quả của các nghiên cứu về chế độ thủy thạch độnglực của vịnh Nha Trang được tổng hợp phục vụ cho việc phân tích đánh giá tác độnglàm biến đổi bãi biển, công trình nghiên cứu về bãi biển Nha Trang để từ đó xác địnhđối tượng nghiên cứu trong việc áp dụng bộ công cụ và các mô hình

Chương 2 Lựa chọn bộ công cụ và mô hình nghiên cứu và mô phỏng biến động đường bờ

Trong chương này, việc nghiên cứu xác lập cơ sở lý thuyết mô hình biến đổi đường bờ được thực hiện, viết chương trình tính toán trong dạng ngôn ngữ Fortran.Nghiên cứu lựa chọn và ứng dụng mô hình mã nguồn mở (Fortran) của chương trìnhtính toán trường sóng làm đầu vào cho mô hìntích hợp thủy động lực biến đôngg̣ đườngbơ.̀ Nghiên cứu ứng dungg̣ công cụ xử lýảnh camera giám sát bãi biển (Mô đun xử lý

và phân tích đường bờvà trắc ngang bãi) trung tâm bờ tây vịnh Nha Trang

Bên cạnh các ảnh camera, đã tiến hành nghiên cứu lựa chọn kỹ thuật phân tích và

xử lý các chuỗi số liệu đường bờ hiện có

Chương 3 Kết quả ứng dụng bộ công cụ và mô hình mô phỏng biến đổi bãi biển bờ tây vịnh Nha Trang.

Trong chương này, bộ công cụ và các mô hình biến động đường bờ được trình bày trong Chương 2 sẽ được áp dụng mô phỏng biến động đường bờ của bãi biển trungtâm bờ tây vịnh Nha Trang.

Áp dụng kỹ thuật phân tíchcác hàm điều hòa để đánh giá và xác định quy mô cácquá trình làm biến đổi đường bờ Tiến hành phân tích đánh giá kết quả của mô hình kếthợp với kết quả phân tích ảnh viễn thám vệ tinh (Ảnh Landsat) về biến đổi đường bờ.Trên cơ sở đó, đã xác định được quy mô thời gian của các tác động và nguyên nhânlàm biến động bãi biển

Kết luận

18

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI BÃI BIỂN VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN BÃI BIỂN TRUNG

TÂM BỜ TÂY VỊNH NHA TRANG

1.1 Các khái niệm cơ bản về bãi biển và đường bờ

Khái niệm cơ bản của vùng ven bờ biển (coastal area) là khu vực bờ biển, bãibiển và vùng nước ven bờ, có thể bao gồm cồn cát, thảm thực vật, v.v Bãi biển đượcphân chia thành các phần như sau;

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

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

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

Bãi biển tồn tại giữa đường mép nước cao (mực nước cao trung bình) và đườngmép nước (mực nước thấp trung bình) thấp hay là phần giao nhau giữa đất và nướcbiển Bãi biển bị ảnh hưởng những tác động trực tiếp của biển lên đất liền như thủytriều, sóng, gió (hình 1.5.)

Hình dạng của trắc ngang theo phương vuông góc với đường bờ được phân chiathành bốn khu vực là: Bờ biển – bãi biển – vùng gần bờ - vùng ngoài khơi

Hình 1.5 Minh họa bãi biển và vùng ven bờ [SPM, 1984]

Đường bờ biển hay đường bờ là khái niệm mang tính tương đối và được xác định

theo các quan điểm khoa học khác nhau Trong nghiên cứu này, đường bờ được xem làđường đường mép nước, ranh giới giữa đất liền và biển Đường bờ được xác định dựavào độ tương phản của ảnh, video giám sát, sẽ dịch chuyển sâu vào trong đất liền hoặc

ra phía biển tương ứng với sự dao động mực nước biển tổn cộng

Đường bờ cân bằng là trạng thái lý thuyết mà trong thực tế đường bờ có thể hoặc

không đạt được trạng thái đó

Đường bờ cân bằng động: trong mỗi điều kiện tác động cụ thể của các tác nhân thủy động lực, tồn tại trạng thái cân bằng của đường bờ và gọi là cân bằng động.

