Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển và giải pháp bảo vệ bãi biển cửa đại, hội an

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN NGỌC THẾ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN VÀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ BÃI BIỂN CỬ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN NGỌC THẾ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN VÀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ

BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN NGỌC THẾ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN VÀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ

BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN

Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình Biển

Mã số : 958 02 03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Thanh Tùng

GS TS Nguyễn Trung Việt

HÀ NỘI, NĂM 2021

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 Ngọc Thế

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Thanh Tùng và GS.TS Nguyễn Trung Việt đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu

để hoàn thành luận án

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, khoa Công trình, bộ môn

Kỹ thuật Công trình Biển, trường Đại Học Thủy Lợi và Trường Cao đẳng Công nghệ - Kinh tế và Thủy lợi miền Trung, đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận

đã động viên, giành nhiều thời gian và công sức giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình đã quan tâm, động viên, khích

lệ, ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả yên tâm thực hiện và hoàn thành luận án

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 4

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5

6 Cấu trúc của luận án 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN 7

1.1 Khái quát chung về nước dâng do sóng và ảnh hưởng của nước dâng do sóng 7

1.1.1 Các thuật ngữ liên quan đến nước dâng do sóng 7

1.1.2 Phạm vi ảnh hưởng và tác động của nước dâng do sóng tới bãi biển 8

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về nước dâng do sóng trên thế giới 10

1.3 Tổng quan các nghiên cứu tại Việt Nam về nước dâng do bão, nước dâng do sóng và công trình bảo vệ bờ biển 15

1.3.1 Các nghiên cứu về nước dâng, nước dâng do sóng 15

1.3.2 Các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển đã áp dụng tại Việt Nam 17

1.4 Các nghiên cứu liên quan đến biển Cửa Đại, Hội An 19

1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án 22

1.6 Kết luận Chương 1 22

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN 24

2.1 Lựa chọn phương pháp xác định nước dâng do sóng trong luận án 24

2.2 Các số liệu cơ bản phục vụ nghiên cứu 26

2.2.1 Tài liệu địa hình 26

2.2.2 Tài liệu thủy, hải văn 29

2.2.3 Số liệu bùn cát đáy 35

2.3 Phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ bộ số liệu đo đạc 36

2.3.1 Cơ sở khoa học phân tích nước dâng do sóng từ hình ảnh camera 36

2.3.2 Phân tích ảnh, trích xuất dao động mực nước từ camera và cọc tiêu 43

2.3.3 Tính toán nước dâng do sóng từ chuỗi số liệu đo đạc 44

2.4 Phương pháp mô hình toán mô phỏng nước dâng do sóng 48

2.4.1 Giới thiệu mô hình sử dụng trong nghiên cứu luận án 48

2.4.2 Tính toán lan truyền sóng từ nước sâu vào vùng ven bờ 49

2.4.3 Tính toán nước dâng do sóng và biến động bãi biển 54

2.5 Kết luận Chương 2 58

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN 59

3.1 Đặt vấn đề 59

3.2 Phân tích và khái quát một số quy luật về biến động mặt cắt ngang bãi 61

3.2.1 Phân tích biến động mặt cắt ngang bãi biển qua các giai đoạn 61

3.2.2 Khái quát một số quy luật biến động mặt cắt ngang bãi biển 67

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển 69

3.3.1 Trường hợp tính toán và vị trí các mặt cắt tính toán 69

3.3.2 Kết quả mô phỏng nước dâng do sóng trong bão ven biển Cửa Đại 71

3.3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển 78

3.3.4 Phân tích ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển 84

3.4 Kết luận Chương 3 90

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN 93

4.1 Giới thiệu chung 93

4.1.1 Vị trí địa lý, địa hình và địa mạo khu vực nghiên cứu 93

4.1.2 Hiện trạng bãi biển Cửa Đại, Hội An 94

4.2 Mục tiêu giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An 98

4.3 Các căn cứ nghiên cứu đề xuất phương án bố trí công trình bảo vệ bãi biển 98

4.4 Phương án bố trí công trình ngăn cát, giảm sóng 99

4.4.1 Phương án chung bố trí mặt bằng công trình 99

4.4.2 Các phương án bố trí công trình 100

4.5 Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của các phương án bố trí công trình 101

4.5.1 Phương pháp đánh giá 101

4.5.2 Độ cao sóng sau khi bố trí các phương án công trình bảo vệ 101

4.5.3 Biến động bãi biển theo các phương án bố trí công trình 103

4.6 Lựa chọn phương án công trình 106

4.7 Kết luận Chương 4 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108

I Những kết quả đạt được cửa luận án 108

II Những đóng góp mới của luận án 111

III Những tồn tại và kiến nghị hướng tiếp tục nghiên cứu 111

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 114

PHẦN PHỤ LỤC 119

PHỤ LỤC 1 119

PHỤ LỤC 2 154

DANG MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1 Tình trạng xói lở nghiêm trọng tại khu vực biển Cửa Đại, Hội An 2

Hình 2 Phạm vi khu vực nghiên cứu 4

Hình 1.1 Sơ đồ mô tả các thuật ngữ về nước dâng do bão, nước dâng do sóng 7

Hình 1.2 Hình thái bãi biển 8

Hình 1.3 Cơ chế phá hủy đụn cát ven bờ 9

Hình 1.4 Hình ảnh minh họa tác động NDDS đến xói lở chân đụn cát tại bãi Tân Mỹ, Cửa Đại trong đợt bão tháng 10/2016 10

Hình 1.5 Ứng suất bức xạ sóng 10

Hình 1.6 Trắc diện mực nước sóng (a) và độ cao sóng (b) theo dữ liệu thực nghiệm 13

Hình 1.7 Một số hình ảnh tiêu biểu về công trình bảo vệ bờ biển ở Việt Nam 19

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả sự liên kết, bổ trợ giữa các phương pháp nghiên cứu 25

Hình 2.2 Tổng hợp địa hình khu vực biển Hội An 26

Hình 2.3 Vị trí đo đạc mặt cắt ngang địa hình bãi biển MCN-01, MCN-02 27

Hình 2.4 Mặt cắt ngang địa hình các đợt khảo sát 28

Hình 2.5 Mặt cắt ngang địa hình thời điểm trước, trong và sau đợt ảnh hưởng bão SARIKA năm 2016 tại MCN-02, bãi Tân Mỹ, Cửa Đại 28

Hình 2.6 Đo đạc khảo sát địa hình khu vực nghiên cứu sau đợt bão 3/2017 29

Hình 2.7 Biểu đồ thống kê số lượng cơn bão xuất hiện trong tháng từ 1979 – 2020 30

Hình 2.8 Biểu đồ thống kê số lượng cơn bão và phạm vi bản kính ảnh hưởng 30

Hình 2.9 Đường đi, bản đồ sóng tái phân tích và bản đồ trường gió của cơn bão DOKSURI di chuyển ngày 14/9/2017 và 15/9/2017 31

Hình 2.10 Vị trí bố trí các trạm đo đạc thủy, hải văn trong khu vực nghiên cứu 32

Hình 2.11 Diễn biến độ cao sóng 02 lần đo, đợt 1 tại hai trạm SMS01 (phía Bắc Cửa Đại) và trạm SMS02 (phía trước cửa sông Cửa Đại) 33

Hình 2.12 Diễn biến độ cao sóng đo đạc đợt 2, tháng 3/2017 tại trạm SMS01 33

Hình 2.13 Đo đạc hải văn biển Cửa Đại, Hội An từ ngày 10/3/2017 đến 26/3/2017 33

Hình 2.14 Biến trình tốc độ và hướng dòng chảy đợt khảo sát đợt 1 tại trạm SCR1 34

Hình 2.15 Biến trình tốc độ và hướng dòng chảy đợt khảo sát đợt 2 tại trạm SCR1 34

Hình 2.16 Diễn biễn mực nước từ ngày 12/1/2016 đến 4/3/2017 tại trạm đo 34

Hình 2.17 Vị trí lấy mẫu bùn cát đáy 35

Hình 2.18 Thành phần hạt đưa vào mô hình 35

Hình 2.19 Sơ đồ tổng hợp màu cơ bản 37

Hình 2.20 Sơ đồ mặt cắt dọc theo cọc tiêu 37

Hình 2.21 Sơ đồ phân tích sóng theo đường mực nước trung bình 37

Hình 2.22 Thiết lập, bố trí camera và hệ thống cọc tiêu tại bãi tắm KS Agribank 38

Hình 2.23 Bố trí hệ thống cọc tiêu trên MCN địa hình tại bãi tắm KS Agribank 39

Hình 2.24 Một số hình ảnh lắp đặt thiết bị quan trắc thu nhận dao động mặt nước biển trong bão DOKSURI (từ ngày 12 đến 15//9/2017) tại bãi tắm KS Agribank 39

Hình 2.25 Các vị trí, độ dài quy ước kiểm tra trên cọc tiêu 40

Hình 2.26 Biến dạng ảnh các vị trí trên cọc tiêu 40

Hình 2.27 Sơ đồ khối chương trình trích xuất tín hiệu từ ảnh camera và cọc tiêu 42

Hình 2.28 Định dạng file dữ liệu ảnh thu nhận từ camera 42

Hình 2.29 Trích xuất khung hình đại diện 42

Hình 2.30 Tín hiệu màu R-G-B trên mặt cắt được chương trình đọc và xử lý 42

Hình 2.31 Dao động mực nước các cọc tiêu (từ C1 đến C6) trong thời đoạn đo đạc 43

Hình 2 32 Vị trí trạm đo và mương dẫn nước vào giếng đo trạm hải văn Sơn Trà 44

Hình 2.33 So sánh mực nước dâng trạm Sơn Trà và trạm tại Cửa Đại, Hội An 45

Hình 2.34 Tương quan mực nước giữa trạm hải văn Sơn Trà và trạm đo mực nước tại Cửa Đại, Hội An giai đoạn từ 12/2015 đến 3/2017 45

Hình 2.35 Đồ thị MN dâng trạm hải văn Sơn Trà (12/9/2016 đến 16/9/2016) 46

Hình 2.36 Phân bố độ cao sóng quan trắc và nước dâng do sóng theo mặt cắt ngang 47 Hình 2.37 Sơ đồ khối tính toán nước dâng do sóng và biến động bãi biển 48

Hình 2.38 Miền tính toán vùng 1, vùng 2 49

Hình 2.39 Miền tính toán sóng chi tiết 49

Hình 2.40 Lưới tính toán vùng 1, vùng 2 và địa hình đáy biển 50

Hình 2.41 Độ cao sóng tại biên nước sâu, biển Cửa Đại (10/2016) 50

Hình 2.42 Hiệu chỉnh độ cao sóng tại trạm SMS01 51

Hình 2.43 Hiệu chỉnh độ cao sóng tại trạm SMS02 51

Hình 2.44 Hiệu chỉnh chu kỳ sóng tại trạm SMS01 51

Hình 2.45 Hiệu chỉnh chu kỳ sóng tại trạm SMS02 51

Hình 2.46 Hiệu chỉnh hướng sóng tại trạm SMS01 51

Hình 2.47 Hiệu chỉnh hướng sóng tại trạm SMS02 51

Hình 2.48 Kiểm định độ cao sóng tại Trạm SMS01 (3/2017) 53

Hình 2.49 Kiểm định độ cao sóng tại Trạm SMS02 (3/2017) 53

Hình 2.50 Kiểm định chu kỳ sóng tại Trạm SMS01 (3/2017) 53

Hình 2.51 Kiểm định chu kỳ sóng tại Trạm SMS02 (3/2017) 53

Hình 2.52 Kiểm định hướng sóng tại trạm SMS01 (3/2017) 53

Hình 2.53 Kiểm định hướng sóng tại trạm SMS02 (3/2017) 53

Hình 2.54 Trường sóng 16h ngày 14/9/2017 54

Hình 2.55 So sánh độ cao sóng đo đạc và tính toán tại mặt cắt thuộc bãi biển KS AGRIBANK, Cửa Đại, Hội An 57

Hình 2.56 So sánh nước dâng do sóng đo đạc và tính toán tại mặt cắt thuộc bãi biển KS AGRIBANK, Cửa Đại, Hội An 57

Hình 2.57 So sánh biến động địa hình mặt cắt ngang đo đạc và tính toán tại mặt cắt thuộc bãi biển KS AGRIBANK, Cửa Đại, Hội An 57

Hình 3.1 Bãi biển KS Agribank 10/2016 59

Hình 3.2 Bãi biển KS Agribank 59

Hình 3.3 Sơ đồ phân tích đánh giá ảnh hưởng của NDDS tới biến động bãi biển 60

Hình 3.4 Vị trí trích xuất sóng khu vực nước sâu tại khu vực biển Cửa Đại, Hội An 61

Hình 3.5 Tương quan giữa nước dâng và độ cao sóng nước sâu thời kỳ trước mùa gió Tây Nam và sau thời kỳ mùa gió Đông Bắc 2016 62

Hình 3.6 Diễn biễn địa hình mặt cắt ngang MCN-01 từ 23/3/016 đến 17/8/2016 63

Hình 3.7 Hướng đi và trường gió trong bão ngày 12/9/2016, 17/10/2016 [49] 63

Hình 3.8 Biến động địa hình mặt cắt ngang MCN-01 từ 17/8/2016 đến 26/10/2016 64

Hình 3.9 Biến động bãi biển tại MCN-02 trong đợt ảnh hưởng bão SARIKA 65

Hình 3.10 Tương quan mực nước dâng và độ cao sóng bão số 7) năm 2016 65

Hình 3.11 Diễn biến mặt cắt ngang địa hình bãi biển các giai đoạn 66

Hình 3.12 Hình ảnh xói lở khu vực biển từ Palm Garden đến Agribank 67

Hình 3.13 Vị trí điểm tính toán vùng ven bờ biển phía bắc Cửa Đại, Hội An 70

Hình 3.14 Phân bố trường sóng theo tần suất bão khu vực biển Cửa Đại, Hội An 71

Hình 3.15 Biểu đồ so sánh chiều cao sóng các điểm tại biên các trường hợp 72

Hình 3.16 Mô phỏng phân bố độ cao do sóng các trường hợp tính toán 73

Hình 3.17 Phân bố độ cao sóng theo mặt cắt ngang các trường hợp tính toán 74

Hình 3.18 Phân bố độ cao nước dâng do sóng theo các trường hợp tính toán 76

Hình 3.19 Phân bố NDDS theo mặt cắt ngang các trường hợp tính toán 76

Hình 3.20 Biểu đồ so sánh NDDS lớn nhất các trường hợp tại các vị trí mặt cắt 77

Hình 3.21 Mực nước dâng trạm Sơn Trà tháng 10, 11/2020 79

Hình 3.22 Biến động bãi biển do các cơn bão đổ bộ vào thời kỳ triều khác nhau 79

Hình 3.23 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD01các trường hợp tính toán theo KB1 (triều TB) và KB2 (triều cao) 80

Hình 3.24 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD02 các trường hợp tính toán theo KB1 (triều TB) và KB2 (triều cao) 80

Hình 3.25 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD03 các trường hợp tính toán theo KB1 (triều TB) và KB2 (triều cao) 81

Hình 3.26 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD04 các trường hợp tính toán theo KB1 (triều TB) và KB2 (triều cao) 81

Hình 3.27 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD01các trường hợp tính toán theo KB1 (có xét đến NDDS) và KB3 (không xét NDDS) 82

Hình 3.28 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD02 các trường hợp tính toán theo KB1 (có xét đến NDDS) và KB3 (không xét NDDS) 82

Hình 3.29 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD03 các trường hợp tính toán theo KB1 (có xét đến NDDS) và KB3 (không xét NDDS) 83

Hình 3.30 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD04 các trường hợp tính toán theo KB1 (có xét đến NDDS) và KB3 (không xét NDDS) 83

Hình 3.31 Ký hiệu phạm vi, mức độ biến động địa hình MCN bãi KB1& KB2 84

Hình 3.32 Ký hiệu phạm vi, mức độ biến động địa hình MCN bãi KB1 & KB3 84

Hình 3.33 So sánh cao trình, chiều sâu xói chân công trình KB1 và KB2 các trường hợp tính toán tại MC tính toán CD01, CD02 (bãi biển đã có công trình bảo vệ) 86

Hình 3.34 So sánh cao trình, chiều rộng xói bãi KB1 & KB2 các trường hợp tính toán tại MC tính toán CD03, CD04 (bãi biển chưa có công trình bảo vệ) 87

Hình 3.35 Diễn biến cao trình xói bãi KB1 & KB3 tại MC tính toán CD04 89

Hình 3.36 Diễn biến chiều rộng xói bãi KB1 & KB3 tại MC tính toán CD04 89

Hình 3.37 Diễn biến cao trình, chiều sâu xói chân công trình KB1 & KB3 tại MC tính

toán CD01 89

Hình 3.38 Diễn biến cao trình, chiều sâu xói chân công trình KB1 & KB3 tại MC tính toán CD02 89

Hình 4.1 Phạm vi khu vực nghiên cứu 93

Hình 4.2 Bãi biển Cửa Đại, Hội An biến động theo mùa 94

Hình 4.3 Biến đổi bãi biển khi có các công trình xây dựng ven bờ 95

Hình 4 4 Công trình bảo vệ bờ không phát huy hiệu quả trong bão 95

Hình 4 5 Hình ảnh các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển phía Bắc Cửa Đại 97

Hình 4.6 Mặt bằng bố trí tổng thể công trình khu vực biển Cửa Đại Hội An 99

Hình 4.7 Sơ họa bố trí công trình đê ngầm giảm sóng, kè mỏ hàn 100

Hình 4.8 Phân bố độ cao sóng sau khi bố trí các phương án công trình bảo vệ 102

Hình 4 9 Độ cao sóng trước khi bố trí công trình và sau khi bố trí công trình tại các vị trí mặt cắt CD01, CD02, CD03 và CD04 102

Hình 4 10 Biến động bãi biển theo các phương án bố trí công trình 103

Hình 4.11 Các khối bồi tụ dạng tombolo ở gần bờ được hình thành 104

Hình 4 12 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt CD01 các phương án 104

Hình 4 13 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt CD02 các phương án 105

Hình 4 14 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt CD03 các phương án 105

Hình 4.15 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt CD04 các phương án 105

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng thống kê thời gian và nội dung đo đạc các mặt cắt ngang bãi biển 27

Bảng 2.2 Bảng thống kê số lượng cơn bão từ năm 1979 đến 2020 29

Bảng 2.3 Thống kê về thời gian, tham số một số cơn bão có ảnh hưởng 30

Bảng 2.4 Bảng thống kê cao độ và tọa độ các trạm đo trong tháng 10/2016 32

Bảng 2.5 Bảng thống kê cao độ và tọa độ các trạm đo trong tháng 3/2017 32

Bảng 2.6 Bảng thống kê tỉ lệ độ dài/pixel tại các vị trí trên cọc tiêu, sai số độ dài 41

Bảng 2.7 Bảng thống kê tỉ lệ độ dài/pixel tại vị trí các cọc tiêu, sai số độ dài 41