Đường bờ cân bằng tĩnh: Các tác động làm biến đổi vị trí đường bờ biến đổi theo

thời gian Như vậy, đường bờ sẽ trải qua nhiều trạng thái của cân bằng động và luôn có

xu thế tiến về đường trạng thái cân bằng tĩnh Trạng thái cuối cùng của đường bờ cân

bằng động có thể đạt được gọi là đường bờ cân bằng tĩnh.

Trắc ngang cân bằng:

Trắc ngang bãi là sự biến đổi theo chiều thẳng đứng của đáy biển theo phương từ bờ

ra khơi Trắc ngang bãi biển đồng nghĩa với địa hình bãi biển Khái niệm về trắc ngangcân bằng lần đầu tiên được đưa ra bởi Bruun (1954) và được Dean kiểm tra lại vào năm

1977 Quan điểm của tác giả Dean cho rằng, tác động làm biến đổi bãi biển chủ yếu dochuyển động rối được tạo ra khi sóng vỡ Theo tác giả Komar (1976), sự tương tác giữabồi, xói tại mỗi một điểm trên trắc ngang nhận được thông qua cân bằng động và là đặctính chung của bãi biển Tác giả Lee (1994) đã biểu diễn dạng hình học của trắc ngang cânbằng ở dạng hiện trong mối quan hệ với chu kỳ (hoặc độ dài) sóng ngoài khơi, dựa trên ýtưởng của lý thuyết sóng Airy và cho thấy giả thiết của Dean gắn liền với tiêu tán nănglượng sóng với sự di chuyển hạt là không rõ ràng vì năng lượng là đại lượng vô hướng Cóthể tổng hợp các dạng trắc ngang cân bằng trong bảng 1.1

20

Zhang (2002)

Zhi-Jun(2006)

(2013a)

Với: h là độ sâu nước tĩnh, x là khoảng cách ngang bờ, A và m là các hệ số kinh nghiệm từ các trắc ngang đo được, B, β và K là các hệ số kinh nghiệm, K cho biết mức độ lồi của trắc ngang, Q là thông lượng vận chuyển trầm tích, t là thời gian.

1.2 Khái niệm về quy mô thời gian và không gian của các quá trình vùng bờ

Bãi biển thường là một hệ thống động, phức tạp và bị điều khiển bởi các quátrình vật lý biến đổi theo các quy mô thời gian và không gian khác nhau Quá trình xảy

ra ở vùng sóng tràn biến đổi với quy mô không gian từ bậc của milimet và quy mô thời

gian cỡ bậc của phần giây Trong khi đó quá trình xảy ra trong sự kiện bão có thể làm

xói bãi với quy mô cỡ bậc của mét chỉ trong vài giờ Một số quá trình tự nhiên làm

biến đổi bãi như sóng thể hiện tính tuần hoàn trong khi các sự kiện bão, áp thấp nhiệtđới lại xảy ra một cách ngẫu nhiên Các quá trình ven bờ xảy ra trong không gian 3D

và phụ thuộc thời gian Mô hình dựa trên các quá trình với sự hiểu biết hiện nay vẫnchưa thể đáp ứng tốt trong mô phỏng Quy mô không gian và thời gian của các quátrình có mối liên hệ với nhau nên chúng ta có thể đơn giản hóa bằng cách chỉ xét quy

mô quan trọng đối với mỗi bài toán cụ thể Các tác giả Cowell và Thom (1994) đãphân chia quy mô thời gian của các quá trình ven bờ thành 4 nhóm như sau (hình 1.6)

Hình 1.6 Các quy mô thời gian và không gian của biến đổi hình thái ven bờ [ Cowell và

Thom, 1997 ]

Quy mô tức thời (Instantaneous time scale): Là quy mô gắn liền với sự biến đổi

hình thái trong một chu kỳ của tác động như thủy triều, sóng Quy mô thời gian này cóthể kéo dài từ cỡ vài giây đến một ngày và thậm trí đến vài tuần

Quy mô sự kiện (Event time scale): Là quy mô gắn liền với sự biến đổi hình thái

do các tác động xảy ra từ các sự kiện và có thể kéo dài từ một ngày đến mùa này sangmùa khác và có thể đến vài năm Ví dụ như một cơn bão làm biến đổi bar cát dọc bờ,biến đổi hình thái trong mỗi đợt sóng lớn trong gió mùa, sự đóng mở của cửa sôngtheo các mùa

Quy mô công trình (Engineering time scale): Là quy mô gắn liền với sự biến đổi

hình thái do các tác động xảy với nhiều quy mô khác nhau, từ quy mô sự kiện cho đếnthiên niên kỷ

Quy mô địa chất (Geological time scale): là quy mô thời gian của quá trình làm

biến đổi hình thái xảy ra từ vài thập kỷ đến thiên niên kỷ Ví dụ như sự gia tăng mựcnước biển do biến đổi khí hậu, sự mở rộng của thủy vực, cửa sông

Có thể cho rằng quy mô phù hợp nhất gọi là quy mô công trình, quy mô này baoquát nhiều quy mô thời gian và không gian gắn liền đến thời gian tồn tại của côngtrình

Những thay đổi về động lực học hình thái do các quá trình thủy động lực, trầmtích ven bờ, điều kiện khí hậu và các hoạt động nhân sinh (nạo vét) có thể xảy ra theocác quy mô thời gian và không gian khác nhau (hình 1.7) Các quá trình như rối, gió,sóng, xói mòn đáy/ bề mặt xảy ra theo quy mô thời gian từ giây đến phút và quy mô

không gian từ micro (mm đến cm) đến meso (m đến km) Thủy triều, vận chuyển trầm

tích và sự biến đổi đường bờ xảy ra với quy mô thời gian từ macro (tháng đến năm)

đến mega (thập kỷ đến thế kỷ) và quy mô không gian từ 1km đến 10km Và cuối cùng, quy mô tiểu vùng (sub-regional) đến vùng (regional) với kích thước >10km xảy ra với

quy mô thời gian lớn (mega time scale)

23

Hình 1.7 Quy mô thời gian và không gian của các quá trình [Kraus N.C,1991]

1.3 Tổng quan vềcác nghiên cứu trên thế giới về mô hình toán biến đổi bờ

và bãi biển

Phương pháp mô hình hóa được phát triển nhằm giảm thiểu chi phí trong việctính toán và dự báo biến đổi không chỉ trên bờ và bãi biển mà còn là các đặc trưngthủy thạch động lực Cho đến nay, có thể kể đến các loại mô hình như: (i) mô hìnhtổng hợp dựa trên hệ các phương trình thủy động lực, vận chuyển trầm tích kết hợpbiến đổi bờ biển, bãi biển (ii) mô hình phân tách riêng sự biến đổi đường bờ theo cácquá trình dọc bờ và ngang bờ (iii) mô hình dạng thống kê dựa trên các khái niệm vềđiều kiện cân bằng (iv) các mô hình giải tích (v) các mô hình dạng lai ghép giữathống kê và động lực, lai ghép động lực các mô hình

Trong phần tiếp theo , tác giả đi sâu phân tích và khái

tư đo xác đinḥ hương ng hiên cưu va xây dưngg̣ mô hinh biến đôngg̣ bai biển

̀ ́

1.3.1.Các mô hình xét các quá trình dọc bờ

Các mô hình giải tích: Mô hình giải tích được tận dụng nhiều nhất trong kỹ thuật

bờ biển là mô hình 1 đường được xây dựng dựa trên lý thuyết ‟1-đường‟ của Pelnard –

Considere (1956) để dự báo sự biến đổi đường bờ do mất cân bằng trong vận chuyển trầm

tích dọc bờ Giả thiết then chốt của mô hình là trắc ngang bờ duy trì ở trạng thái cânbằng, không thay đổi dọc theo đường bờ Tên “1- đường” liên quan đến giả thiết rằng

sự dịch chuyển của toàn bộ trắc ngang được đại diện bởi sự dịch chuyển của mộtđường đồng mức, thường là đường bờ Nếu giả thiết 1-đường thỏa mãn thì nguyên lýbảo toàn khối lượng theo hướng dọc bờ phải được áp dụng cho toàn bộ thời gian