Bảng 2.8 Bảng thống kê kết quả độ cao sóng và nước dâng do sóng 47

Bảng 2.9 Kết quả hiệu chỉnh độ cao sóng, chu kỳ, hướng sóng mô hình SWAN 52

Bảng 2.10 Kết quả kiểm định độ cao sóng, chu kỳ và hướng sóng mô hình SWAN 53

Bảng 2.11 Bảng thống kê tham số hiệu chỉnh mô hình XBEACH 55

Bảng 2.12 Bảng thống kê tham số hiệu chỉnh biển đổi hình thái bãi biển 56

Bảng 2.13 Kết quả kiểm định độ cao sóng, nước dâng do sóng và biển đổi 57

Bảng 3.1 Bảng thống kê các tham số sóng nước sâu, nước dâng ven bờ theo các giai đoạn đo đạc MCN địa hình 62

Bảng 3.2 Bảng thống kê các tham số sóng nước sâu, nước dâng ven bờ cơn bão ngày 12/9/2016 và 17/10/2016 64

Bảng 3.3 Bảng thống kê giá trị các yếu tố ảnh hưởng đến biến động bãi biển và phạm vi ảnh hưởng trong bão SARIKA tại MCN-02 65

Bảng 3.4 Bảng tổng hợp kết quả phân tích biến động bãi biển các giai đoạn 67

Bảng 3.5 Bảng thống kê các tham số sóng vùng nước sâu theo tần suất ứng với các trường hợp tính toán 69

Bảng 3.6 Vị trí, tọa độ, độ sâu nước các điểm tính toán tại biên 70

Bảng 3.7 Giá trị tham số sóng các điểm tính toán tại biên 72

Bảng 3.8 Bảng thống kê NDDS lớn nhất vị trí sát mép bờ các mặt cắt tính toán 77

Bảng 3.9 Bảng thống kê giá trị biến động về cao trình, kích thước, phạm vi xói lở bãi biển giữa KB1 & KB2 85

Bảng 3.10 Bảng thống kê giá trị biến động về cao trình, kích thước, phạm vi xói lở bãi biển giữa KB1 & KB3 88

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

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

DELFT Hà Lan Phát triển

KHCN - Khoa học công nghệ

NCEP - National Centers for Environmental Prediction – Trung tâm dự báo

môi trường Quốc gia NDDB - Nước dâng do bão

NDDS - Nước dâng do sóng

SLOSH - Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes - Mô hình tính

nước dâng do bão cho khu vực ven biển, biển và hồ SMS - Surfacewater Modeling System - Hệ thống mô hình nước mặt SPLASH - Spesical Program to List Amplitude of Surge from Huricanes -

Chương trình đặc biệt để tính toán nước dâng do bão SPM - Shoreline Protection Manual - Sổ tay bảo vệ đường bờ của Hoa Kỳ SWAN - Simulating Waves Nearshore - Mô hình tính toán lan truyền, biến

XBEACH - Mô hình mô phỏng các quá trình thủy động lực học, hình thái động

lực học và tác động lên các bờ biển cát

2 GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

Mực nước biển - Mực nước tổng cộng so với mực nước trung bình đo được bằng

các thiết bị đo đạc mực nước

- Nước dâng nói chung có thể xem như sự biến đổi mực nước có chu

kỳ dài dưới tác động của gió, khí áp lên một khu vực cụ thể Nước dâng do

Thủy triều - Những dao động tuần hoàn của mực nước biển theo thời gian do

các lực có nguồn gốc thiên văn gây nên

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Bãi biển Cửa Đại, Hội An nằm ở trung tâm của dải bờ biển kéo dài từ chân núi Sơn Trà thuộc thành phố Đà Nẵng, qua phường Điện Dương thuộc thị xã Điện Bàn đến phường Cửa Đại thuộc thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam Bãi biển Cửa Đại, Hội An là một bãi biển đẹp được nhiều chuyên trang du lịch nổi tiếng trong nước và quốc tế bầu chọn

là một trong những bãi biển đẹp hàng đầu ở châu Á, với những cồn cát trắng chạy dài, nước màu lam ngọc và nắng vàng Đặc biệt ven bờ biển Cửa Đại được các doanh nghiệp xây dựng những khu nghỉ dưỡng lộng lẫy, tiện nghi hiện đại Chính vì vậy nơi đây trở thành điểm đến hấp dẫn của du khách trong và ngoài nước và đã tạo ra nguồn thu sách ngân sách lớn cho địa phương

Bên cạnh những tiềm năng to lớn mà thiên nhiên ban tặng, hàng năm vào mùa gió Đông Bắc toàn bộ vùng ven bờ phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An phải hứng chịu nhiều thiên tai như: bão, gió mùa, triều cường, nước dâng gây hệ quả về xói lở bờ biển, để lại hậu quả nghiêm trọng về kinh tế - xã hội và môi trường sinh thái

Tình trạng xói lở nghiêm trọng bãi biển phía Bắc Cửa Đại, Hội An bắt đầu xảy ra liên tục từ năm 2009 trở lại đây, tại nơi đang tập trung các khu nghỉ dưỡng cao cấp nhất của thành phố du lịch này Đứng trước tình trạng xói lở nghiêm trọng đó chính quyền địa phương cũng như chủ các khu nghỉ dưỡng ven biển đã bỏ ra hàng trăm tỷ đồng để xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển nhưng qua thời gian sử dụng các công trình này hầu như không phát huy được hiệu quả bảo vệ bờ và bãi biển Những khu vực đã bố trí xây dựng công trình bảo vệ, sóng trong bão vẫn gây xói lở bờ và bãi biển, tràn qua đỉnh công trình và phá hủy nghiêm trọng công trình và các hạ tầng kiến trúc phía trong vùng bờ (hình 1) Đối với những khu vực bãi biển tự nhiên chưa có công trình bảo vệ như tại bãi biển Tân Mỹ, bãi biển từ khách sạn Agribank đến bãi biển An Bàng tình trạng xói lở khu vực bãi cao và chân các đụn cát ngày càng nghiêm trọng, đường bờ của khu vực này ngày càng lấn sâu vào phía trong đất liền gây ảnh hưởng lớn đến hạ tầng kỹ thuật

và cuộc sống của người dân trong khu vực này

Tình trạng xói lở nghiêm trọng bãi biển Cửa Đại, Hội An đã và đang gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn thu ngân sách của địa phương từ ngành du lịch trong những năm qua

a) Bãi tắm KS Vin Pearl, Cửa

Đại không tồn tại

b) Công trình KS Fusion Alya bị phá hủy

c) Kè mái nghiêng bằng bê tông bị sập mái

d) Sóng bão phá hủy kè và

tràn qua đỉnh kè tại khu vực

bãi chính Cửa Đại

(10/2016)

e) Sóng bão vươn sâu vùng

bờ phá hủy chân đụn cát tại bãi Tân Mỹ, Cửa Đại (10/2016)

g) Sóng bão vươn sâu vùng

bờ phá hủy chân đụn cát tại bãi KS Agribank (10/2016)

hưởng sóng trong bão, gió mùa Đông Bắc gây ra

Để làm rõ nguyên nhân gây ra tình trạng xói, bồi bãi biển phía Bắc biển Cửa Đại, Hội

An đã có nhiều nghiên cứu về quá trình thủy thạch động lực, vận chuyển bùn cát và biến động vùng ven biển, cửa sông trong khuôn khổ các đề tài KH&CN, các dự án và nghiên cứu độc lập của các nhóm nghiên cứu Nghiên cứu do Lê Đình Mầu chủ trì, thực hiện năm 2015, cho thấy “từ những năm 1965 trở lại đây vùng ven biển Cửa Đại, Hội An hiện tượng xói lở luôn chiếm ưu thế hơn hiện tượng bồi tụ và cường độ xói lở ngày càng gia tăng, đường bờ ngày càng lấn sâu vào trong đất liền” [1] Nghiên cứu trong đề tài KH&CN do Nguyễn Kim Đan và Nguyễn Trung Việt chủ trì, thực hiện trong các năm

2016-2017 đã đưa ra được các nguyên chính gây ra xói lở bờ phía Bắc biển Cửa Đại là

do “thiếu hụt bùn cát, do thay đổi hướng sóng, do tác động từ xây dựng công trình trong khu vực” [2] Nghiên cứu do Nguyễn Ngọc Thế chủ trì, thực hiện năm 2016-2017 cho thấy “các công trình được xây dựng không phát huy hiệu quả trong bão, trong bão hiện tượng xói lở nghiêm trọng thường xảy ra vùng bãi cao và chân đụn cát ven bờ” [3] Nghiên cứu về cán cân vận chuyển bùn cát dọc bờ tại khu vực biển Cửa Đại (Hội An)

do Lê Đình Mầu thực hiện năm 2012, cho thấy “cơ chế VCBC ngang bờ trong bão chiếm