+

với x và y tương ứng là các tọa độ dọc bờ và ngang bờ, Q ls là thông lượng vận chuyển dọc bờ,

t là thời gian và D là quy mô thẳng đứng của trắc ngang hoạt động – được xác định là tổng

của độ sâu và độ cao thềm bãi Thông lượng vận chuyển dọc bờ Q ls = Q 0 sinα b , với Q o là độlớn của thông lượng vận chuyển dọc bờ, αb là góc giữa hướng sóng vỡ và đường bờ

Nếu giả thiết tác động dọc bờ không đổi, góc tới của sóng vỡ nhỏ và không thayđổi thì phương trình (1.1) rút gọn thành phương trình truyền nhiệt kinh điển và chonghiệm giải tích,

=

với hệ số khuếch tán ε = 2Q 0 /D.

Tác giả Larson đã cung cấp một bộ các nghiệm giải tích đối với phương trình(1.2) mô tả trạng thái đường bờ cơ sở dưới những kết hợp khác nhau của các tác động

và điều kiện biên đơn giản [Larson, H Hanson, and N C Kraus (1997)].

Các mô hình dạng One (1- ) Line/ N – Line hay nhiều lớp:

Để nhận được nghiệm thực tế hơn, phương trình (1.1) có thể giải bằng kỹ thuật cókhả năng xử lý đến các tác động và điều kiện biên thực tế Tương tự như các mô hình giảitích, các tác động ngang bờ không được xét đến, được áp dụng với khoảng thời gian từnăm đến hàng thập kỷ và ở những nơi mà quá trình vận chuyển trầm tích dọc bờ chiếm ưu

thế rõ ràng Các mô hình 1 đường như GENESIS [Hanson và Kraus 1989] đã cho thấy là

khá thành công mặc dù không có khả năng mô tả đến tác động ngang bờ

25

Hình 1.8 Khái quát hóa mô hình 1-đường

Trong các mô hình xét quá trình dọc bờ, sự biến đổi đường bờ được cho là do sựbiến đổi dần dần của lượng vận chuyển trầm tích dọc bờ Trong đó, các tác động ngang

bờ (do bão, nhiễu động theo mùa) bị loại bỏ trong quá trình mô phỏng và được tínhđến một cách độc lập Giả thiết này khiến cho mô hình các quá trình dọc bờ thích hợphơn khi áp dụng trong khoảng thời gian dài tại các đoạn bờ có xu thế dài hạn, mangtính hệ thống và kém thích hợp với khoảng thời gian ngắn tại các đường bờ gấp khúc

và không có xu thế biến đổi rõ ràng

Các mô hình N-Line là sự mở rộng của mô hình One-Line Trong đó, trắc ngangđược chia thành nhiều lớp và có sự tương tác lẫn nhau Trong các mô hình tựa 3D này,các tác động ngang bờ được xét đến theo tính khái quát thông qua số hạng tương tác

Hình 1.9 Khái quát mô hình N-Line

Phương trình biến đổi đường đẳng sâu:

(1.3)

Lượng vận chuyển ngang bờ q y được tính theo phương pháp năng lượng của Bailard (1982):

Các mô hình thuộc loại này gồm có; mô hình của Bakker (1968), Perlin và Dean (1983).Các tác giả Hanson và Larson cho thấy sự kém thành công của các mô hình N-Line khi xétđến vận chuyển ngang bờ và sự phân bố theo hướng ngang bờ của vận chuyển dọc bờ, và đề

xuất phương pháp cải tiến là cần thiết [Hanson, H and M Larson, 2000].

Các quá trình vận chuyển dọc bờ và ngang bờ do sóng gây ra đều làm biến đổi đường

bờ Đối với các khu vực có bờ biển mở, quá trình dọc bờ được quan trắc thấy xảy ra với quy

mô dài (thập kỷ hoặc hơn) và thường không chiếm ưu thế trong biến đổi với quy mô mùa đếnnăm Các tính toán về biến đổi đường bờ với quy mô thập kỷ hoặc lớn hơn do gradient củavận chuyển dọc bờ thường sử dụng mô hình 1 đường hoặc N đường Trong các mô hình Nđường, hình dạng trắc ngang bãi được giả thiết là không thay đổi hình dạng và các gradientcủa vận chuyển dọc bờ gây ra sự dịch chuyển ngang bờ của trắc ngang Nhóm tác giảRuggiero và cộng sự đã cho thấy mô hình 1 đường cho kết quả tốt với quy mô thập kỷ nhưng

kém hơn so với quy mô giữa các năm [Ruggiero và cộng sự, 2010].

1.3.2 Các mô hình có xét đến các quá trình ngang bờ

Các mô hình cho quá trình ngang bờ thường sử dụng để mô tả biến động trắc ngang

bờ do tác động xảy ra theo quy mô thời gian từ giờ đến năm và quy mô không gian từ métđến hàng ngàn mét Khác biệt với mô hình xét quá trình dọc bờ, mô hình quá trình ngang

bờ được áp dụng cho các đường bờ có các tác động ngang bờ chiếm ưu thế Nhìn chung,các mô hình này thành công trong việc mô phỏng bồi xói do bão nhưng kém thành côngtrong việc mô phỏng sau bão và mô phỏng dài hạn sự biến đổi ngang bãi Các tác giảSchoonees và Theron đã đánh giá 10 mô hình cho quá trình ngang bờ khác nhau với ưuđiểm về lý thuyết và các tiêu chí đánh giá, nhóm lại thành các loại “tốt”, “chấp nhậnđược”, “kém” và kết luận rằng không một mô hình nào được chỉ ra là hoạt động tốt hơn rõ

ràng mà chỉ tốt hơn trong điều kiện cụ thể nào đó [Schoonees và Theron, 1995].

Các mô hình giải tích: Mặc dù một số mô hình xét đến quá trình ngang bờ dạng giải

27

tích đã được xây dựng nhưng không một mô hình nào tốt bằng mô hình dựa trên phươngtrình Pelnard-Considere Nhóm tác giả Larson và Ebersole đã sử dụng phương trìnhkhuếch tán đơn giản để mô tả sự tiến triển theo thời gian của bar cát tách bờ, được thể

hiện trong mặt phẳng Y-Z (hình 1.10 ) [Magnus Larson, Bruce A Ebersole, 1999].

Hình 1.10 So sánh kết quả mô hình và thực đo

Các tác giả Bender và Dean đã tóm tắt một số nghiệm giải tích của phương trìnhdạng truyền sóng có xét đến các tác động của đường bờ và cho thấy mô hình giải tíchđược xây dựng bởi Kriebel và Dean thích hợp hơn khi mô tả sự tiến triển theo thời

gian của trắc ngang ven bờ [Bender, C.J., Dean, R.G, 2003].

Các mô hình thực nghiệm: Hầu hết các mô hình thực nghiệm dựa trên sự bảo

toàn tiến triển của hình thái được tạo ra trong phòng thí nghiệm trong những điều kiện

được điều khiển sẽ dẫn tới các hạn chế nhất định Điển hinh̀ là mô hình thực nghiệmcủa tác giả Swart được xây dựng dựa trên quy luật bảo toàn về sự suy giảm trắc ngang

do tác động của sóng đơn trong cả quy mô lớn và nhỏ Trắc ngang được khái quát hóathành 3 vùng và xây dựng quan hệ thực nghiệm cho trắc ngang cân bằng cũng như cácgiới hạn của trắc ngang ở ven bờ và xa bờ Trong mô hình này , thông lượng vận

chuyển ngang bờ phụ thuộc thời gian (Q cs) được điều khiển bởi sự mất cân bằng của

các đặc trưng trắc ngang [Swart, D.H., 1974].

= ( −( 2 − 1 )

với (L 2 -L 1 ) t là độ rộng của trắc ngang phụ thuộc vào thời gian, w là độ rộng của trắc

ngang ở trạng thái cân bằng, sy là hằng số thực nghiệm đối với một tập hợp các điềukiện biên Mô hình được áp dụng thành công, được hiệu chỉnh công phu với các côngthức thực nghiệm chi tiết khiến cho phương pháp trở lên quá phức tạp trong áp dụng.