ưu thế hơn VCBC dọc bờ” [4] Nghiên cứu do Huỳnh Công Hoài chủ trì, thực hiện năm

2018, cho thấy “xói lở nghiêm trọng bãi biển Cửa Đại, Hội An chủ yếu xảy ra về thời

kỳ mùa gió Đông Bắc” [5], ngoài ra còn một số các nghiên cứu khác về đặc điểm biến động đường bờ, vùng cửa sông [6], [7], [8], [9], [10] Nhìn chung, kết quả các nghiên cứu đã mô tả được quy luật biến động bãi biển là xói lở nghiêm trọng về thời kỳ mùa gió Đông Bắc và bồi tụ về mùa gió Tây Nam và đã làm rõ khu vực phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An tình trạng xói lở chiểm ưu thế hơn bồi tụ, khu vực bãi biển phía Nam biển Cửa Đại, Hội An ổn định ít biến động, cơ chế VCBC ngang bờ trong bão chiếm ưu thế hơn VCBC dọc bờ, kết quả các nghiên cứu cũng đã đưa ra được các nguyên chính gây

ra xói lở bờ biển phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An là do thiếu hụt bùn cát, do thay đổi hướng sóng, do tác động từ xây dựng công trình trong khu vực Tuy nhiên, vẫn còn thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của các yếu tố động lực vùng ven bờ tác động đến biến động bãi biển trong điều kiện thời tiết cực đoan có bão, gió mùa Đông Bắc gây sóng lớn, đặc biệt yếu tố NDDS trong bão đến biến động các bãi cao, đụn cát ven bờ làm đường bờ ngày càng lấn sâu vào phía trong đất liền Mặt khác một số giải pháp công trình bảo vệ bờ đề xuất áp dụng cho khu vực biển Cửa Đại, Hội An còn chưa có căn cứ khoa học đầy đủ và thuyết phục

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, việc lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển và giải pháp bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An” sẽ đóng góp một phần vào giải quyết các yêu cầu thực tiễn trong công tác phòng

chống thiên tai, xây dựng công trình bảo vệ bờ và bãi biển cho Cửa Đại, Hội An cũng như trong quản lý, quy hoạch nhằm ổn định bờ bãi biển để phục vụ phát triển kinh tế -

xã hội trong tương lai

2 Mục tiêu nghiên cứu

(1) Tính toán được nước dâng do sóng từ bộ số liệu thực đo tại hiện trường bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu và trên mô hình toán để làm rõ một số quy luật biến động bãi biển và ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển khu vực nghiên cứu

(2) Đề xuất được giải pháp công trình bảo vệ hiệu quả nhằm ổn định vùng bờ biển, phục

vụ phát triển kinh tế du lịch biển bền vững trong khu vực nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Nước dâng do sóng, biến động bãi biển do tác động của nước dâng do sóng

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Bãi biển phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An dài 7,6 km từ giáp cửa sông Cửa Đại lên đến hết bãi tắm An Bàng

Hình 2 Phạm vi khu vực nghiên cứu [3]

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1 Cách tiếp cận

Trong nghiên cứu khoa học về biển nói chung và nghiên cứu động lực học sóng vùng ven bờ nói riêng, các số liệu đo đạc luôn giữ một vai trò quan trọng trong việc kiểm nghiệm và phát triển các phương pháp tính toán cũng như mô hình số trị Chính vì vậy,

trong nghiên cứu của luận án tác giả đã lựa chọn cách tiếp cận từ quan trắc, thu thập số liệu thực tế trong bão tại khu vực nghiên cứu và ứng dụng các mô hình số trị để phục vụ vấn đề nghiên cứu của luận án đặt ra Bên cạnh đó, trong luận án tác giả cũng sử dụng cách tiếp cận kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu đã có từ trước để có định hướng giải quyết vấn đề cần nghiên cứu chặt chẽ và khoa học hơn

4.2 Phương pháp nghiên cứu

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 biến động MCN bãi biển, quan trắc mực nước, quan trắc dao động mực nước bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu….); Phương pháp sử dụng mô hình số trị; Phương pháp nghiên cứu ứng dụng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ có những ý nghĩa khoa học như sau:

Luận án đã nghiên cứu thiết lập thành công kỹ thuật quan trắc về dao động mực nước biển trong điều kiện sóng lớn bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu và phương pháp phân tích NDDS từ số liệu quan trắc Thành công của nghiên cứu trong luận án cho phép lập quy trình ứng dụng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu để nghiên cứu xác định NDDS vùng ven bờ và làm cơ sở tin cậy để hiệu chỉnh, kiểm định các mô hình toán mô phỏng NDDS vùng ven bờ tại Việt Nam

Kết quả nghiên cứu của luận án cũng đã làm rõ một số quy luật biến động bãi biển khu vực nghiên cứu Đây là cơ sở khoa học quan trọng cho việc đề xuất các giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An

- Thành công trong nghiên cứu của luận án sẽ cung cấp cơ sở khoa học đề xuất giải pháp công trình hợp lý nhằm phòng chống xói lở bờ bãi biển khu vực Cửa Đại, Hội An Điều này có ý nghĩa quan trọng góp phần ổn định, tôn tạo bãi biển để phục vụ phát triển kinh

tế du lịch biển một cách bền vững cho khu vực Cửa Đại, Hội An

6 Cấu trúc của luận án

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

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về nước dâng do sóng và công trình bảo vệ bờ biển Chương 2: Cơ sở khoa học xác định nước dâng do sóng và biến động bãi biển

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển Cửa

Đại, Hội An

Chương 4: Đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC DÂNG DO SÓNG

VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN

1.1 Khái quát chung về nước dâng do sóng và ảnh hưởng của nước dâng do sóng

1.1.1 Các thuật ngữ liên quan đến nước dâng do sóng

Nước dâng nói chung có thể xem như sự biến đổi mực nước có chu kỳ dài dưới tác động của gió, khí áp lên một khu vực cụ thể Nước dâng được hình thành bởi các thành phần như gió, áp suất khí quyển và sóng trong bão

Nước dâng do bão là hiện tượng mực nước biển dâng cao hơn mức bình thường dưới tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khí tượng khi có bão NDDB thường xảy ra trên một đoạn bờ biển khoảng 100 dặm hoặc hơn Mặc dù tần suất xuất hiện không nhiều nhưng

nó lại rất nguy hiểm do mực nước thường dâng cao và bất ngờ, gây hậu quả nghiêm trọng cho khu vực ven biển

Nước dâng do sóng là sự tăng lên của mực nước trung bình do sự truyền của năng lượng sóng lên cột nước trong quá trình truyền sóng và đặc biệt là quá trình sóng đổ Các nghiên cứu về lý thuyết cũng như mô hình số trị cho thấy, nước dâng do sóng có độ lớn đáng kể tại vùng nước nông ven bờ do độ sâu giảm Theo các đánh giá khác nhau, khoảng thời gian tối thiểu để hình thành nước dâng do sóng là 1 giờ Trong các cơn bão, thời gian kéo dài nước dâng do sóng trùng với thời gian của sóng bão và tồn tại trong nhiều giờ Các nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh sự đóng góp đáng kể của nó vào mực nước cực trị trong bão tại các điểm ven bờ [11] Trong những đợt gió mùa mạnh, nước dâng do sóng có thể kéo dài đến hàng ngày [12]

Hình 1.1 Sơ đồ mô tả các thuật ngữ về nước dâng do bão, nước dâng do sóng

Đối với bãi biển tự nhiên, những biến đổi của mực nước và đặc trưng sóng có thể dẫn đến những biến đổi của mặt cắt ngang cũng như hình dạng bãi biển Hệ quả quan trọng nhất là hiện tượng xói lở bờ Trong trường hợp sóng bão, sự biến đổi của mặt cắt ngang bão biển là đáng kế và đòi hỏi một khoảng thời gian dài mới có thể phục hồi được [13]

1.1.2 Phạm vi ảnh hưởng và tác động của nước dâng do sóng tới bãi biển

Phạm vi ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới bãi biển thường trong khu vực nước nông

ven bờ, khu vực chịu tác động mạnh nhất thuộc vùng sóng tràn (Swash zone), đây là một

khu vực có biến động mạnh và có chế độ thủy động lực rất phức tạp

Hình 1.2 Hình thái bãi biển [14]

Trên hình 1.2 chỉ ra các khái niệm cơ bản, thành phần cấu tạo của địa hình bờ biển Bờ phía trong là vùng phía trong của bãi biển hoặc bờ biển có ranh giới từ vị trí mực nước cao trung bình đến rãnh xói của đụn cát; Bờ phía ngoài là vùng có ranh giới từ vị trí mực nước trung bình cao nhất đến vị trí mực nước trung bình thấp nhất, vùng này bao gồm đới sóng vỡ và vùng sóng tràn; Đới sóng vỡ là vùng có ranh giới từ mực nước trung bình thấp nhất đến vị trị trí sóng vỡ hoàn toàn; Vùng sóng tràn là khu vực sóng tràn lên bãi sau khi vỡ hoàn toàn; Vùng sóng vỡ của bờ là vùng phía trong của đới sóng vỡ ngoài,

có giới hạn là vị trí mực nước thấp nhất; Đới sóng vỡ ngoài là vùng có ranh giới từ khi sóng đổ lần đầu đến vị trí ngoài của đới sóng vỡ ngoài Vùng sóng đổ là khu vực từ giới hạn ngoài của đới sóng đổ và điểm sóng bổ nhào

Trong các nghiên cứu của Butt & Russell (1999), Masselink & Puleo (2006), Bakhtyar

et al (2009) đã chứng minh rằng vùng sóng tràn là khu vực biến động nhất trong khu vực gần bờ và nó được đặc trưng bởi dòng chảy mạnh và không ổn định, mức biến động cao, vận chuyển bùn cát diễn ra mạnh mẽ gây thay đổi hình thái bãi biển trong một khoảng thời gian nhỏ [15], [16], [17]

Nghiên cứu của Short (1999) đã mô tả hai đặc điểm bổ sung làm cho hình thái động lực vùng sóng tràn độc đáo so với phần còn lại của bãi biển Thứ nhất là độ sâu nước trong sóng tràn có thể rất nhỏ, đặc biệt trong pha nước đi xuống, dẫn đến một tình huống dòng chảy phức tạp Thứ hai, một phần của đáy trong vùng sóng tràn là không bão hòa gây nên sự xâm nhập của nước ở phía dưới đáy, đây là một khía cạnh quan trọng liên quan đến vận chuyển bùn cát [18]