Các mô hình tiêu tán năng lƣợng: Dựa trên sự phân tích của hơn 500 trắc ngang

bãi biển ở Thái Bình Dương và bãi biển ở các vịnh của Hoa Kỳ, tác giả Dean (1977) đã

đưa ra trắc ngang cân bằng theo dạng h = Ay 2/3 dựa trên lý thuyết sóng tuyến tính và giảthiết về tiêu tán năng lượng sóng đều trên một đơn vị thể tích do sóng vỡ Giả thiết thenchốt đó có nghĩa là mỗi loại trầm tích có kích thước nhất định sẽ ổn định đối với mức của

năng lượng tản mát trên 1 đơn vị thể tích tương ứng [Dean, R.G., 1977].

∗ ( )=

với h là độ sâu tổng cộng, E là năng lượng nhóm sóng, C g là vận tốc nhóm sóng, y làtọa độ vuông góc với bờ và hướng ra ngoài khơi Sử dụng lý thuyết trắc ngang cânbằng, Kriebel và Dean đã đưa ra đề xuất triển khai cho vận chuyển ngang bờ dựa trên

độ chênh lệch giữa tiêu tán năng lượng thực và trạng thái cân bằng trong vùng sóng đổ(mô hình EDUNE),

=(− ∗ )

D là tiêu tán năng lượng thực phụ thuộc thời gian trên 1 đơn vị thể tích, K là tham số vận

chuyển thực nghiệm, số hạng trong ngoặc đơn thể hiện mức độ mất cân bằng và đề xuất vớitrắc ngang có độ dốc lớn thì trầm tích sẽ bị vận chuyển ra xa bờ để tái tạo trạng thái cân bằng

và ngược lại [Kriebel, D.L., Dean, R.G., 1985] Sau đó, nhóm tác giả Zheng và Dean (1997)

đã cải tiến phương trình (1.7) bằng việc gia tăng số hạng mất cân bằng thành số mũ 3 để thỏa

mãn quan hệ theo quy mô thích hợp được cho bởi tỷ lệ vận chuyển trầm tích Q r =L r 3/2 , L r là tỷ

lệ độ dài [Jie Zheng and Robert G Dean, 1997] Trong cả 2 mô hình thì sự biến đổi trắc ngang

do gradient của vận chuyển trầm tích ngang bờ theo phương trình liên tục,

= −

Phương trình (1.7) và (1.8) hình thành hệ khép kín có thể giải số Trong quy môthời gian của bão, cả hai mô hình đều có khả năng mô tả tốt xói mòn nhưng kém thànhcông trong mô phỏng bồi tụ sau bão

29

Kế tiếp sự thành công của mô hình EDUNE, các tác giả Larson và Kraus đã mởrộng khả năng của mô hình dựa trên sự tản mát năng lượng để xây dựng mô hìnhSBEACH Trong mô hình SBEACH, vùng ven bờ được chia thành 4 vùng riêng biệtnhư được minh họa trong hình 1.11 và mỗi vùng có một quan hệ vận chuyển trầm tíchriêng Trong vùng sóng đổ (vùng 3), độ lớn của vận chuyển trầm tích ngang bờ (Qcs)được tính toán dựa vào năng lượng tản mát, số hạng mở rộng được bổ sung vào để tính

đến vận chuyển do độ dốc bãi [Larson, M., Kraus, N.C., 1989].

với dh/dy là độ dốc của bãi, K và ε tương ứng là hệ số vận chuyển trầm tích do sự tán

mát năng lượng và số hạng phụ thuộc độ dốc

Hình 1.11 Minh họa trắc ngang trong SBEACH (Larson và Kraus, 1989)

Trong mô hình SBEACH, hướng của dòng vận chuyển được tính riêng biệt dựa

trên tiêu chí thực nghiệm liên hệ với độ dốc của sóng nước sâu (H 0 /L 0), với tham số

tốc độ chìm lắng phi thứ nguyên (H 0 /w s T):

0

0

0

với H 0 , L 0 , T là các tham số sóng nước sâu (độ cao, độ dài, chu kỳ của sóng), w s là vậntốc chìm lắng của trầm tích.