Đối với bãi biển cát, hình dạng của bãi biển thay đổi liên tục dưới tác động của sóng gió

và dòng chảy và đặc biệt là thay đổi đáng kể trong thời gian xảy ra bão Một cơn bão có thể làm xói lở mạnh chân và sườn ngoài của cồn cát và đưa phần lớn lượng cát bị xói lở

ở chân và sườn ngoài ra khu vực gần bờ tạo thành các bar, làm phẳng bãi biển và khiến

nó rộng hơn Mất cát từ một đụn cát dưới sự tác động của sóng, chủ yếu do quá trình tạo rãnh, sạt lở và sụt lún

Hình 1.3 Cơ chế phá hủy đụn cát ven bờ [19]

Sự tác động của NDDS vào các đụn cát có thể làm một phần của mặt ngoài đụn cát bị sụp đổ hoặc cũng có thể tạo ra một vết nứt sâu ở chân đụn cát dẫn đến sự sụp đổ của cả mảng đất cát phía trên đụn cát, bắt đầu bởi sự nứt do kéo ở bề mặt trên cùng của cồn cát,

sau đó là sự cố trượt dọc theo mặt phẳng hư hỏng bên trong hoặc bị lật do trọng lượng của phần nhô ra Lớp trầm tích bị sụt này sẽ trượt xuống dưới, nơi nó có thể bị xói mòn thêm lần nữa bởi các quá trình do sóng gây ra Sau đó, trầm tích được vận chuyển ra biển, nơi nó sẽ lắng xuống ở vùng nước sâu hơn phía ngoài tạo thành các bar chắn phía ngoài

Ngoài tác động gây xói lở bãi biển, hiệu ứng NDDS tại các bãi biển có độ dốc khác nhau

có thể gây ra hiện tượng dòng Rip, là nguyên nhân của các vụ đuối nước của người dân cũng như du khách tắm biển, nghỉ dưỡng

a) Nước dâng vươn phía trên

các đụn cát

b) Tác động bào mòn mặt bãi

và phá hủy chân đụn cát

c) Nước rút mang bùn cát khỏi vị trí ban đầu Hình 1.4 Hình ảnh minh họa tác động NDDS đến xói lở chân đụn cát tại bãi Tân Mỹ,

Cửa Đại trong đợt bão tháng 10/2016

1.2 Tổng quan các nghiên cứu về nước dâng do sóng trên thế giới

Trên thế giới, nước dâng do sóng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu từ những năm 1960 sau lý thuyết ban đầu được nghiên cứu của Longuet-Higgins (1962) và Longuet-Higgins và Stewart (1963, 1964) [20], [21], [22] Các nghiên cứu này lần đầu đưa ra khái niệm về ứng xuất bức xạ và mối quan hệ với NDDS tại các điểm ven bờ

Hình 1.5 Ứng suất bức xạ sóng [23]

Ứng suất bức xạ được đưa ra như sau:

E là mật độ năng lượng sóng, n là tỉ số giữa vận tốc nhóm sóng và vận tốc sóng;  là góc giữa hướng sóng và trục x

Nếu không xét đến tác động của ứng suất gió thì sự biến đổi của mực nước trong một chu kỳ sóng được đưa ra như sau:

∂(η̅)

∂x = −

1ρg(h + η̅)[

∂Syy

∂y +

∂Syx

∂x + τby] trong đó, là thành phần nước dâng do ứng suất sóng,  là mật độ nước biển, g là gia tốc trọng trường, h là độ sâu, bx, by là ứng suất đáy theo hướng x, y

Trong trường hợp đơn giản khi sóng truyền vuông góc với hướng bờ và bỏ qua ứng suất mặt và ứng suất đáy Khi đó sự biến đổi của mực nước trung bình theo phương vuông góc với bờ được đưa ra như sau:

∂(η̅)

∂y = −

1ρg(h + η̅)(

∂Sxx

∂x ) Theo Longuet-Higgins (1964), vị trí sóng đổ là điểm bắt đầu có sự biến đổi của mực nước trung bình do tác động của sóng và được xác định như sau [22]:

η̅ = −C − 1

2g(u̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅)2− 𝑤2

η=0Trong đó,u2 vàw2 lần lượt là giá trị tốc độ quỹ đạo sóng trung bình phương ngang và phương thẳng đứng theo thời gian

Phương trình 1.7 là một dạng của phương trình Bernoulli cho dòng chảy không ổn định

(1 1) (1 2) (1 3)

(1 4)

(1 5)

(1 6)

(1 7)

và với giả thiết là không có biến động mực nước trung bình gây ra bởi sóng tại vùng

nước sâu (C = 0) và khi đó nước dâng do sóng có giá trị âm (wave setdown) và được

đưa ra như sau:

ηb

̅̅̅ = − Hb

2kb8sin2kbhbtrong công thức (1.8): Hb vàkb là độ cao sóng và số sóng tại điểm sóng đổ Đối với điều kiện nước nông và giới hạn độ sâu sóng đổ (Hb =  (h + )), ta có:

ηb

̅̅̅ = − 𝜅Hb

16(1 +16𝜅2)Tại các điểm ven bờ và với điều kiện biên tại các điểm sóng đổ như trên, nước dâng do sóng được tính bởi:

η̅ = −κHb

16 +

3κ28(1 +3κ82)

(hb− h)

Có thể thấy rằng, giá trị của nước dâng do sóng phụ thuộc vào chỉ số sóng vỡ κ, giá trị này phụ thuộc vào độ dốc của địa hình đáy biển và các thông số sóng ngoài khơi Nghiên cứu của Holman R A (1985), King B A (1990), đã sử dụng các dữ liệu đo đạc

và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, khẳng định về cấu trúc của trường mực nước,

ở vùng sóng không đổ nhào quan sát thấy sự hạ thấp mực nước, còn ở vùng sóng vỗ bờ

sự dâng lên Hơn nữa giữa lý thuyết và thực nghiệm trùng hợp với nhau về định lượng [24], [25]

Lý thuyết Longuet-Higgins − Stewart tỏ ra phù hợp để giải thích sự hình thành của hiện tượng rút và dâng nước do sóng, cũng như giải thích cơ chế hình thành các mạch động

vỗ bờ ở đới ven bờ [21]

Bowen và nnk (1968), đã tiến hành một thí nghiệm để kiểm tra lý thuyết này, đã mô phỏng quá trình sóng tràn vào bờ và bị phá hủy ở đới sóng vỗ bờ, kết quả của thí nghiệm được thể hiện trên hình 1.6 Kết quả thí nghiệm cho thấy sự phù hợp rất tốt giữa tính toán lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm Ngoài ra có thể thấy rằng từ lý thuyết, bên ngoài

(1 8)

(1 9)

(1 10)

vùng sóng vỗ bờ đã quan sát thấy sự hạ thấp mực nước (nước rút do sóng), còn trong vùng sóng vỗ bờ đã quan sát thấy hiện tượng nước dâng [26]

Hình 1.6 Trắc diện mực nước sóng (a) và độ cao sóng (b) theo dữ liệu thực nghiệm

trong phòng thí nghiệm của [26]

Tiếp theo đã có nhiều nghiên cứu về NDDS theo hướng thực nghiệm hiện trường tại các bãi biển phẳng với độ dốc nhỏ đến những bãi biển phức tạp như cửa sông, vũng, vịnh trên thế giới Kết quả của các nghiên cứu đã đưa ra được một số công thức gần đúng về tính toán NDDS, điển hình như nghiên cứu của Hanslow D J (1992), Happer B.A (2001) Các công thức thực nghiệm đã được ứng dụng rộng rãi và đảm bảo độ tin cậy [27], [28]

Từ số liệu nghiên cứu thực nghiệm tại bãi biển Woolacombe, Anh trong điều kiện chiều cao sóng lớn hơn 2m trong nhiều ngày, King và cộng sự (1990) đã thiết lập công thức xác định chiều cao nước dâng từ độ cao sóng vỡ quân phương như sau:

0,11 < η̅/hb,rms < 0,15 Hanslow và Nielsen (1993) đã thiết lập được công thức ( 1.12) tính toán NDDS từ nghiên cứu thực nghiệm tại nhiều bãi biển trên thế giới trong điều kiện ngoài khơi có độ cao sóng lên trên 4,2 m và NDDS đo được lên tới 1,6 m

ηw

̅̅̅̅ = 0,04√H0L0

(1 11)

(1 12)

trong đó: wlà NDDS tại điểm sát bờ, H s0là độ cao sóng nước sâu, L0 là độ dài sóng nước sâu (m), được tính bằng công thức:

L0 =gTp

22πStockdon và cộng sự (2006) đã thực hiện nghiên cứu tại 10 khu vực bãi biển khác nhau trên thế giới với các điều kiện chiều cao sóng gần 4m, độ dốc bãi biển biến thiên (f) và thiết lập được công thức xác định NDDS đối với bãi biển tự nhiên (1.13) và đối với bãi biển có công trình phá sóng (1.14)

η̅ = 0,385βf√H0 L0η̅ = 0,043βf√H0 L0Trong các nghiên cứu về ảnh hưởng của NDDS tới sự biến thiên mực nước ở đới ven

bờ của các tác giả Tanaka và Shuto (1992), Hanslow và Nielsen (1992), Hanslow và nnk (1996), Tanaka và nnk (2009) đã cho thấy nước dâng do sóng có thể có ảnh hưởng đáng

kể tới sự biến thiên mực nước ở đới ven bờ và góp phần quan trọng vào sự hình thành ngập lụt vùng ven biển [27]

Một phương pháp khác để nghiên cứu về nước dâng do sóng là sử dụng kết hợp nhiều

mô hình Nghiên cứu của Funakoshi và nnk (2008) đã sử dụng kết hợp 2 mô hình mô

phỏng nước dâng do bão ADCIRC (ADvanced CIRCulation model) và mô hình sóng

SWAN để nghiên cứu hiện tượng nước dâng do sóng, kết quả của nghiên cứu này chỉ ra rằng NDDS có thể đóng góp từ 10–15% vào mực nước cực trị trong bão [29] Kết quả

sử dụng kết hợp mô hình nước dâng do bão và mô hình sóng trong nghiên cứu của Chen

et al (2008) về cơn bão Katrina năm 2005 tại Hoa Kỳ đã đánh giá được nước dâng do các hiệu ứng sóng ven bờ chiếm tới 80% mực nước cực trị trong khi các ảnh hưởng khác như thủy triều, sóng bề mặt và nước dâng do gió chỉ đóng góp 20% [30] Điều này chỉ

ra rằng, trong các điều kiện với địa hình khác nhau, các đóng góp của nước dâng do sóng vào mực nước cực trị trong bão cũng khác nhau

Hiện nay khi khoa học và công nghệ đã phát triển một số nhà khoa học đã sử dụng các thiết bị công nghệ hiện đại như ứng dụng các thiết bị Lidar, camera để nghiên cứu về

(1 13) (1 14) (1.12a)

NDDS, điển hình như nghiên cứu của nhóm Raimundo Ibaceta và Rafael Almar đã áp dụng thiết bị Lidar để quan trắc, đánh giá, mô tả sự biến đổi, tiêu tán và phản xạ sóng ở vùng ven bờ cũng như các diễn biến biển tại khu vực bãi biển Grand PoPo, Benin [31]

1.3 Tổng quan các nghiên cứu tại Việt Nam về nước dâng do bão, nước dâng do sóng và công trình bảo vệ bờ biển

1.3.1 Các nghiên cứu về nước dâng, nước dâng do sóng

Tại Việt Nam nghiên cứu về nước biển dâng trong bão đã được thực hiện từ năm 1970, tiêu biểu là các nghiên cứu của Lê Phước Trình (1970), Trần Kỳ (1970), Nguyễn Văn

Cư (1979), Đỗ Ngọc Quỳnh (1982), Lê Trọng Đào (1999), Nguyễn Vũ Thắng (1999), Bùi Xuân Thông (2000) [32], [33], [34], [35], [36], [37] Các nghiên cứu này nằm trong khuôn khổ các luận án tiến sĩ và một số đề tài nghiên cứu, do vậy các kết quả của chúng

đã đề cập tới nhiều khía cạnh khác nhau của hiện tượng này [38] Từ những năm 1980, Viện Cơ học chủ trì nghiên cứu nhiều đề tài cấp nhà nước về nước biển dâng do bão dọc ven biển Việt Nam [33], [39], [40], [41]

Trong khuôn khổ của đề tài “Hợp tác Việt - Trung về nghiên cứu dự báo sóng biển và nước dâng do bão bằng phương pháp số”, bằng phương pháp khảo sát, điều tra số liệu

về nước dâng tổng cộng trong bão cho các điểm ven bờ Việt Nam đã phân tích, xác định được sự khác biệt đáng kể về độ cao nước dâng tại một số điểm ven bờ so với độ cao nước dâng được tách ra từ trạm Hòn Dấu Đánh giá sự khác biệt này là do nước dâng do sóng gây ra [42]

Ứng dụng các thiết bị hiện đại phục vụ nghiên cứu tại hiện trường để phân tích dao động mực nước vùng ven bờ cũng đã được áp dụng vào Việt Nam trong những năm gần đây,

điển hình như đề tài KH&CN nghị định thư cấp nhà nước “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển Vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” do Nguyễn Trung Việt chủ trì (2013), đã ứng dụng thiết bị Vectrino II kết hợp hệ

thống cọc quan trắc để đo dao động của mực nước biển tại bãi biển Nha Trang trong tháng 5/2013 và tháng 12/2013 [43]

Trong nghiên cứu luận án tiến sĩ của Lê Thanh Bình "Nghiên cứu diễn biến đường bờ biển và giải pháp công trình để bảo vệ bãi biển thành phố Nha Trang" đã ứng dụng

công nghệ video - camera để xác định các đặc trưng sóng dựa trên số liệu ảnh chuỗi thời gian trích xuất tại một mặt cắt định trước, chu kỳ sóng nội suy được dựa trên sự biến thiên của cường độ sáng trên một đường thẳng trích từ ảnh chuỗi thời gian, vận tốc đầu sóng được suy ra từ độ dốc của các đường quỹ tích đầu sóng và chiều cao sóng được phân tích dựa trên cường độ sáng thay đổi trước và sau khi sóng đổ [44]

Sử dụng các mô hình toán để nghiên cứu về NDDS tại các dải ven biển từ Bắc vào Nam cũng được các nghiên cứu áp dụng, các kết quả nghiên cứu đã cho thấy bức tranh tổng thể về hiện tượng NDDS và ảnh hưởng của nó đến các khu vực nghiên cứu

Trong nghiên cứu luận án tiến sĩ của Nguyễn Xuân Hiển (2013), đã sử dụng bộ mô hình

số trị và công thức thực nghiệm để nghiên cứu, tính toán nước dâng tổng cộng trong bão

có xét đến ảnh hưởng của NDDS tại khu vực ven biển thành phố Hải Phòng, kết quả nghiên cứu cho thấy NDDS có thể chiếm từ 20% đến 30% mực nước dâng tổng cộng trong bão [45]

Trong nghiên cứu của Đỗ Đình Chiến (2014), đã sử dụng mô hình SuWAT để phân tích tương tác giữa sóng biển và nước dâng do bão dựa trên kết quả tính toán sóng và nước dâng trong bão Xangsena tháng 9/2006 đổ bộ vào Đà Nẵng Kết quả của nghiên cứu cho thấy khi xét đến ảnh hưởng của sóng trong một số trường hợp, NDDS có thể chiếm 35% nước dâng tổng cộng trong bão [46]

Nghiên cứu của Nguyễn Bá Thủy (2017), đã sử dụng số liệu quan trắc và kết quả mô phỏng của mô hình số trị tích hợp SuWAT sử dụng trường gió và khí áp từ mô hình WRF và mô hình bão giải tích để phân tích làm rõ cơ chế gây nước dâng sau khi bão đổ

bộ tại ven biển Bắc Bộ [47]

Nghiên cứu của Vũ Hải Đăng và nnk (2017), đã sử dụng mô hình số trị tích hợp thủy

triều, sóng biển và nước dâng do bão (SuWAT - Surge, Wave and Tide) để nghiên cứu

đánh giá định lượng các thành phần nước dâng gây ra bởi gió, áp suất khí quyển và sóng trong bão được áp dụng cho cơn bão Xangsane đổ bộ vào Đà Nẵng tháng 9/2006 Kết quả nghiên cứu cho thấy, ảnh hưởng của thủy triều là không đáng kể do biên độ triều nhỏ, nước dâng do ứng suất gió và sóng chủ yếu đạt giá trị lớn ở vùng ven bờ phía bên

phải bão đổ bộ, trong khi đó nước dâng do khí áp có độ lớn tập trung quanh đường đi của bão và giảm dần khi vào vùng ven bờ [48]

Nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Thế và nnk (2019), đã kết hợp hai mô hình SWAN và SWASH để nghiên cứu đánh giá độ lớn NDDS trong bão dọc theo các điểm tại ven biển Cửa Đại, Hội An [49]

Tóm lại: Các nghiên cứu về NDDS trong bão trên thế giới cũng như ở trong nước, về

cơ bản đã giải quyết được một số các vấn đề khoa học, phát triển nhiều mô hình tính toán áp dụng trong thực tiễn, giúp hiểu rõ về đặc điểm và biến động của mực nước trong bão ở dải ven biển Tuy nhiên, trong nghiên cứu về NDDS trong bão theo hướng thực nghiệm tại hiện trường tại Việt Nam còn hạn chế, kết quả nghiên cứu về NDDS bằng

mô hình số trị đều được kiểm định bằng kết quả phân tách thành phần NDDS từ công tác điều tra vết nước để lại trong vùng bờ sau các đợt bão nên phần nào cũng giảm độ tin cậy khi sử dụng trong thực tiễn

1.3.2 Các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển đã áp dụng tại Việt Nam

Kinh nghiệm phòng chống xói lở bờ biển của các nước trên thế giới và nước ta đã chỉ

ra rằng vấn đề phòng chống xói lở bờ biển là rất khó khăn, phức tạp đòi hỏi phải được tiến hành đồng bộ và toàn diện các giải pháp công trình và phi công trình phù hợp với từng đoạn bờ cụ thể Ở nước ta để giảm thiểu các tác động của sóng và các yếu tố động lực biển tới bờ và bãi biển, giải pháp công trình được lựa chọn và áp dụng rộng rãi tại nhiều địa phương, các giải pháp công trình chủ yếu, gồm:

- Công trình bảo vệ trực tiếp bờ: thường áp dụng dạng tường chắn sóng, kè chắn sóng

với mục đích làm giảm áp lực sóng hoặc phản xạ một phần năng lượng sóng lên khu bờ Tuy nhiên, tường hoặc kè chắn sóng chỉ bảo vệ bờ và phần đất phía sau công trình còn phần bờ và bãi biển kế cận thì vẫn tiếp tục bị xói lở, nhiều khi đe doạ sự ổn định ngay bản thân công trình