30

Độ lớn của dòng vận chuyển trầm tích trong vùng còn lại được tính theo các quan

hệ thực nghiệm (từ các phương trình (1.9) và (1.10)) với lươngg̣ vận chuyển được xác

định dựa vào tiêu tán năng lượng sóng Trong những vùng này, độ lớn của vận chuyển

trầm tích tuân theo hệ số phân hủy dạng mũ và biến đổi tùy thuộc vào từng vùng Tại

biên phía bờ và phía ngoài khơi, độ lớn của vận chuyển trầm tích bị triệt tiêu sao cho

không có sự thay đổi độ sâu (độ sâu tới hạn) Mô hình SBEACH đã được áp dụng

nhiều để nghiên cứu về quá trình xói bãi biển do bão và nuôi bãi cho kết quả tốt Tuy

nhiên, mô hình này không có khả năng mô phỏng một cách chính xác sự bồi tụ và sự

dịch chuyển ngang bờ của bar Như vậy, đã giới hạn khả năng phát triển đối với các

nghiên cứu mô phỏng dài hạn

1.3.3.Các mô hình dạng lai ghép (hybrid) giữa động lực và thống kê

Mô hình biến đổi trắc ngang [Karunarathnan, 2013]: Trong những năm gần

đây, phương pháp lai ghép đã được xây dựng cho các mô hình biến đổi hình thái bãi

biển Tác giả Karunarathna đã xây dựng mô hình khuếch tán 2D dạng lai ghép để mô

phỏng biến đổi hình thái các cửa sông, coi hệ số khuếch tán là hằng số và áp đụng

thành công cho cửa sông Humber [Reeve, Karunarathna 2011] Mô hình này có khả

năng xác định xu thế hình thái cửa sông với quy mô thời gian từ vài năm đến thập kỷ

Mô hình 1 chiều dạng lai ghép để mô phỏng sự biến đổi trắc ngang có thể thấy trong

công bố của Karunarathna [Karunarathnan, 2009] Theo Karunarathna các tham số

quan trọng của mô hình được phân tích, gắn với các điều kiện hiện trường và các tác

động động lực hình thái hay ý nghĩa vật lý của mô hình [Karunarathnan, 2011]:

Phương trình biến đổi trắc ngang dạng khuếch tán như sau:

( , )

=(,)

trong đó: ( , ) là độ sâu tại vị trí ngang bãi x và thời gian t, ( , ) là hệ số khuếch tán, ( , ) là hàm nguồn (hình 1.12).

31

Hình 1.12 Sơ đồ trắc ngang bãi biển

Phương trình (1.11) cho thấy cần xác định hệ số khuếch tán ( , ) và hàm nguồn ( , ) Đây là hai tham quan trọng dẫn đến độ chính xác trong mô phỏng của phương trình.

- Sự biến đổi theo không gian của hệ số khuếch tán cho phép thể hiện sự biến đổi

quy mô thời gian của hình thái trắc ngang

- Các tác động do đặc điểm trầm tích, động lực ở quy mô nhỏ được đặc trưng bởi hệ số khuếch tán ( , ).

Để mô phỏng biến đổi trắc ngang bãi, cần giải quyết hai bài toán được đặt ra như sau:

2 Bài toán ngược: xác định hệ số khuếch tán ( , ) và hàm nguồn ( , ) dựa vào dữ liệu lịch sử về trắc ngang.

Có thể giả thiết rằng, các hàm ( , ), ( , ) và ( , ) được viết thành tổng của các đại lượng trung bình và thăng giáng biến đổi theo thời gian như sau:

Xét với hàm nguồn mới:

Phương trình (1.19) được giải với thành phần trung bình của trắc ngang bãi:

Suy ra:

Với α là hằng số tích phân,

từ dữ liệu thực đo trắc ngang

Để duy trì độ dốc của bãi biển, hệ số khuếch tán trung bình phải nhỏ Giá trị hệ

số khuếch tán trung bình lớn sẽ tương ứng với bãi biển độ dốc thoải

Để áp dụng phương pháp này, cần có dữ liệu thực đo về trắc ngang bãi và từ đótính toán được trắc ngang trung bình và gradient theo phương trình (1.19) Như vậy,cần xác định hằng số tích phân α

Phương pháp xác định các hàm nguồn và thủ tục xác định hằng số tích phân có

thể xem trong công trình của nhóm tác giả Reeve và Fleming [Reeve D.E and Fleming, C.A., 1997].