- Công trình đ ê chắn sóng xa bờ : được xây dựng trong hoặc ngoài khu sóng vỡ Đê chắn sóng có vai trò quan trọng trong việc giảm độ lớn của sóng khi lan truyền vào khu vực được bảo vệ, kích thích bồi lắng và bờ biển được mở rộng ra phía ngoài khơi Thông số quan trọng đặc trưng đê phá sóng là chiều dài của đê chắn sóng (LB) và khoảng cách của

đê phá sóng đến bờ biển (X) Giải pháp công trình này đã được áp dụng xây dựng ở bờ biển Tây, khu vực Cà Mau, Bạc Liêu và đang thử nghiệm một đoạn dài 230m tại biển Cửa Đại, Hội An

- Công trình kè mỏ hàn: được áp dụng xây dựng vuông góc hoặc xiên góc với đường bờ

biển Kè mỏ hàn có tác dụng hạn chế sự mất mát bồi tích do dòng dọc bờ, giảm thiểu cường độ xói lở bờ, sự di chuyển bồi tích dọc bờ và thay đổi hướng của dòng chảy Công trình này có thể gây ra hiệu ứng bồi/xói cục bộ nếu khoảng cách giữa chúng không hợp

lý Giải pháp công trình này đã ứng dụng xây dựng tại Cát Hải (1994-2003); Ở Nam Thịnh, Tiền Hải, Thái Bình; ở Nghĩa Phúc, Nghĩa Hưng, Nam Định (2003); Ở Lạch Vạn, Diễn Châu Nghệ An (2002) ; ở Hội Thống, Nghi Xuân, Hà Tĩnh (1999); Ở Cẩm Nhượng, Cẩm Xuyên, Hà Tĩnh (2007-2008); Ở Quảng Phúc, Quảng Trạch, Quảng Bình;

ở Bầu Tró, Quảng Bình; Ở Eo Bầu, Thuận An, Thừa Thiên- Huế; tại Phú Thuận, Thừa Thiên-Huế (2007); Ở Tam Hải, Quảng Nam; Ở Cần Giờ, thành phố Hồ Chí Minh (1995)

- Nuôi bãi nhân tạo: nuôi bãi có thể được coi như là một cách rất tự nhiên chống xói

mòn bờ biển vì nó thay thế bùn cát bị thiếu hụt qua một giới hạn nào đó với một khối lượng cát phù hợp Tuy nhiên, nguyên nhân của sự xói mòn vẫn chưa bị loại bỏ, xói mòn sẽ tiếp tục trong khu vực nuôi dưỡng Điều này có nghĩa rằng nuôi bãi như là một phương pháp độc lập thông thường đòi hỏi một nỗ lực duy trì lâu dài

Các giải pháp công trình được ứng dụng xây dựng dọc theo ven biển Việt Nam nói chung bước đầu đã mang lại một số hiệu quả nhất định Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, tại một số nơi các công trình đã bộc lộ nhiều nhược điểm, không phát huy tác dụng chỉnh trị và bảo vệ bờ biển như mong muốn mà đôi chỗ còn tác động bất lợi với môi trường xung quanh, nhiều công trình khi hoạt động đã bị hư hỏng, đổ vỡ Nguyên nhân dẫn đến hư hỏng, không phát huy hiệu quả của công trình có thể kể đến: công trình xây dựng không đúng với bản chất chế độ động lực nơi xây dựng (hệ thống mỏ hàn biển tại Thừa Thiên Huế và Cát Hải), công trình thiết kế sai mục đích, thi công công trình không đúng thiết kế, sử dụng vật liệu không đảm bảo chất lượng …

Do độ phức tạp và tính địa phương tại từng khu vực khác nhau nên với mỗi khu vực cần

có các nghiên cứu chuyên sâu về chế độ thủy thạch động lực ven bờ và cơ chế bồi, xói…

để đưa ra các giải pháp công trình sao cho khi xây dựng công trình sẽ phát huy hết hiệu quả, đúng mục đích thiết kế Vấn đề 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 bãi biển đang xói lở nghiêm trọng tại khu vực miền Trung cũng như ở Việt Nam

Đê biển Hải Hậu

Kè biển huyện đảo Phú Quý,

Bình Thuận Kè mềm bãi biển Đồi Dương, Bình Thuận

Công trình gia cố mái đê

Nam Bộ Hình 1.7 Một số hình ảnh tiêu biểu về công trình bảo vệ bờ biển ở Việt Nam [3] Ngoài các giải pháp công trình chủ yếu được áp dụng như trình bày ở trên, giải pháp phi công trình cũng được nhiều địa phương trong nước áp dụng, như: giải pháp trồng rừng ngập mặn để chống sóng, giữ cát ở phía ngoài bãi biển, giải pháp tuyên truyền, giáo dục, nâng cao nhận thức cho người dân về các tai biến thiên nhiên và các nguyên nhân cơ bản, trong đó có tác nhân con người gây xói lở bờ biển để họ có ý thức thực hiện nghiêm chỉnh các luật quy định về bảo vệ môi trường, bảo vệ và phát triển rừng, luật tài nguyên nước Bên cạnh đó, vấn đề sống chung với bão, lũ, xói lở ở hầu hết các tỉnh ven biển là vấn đề cũng được quán triệt, trên cơ sở khoa học đúng đắn và có biện pháp giảm thiểu thích hợp

1.4 Các nghiên cứu liên quan đến biển Cửa Đại, Hội An

Từ trước đến nay, vấn đề nghiên cứu các quá trình thủy thạch động lực, vận chuyển bùn cát và biến động vùng cửa sông ven biển Cửa Đại, Hội An đã được tiến hành nghiên cứu trong khuôn khổ từ các đề tài KHCN đến các dự án và các nghiên cứu độc lập của các nhóm nghiên cứu

Nghiên cứu đặc điểm biến đổi đường bờ tại khu vực biển Cửa Đại, Hội An từ năm 1965 đến 2003 của Lê Đình Mầu (2003), đã phân tích phạm vi, mức độ và đặc điểm xói lở/bồi

tụ tại khu vực biển Cửa Đại, Hội An theo các thời kỳ khác nhau; Kết quả nghiên cứu cho thấy từ năm 1965 đến 2003 đường bờ biển Cửa Đại đã di chuyển về phía Đông - Nam với khoảng cách xấp xỉ 900 m, tốc độ khoảng 23 m/năm; Thời kỳ mùa mưa dải bờ phía Bắc và bờ phía Nam của biển Cửa Đại có tốc độ xói lở/bồi tụ lớn gấp 1,5  2 lần so với thời kỳ mùa khô Mũi Cửa Đại được bồi tụ mạnh trong thời kỳ mùa mưa nhưng bị xói lở trong thời kỳ mùa khô Nhìn chung, trong những năm gần đây bờ bắc bị xói lở nhẹ, bờ nam được bồi tụ, bờ sông bị xói lở, nguyên nhân gây ra sự biến đổi bất thường của đường

bờ tại khu vực Cửa Đại phần lớn là do sự tác động của sóng bão [8]

Nghiên cứu tính toán cán cân vận chuyển bùn cát dọc bờ tại khu vực biển Cửa Đại, Hội

An của Lê Đình Mầu và nnk, đã nghiên cứu sử dụng mô hình số trị WAM (Wamdi Group, 1988) để tính toán các đặc trưng sóng ngoài khơi, mô hình số trị Swan (Booij et al., 1999)

để tính toán các đặc trưng sóng vùng ven bờ, mô hình số trị Genesis để tính cán cân vận chuyển bùn cát dọc bờ do sóng đổ nhào gây ra trong thời gian từ 01/9/1998 đến 31/8/1999 với bước tính theo thời gian ∆T = 6 giờ [4]

Nghiên cứu chế độ sóng bờ biển Cửa Đại, Hội An và ảnh hưởng của nó đến xói lở của Huỳnh Công Hoài và nnk, kết quả phân tích dựa trên kết quả mô phỏng sóng bằng mô hình TOMAWAC cho toàn bộ Biển Đông và cho khu vực bờ biển Cửa Đại trong thời gian 8 năm (2009 - 2016) Kết quả mô phỏng được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm với số liệu sóng dự báo của NOAA và phân tích sóng cho thấy, khu vực biển Cửa Đại sóng có

2 mùa rõ rệt, mùa gió Đông Bắc sóng chủ đạo có hướng ĐĐB và ĐB, đây cũng là mùa

có chiều cao sóng lớn, chiều cao sóng cực đại lên đến 4,7 m và gây xói lở nghiêm trọng cho đường bờ phía Bắc Cửa Đại [5]

Nghiên cứu của Vũ Minh Cát (2013), đã mô phỏng diễn biến địa hình đáy vùng cửa sông

và đáy biển trước cửa sông Cửa Đại bằng mô hình MIKE21-FM Couple và mô phỏng địa hình đáy theo các kịch bản khác nhau, kết quả mô phỏng cho phép đánh giá định lượng sự thay đổi địa hình đáy sau những trận lũ điển hình [6]

Nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Thế và nnk (2017), đã nghiên cứu đánh giá hiệu quả các giải pháp kè mềm bảo vệ bờ biển khu vực biển phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An; Nghiên

cứu biến đổi hình thái bãi biển khu vực biển Cửa Đại, Hội An và nghiên cứu nước dâng

do sóng trong bão tại khu vực ven biển Cửa Đại, Hội An bằng mô hình SWASH [7], [50], [51]

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 thủy động lực, VCBC và diễn biến hình thái Nhìn chung, kết quả các nghiên cứu đã làm rõ các quá trình thủy thạch động lực, vận chuyển bùn cát và tình trạng xói lở/bồi tụ bãi biển phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An Tuy nhiên, vẫn còn thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của các yếu tố động lực vùng ven bờ tác động đến biến động bãi biển trong điều kiện thời tiết cực đoan có bão, gió mùa Đông Bắc gây sóng lớn, đặc biệt yếu tố NDDS ảnh hưởng tới biến động các bãi cao, đụn cát ven bờ làm đường bờ ngày càng lấn sâu vào phía trong đất liền Mặt khác một số giải pháp công trình bảo vệ bờ đề xuất áp dụng cho khu vực biển Cửa Đại, Hội

An còn chưa có căn cứ khoa học đầy đủ và thuyết phục

Trong khuôn khổ đề tài "Nghiên cứu về quá trình xói lở/bồi lắng của bờ biển Hội An và

đề xuất các giải pháp để bảo vệ bờ biển một cách bền vững” [2] 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 (ROM, TELEMAX, MIKE, …) để tìm hiểu cơ chế gây ra quá trình xói lở/bồi tụ ở bãi biển Hội An và tìm ra những nguyên nhân chính gây ra xói lở; tìm ra các giải pháp tổng hợp để bảo vệ bờ biển Hội An một cách bền vững Tuy nhiên, kết quả

dự án mới đưa ra các nguyên nhân chính gây ra quá trình xói lở/bồi tụ bãi biển Cửa Đại, Hội An, chưa đi sâu nghiên cứu diễn biến xói/bồi khu vực bãi cao, các đụn cát ven bờ biển trong bão Chính vì vậy, luận án sẽ đi sâu nghiên cứu diễn biến xói/bồi khu vực bãi cao, các đụn cát ven bờ biển trong bão do ảnh hưởng của yếu tố thủy động vực vùng ven

bờ, đặc biệt là ảnh hưởng của yếu tố NDDS Trong nghiên cứu, luận án sử dụng bộ số liệu được đo đạc đồng bộ và tin cậy của dự án để hiệu chỉnh, kiểm định mô hình toán nghiên cứu ảnh hưởng của NDDS tới biến động bãi biển Kết quả của nghiên cứu sẽ làm sáng tỏ hơn quy luật biến động bãi biển và đánh giá ảnh hưởng của yếu tố NDDS tới biến động bãi 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

1.5 Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án

Từ các vấn đề đã được tổng quan ở nội dung trên, trong phạm vi thời gian và điều kiện trong nghiên cứu của một luận án Tiến sĩ kỹ thuật, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu tổng hợp, kết hợp giữa thực nghiệm quan trắc thu thập số liệu đồng bộ tại hiện trường và mô hình toán để đi vào nghiên cứu các vấn đề sau:

(1) Đo đạc, quan trắc được bộ số liệu đồng bộ để phân tích, khái quát được quy luật biến động bãi biển dưới tác động của yếu tố động lực ven bờ khu vực biển Cửa Đại, Hội An (2) Tính toán được NDDS từ bộ số liệu thực đo tại hiện trường bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu và trên mô hình toán để làm rõ ảnh hưởng của NDDS đến biến động bãi biển khu vực nghiên cứu

(3) Đề xuất được giải pháp công trình bảo vệ hiệu quả nhằm ổn định vùng bờ biển, phục

vụ phát triển kinh tế du lịch biển bền vững trong khu vực nghiên cứu

Nghiên cứu về NDDS trên thế giới đã đạt được nhiều kết quả, đã giải quyết được một

số các vấn đề khoa học liên quan đến hiện tượng nước dâng do sóng Việc tính toán NDDS 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 NDDS 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 thực nghiệm hiện trường về NDDS cũng đã đạt được những kết quả đáng

kể, thông qua nghiên cứu thực nghiệm trên nhiều bãi biển với các điều kiện khác nhau

đã phát triển nhiều công thức xác định NDDS có ý nghĩa khoa học cũng như tính thực tiễn cao

(3) Tổng quan các nghiên cứu trong nước về nước dâng do sóng và giải pháp công trình bảo vệ

Ở Việt Nam trong thời gian qua cũng có nhiều đề tài, dự án nghiên cứu chủ yếu về nước dâng do bão trên quy mô lớn, nghiên cứu sâu về NDDS được thực hiện trong những năm gần đây thông qua các nghiên cứu luận án Tiến sĩ, tuy nhiên do điều kiện hạn chế

về số liệu đo đạc hiện trường trong điều kiện sóng lớn trong bão, gió mùa Đông Bắc nên kết quả nghiên cứu về NDDS vẫn chưa đạt đến mức chi tiết và độ tin cậy để có thể triển khai ứng dụng trong thực tế Bên cạnh đó, kết quả các nghiên cứu về NDDS chưa đề cập đến ảnh hưởng của nó đến biến động bãi biển, đặc biệt khu vực bãi cao và chân đụn cát ven bờ

(4) Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến biển Cửa Đại, Hội An

Trên cơ sở phân tích các nghiên cứu đã có về khu vực biển Cửa Đại, Hội An tác giả tiếp thu, thừa kế các kết quả đã có để làm sáng tỏ các vấn đề còn chưa được giải quyết đầy

đủ tại khu vực nghiên cứu

(5) Luận án đặt mục tiêu nghiên cứu như sau:

- Tính toán được NDDS từ bộ số liệu thực đo tại hiện trường trong bão bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu và từ mô hình toán để làm rõ quy luật biến động bãi biển và ảnh hưởng của NDDS đến biến động bãi biển khu vực nghiên cứu

- Đề xuất được giải pháp công trình bảo vệ hiệu quả nhằm ổn định vùng bờ biển, phục

vụ phát triển kinh tế du lịch biển bền vững trong khu vực nghiên cứu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NƯỚC DÂNG DO SÓNG

VÀ BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN

2.1 Lựa chọn phương pháp xác định nước dâng do sóng trong luận án

Hiện nay, khi nghiên cứu về NDDS và đánh giá ảnh hưởng của nó đến vùng ven bờ, các phương pháp cơ bản thường sử dụng trong nghiên cứu là: phương pháp nghiên cứu trên

mô hình vật lý; Phương pháp phân tích xác định NDDS từ số liệu đo đạc hiện trường; Phương pháp mô phỏng trên mô hình toán; Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Mỗi phương pháp có một thế mạnh riêng, được ứng dụng để giải quyết những vấn đề cần thiết và giữa các phương pháp cũng có sự liên hệ bổ trợ cho nhau nhằm đạt được mục đích nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu NDDS trên mô hình vật lý có thể mô phỏng được bản chất vật lý của hiện tượng Ưu điểm của phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý là vừa mang tính thực tế của hiện tượng lại vừa có thể mô phỏng và theo dõi diễn biến của hiện tượng theo các kịch bản Tuy nhiên, khi áp dụng phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý đòi hỏi chi phí khá lớn, công phu và mất rất nhiều thời gian và không phải hiện tượng nào cũng mô phỏng được

- Phương pháp phân tích xác định NDDS từ số liệu đo đạc hiện trường là một trong những phương pháp có độ tin cậy cao và được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu về NDDS trên thế giới Tuy nhiên, tùy theo mỗi loại công nghệ, thiết bị đo đạc khác nhau

sẽ có bộ số liệu và cơ sở khoa học phân tích NDDS khác nhau Kết quả của nghiên cứu theo phương pháp này đánh giá đúng thực chất hiện tượng hoặc là kiểm chứng kết quả nghiên cứu của các phương pháp khác hay đưa ra các kết luận, phục vụ cho nhiều mục đích trong các nghiên cứu

- Phương pháp mô phỏng NDDS trên mô hình toán cũng là phương pháp có độ tin cậy cao, hiện nay các nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng khá phổ biến Phương pháp

mô phỏng NDDS trên mô hình toán có thể mô phỏng các quá trình phức tạp tại khu vực rộng lớn ven biển và tương tác của chúng với những hệ thống khác và từ các kết quả mô phỏng sẽ có cơ sở để phân tích đánh giá, lựa chọn ra phương án tối ưu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết về NDDS hay còn gọi là phương pháp nghiên cứu tài liệu Phương pháp này cũng được áp dụng trong các nghiên cứu về NDDS, dựa trên

cơ sở các tài liệu được thu thập có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu và bằng các thao tác tư duy logic để rút ra tóm lại khoa học cần thiết về lĩnh vực nghiên cứu

Nhìn chung, mỗi phương pháp nghiên cứu đều có ưu điểm, nhược điểm riêng nên khi

áp dụng các phương pháp vào để giải quyết các vấn đề mà nghiên cứu đặt ra cũng cần xem xét lựa chọn để sao giải quyết được vấn đề cụ thể trong nghiên cứu và giữa các phương pháp nghiên cứu đó có sự liên kết, bổ trợ cho nhau để nhằm giải quyết tốt nhất mục tiêu nghiên cứu đã đưa ra

Trong nghiên cứu của luận án, để giải quyết vấn đề và mục tiêu nghiên cứu đưa ra ngoài phương pháp khảo sát và thống kê phân tích số liệu, luận án sử dụng kết hợp 02 phương pháp: phương pháp phân tích NDDS từ số liệu đo đạc hiện trường và phương pháp mô phỏng NDDS trên mô hình toán

Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu của luận án có sự có sự liên kết, bổ trợ cho nhau để đạt được mục tiêu nghiên cứu đưa ra, có thể mô tả tóm tắt sự liên kết, bổ trợ giữa các phương pháp lựa chọn trong nghiên cứu của luận án như sơ đồ hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ mô tả sự liên kết, bổ trợ giữa các phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu luận án ứng dụng mô hình SWAN để tính toán lan truyền sóng nước sâu vào khu vực ven bờ và đồng thời cung cấp các điều kiện biên cho mô hình XBEACH

để tính toán NDDS và biến động bãi biển, đồng thời luận án sử dụng mô hình XBEACH

để mô phỏng hiệu quả các phương án công trình đề xuất