BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU DOÃN TI ẾN HÀ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG BÃI DO TÁC ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH GIẢM SÓNG, TẠO BỒI CHO KHU VỰC HẢI HẬU - NAM ĐỊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC TRÁI ĐẤT Hà Nội - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU DOÃN TI ẾN HÀ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG BÃI DO TÁC ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH GIẢM SÓNG, TẠO BỒI CHO KHU VỰC HẢI HẬU - NAM ĐỊNH Chuyên ngành: Mã số: Hải dương học 62440227 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC TRÁI ĐẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Hồng Thái 2. PGS.TS. Trương Văn Bốn Hà Nội - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Các nguồn tài liệu tham khảo (nếu có) được trích dẫn và ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả luận án Doãn Tiến Hà ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS. Trần Hồng Thái, PGS.TS. Trương Văn Bốn đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tác giả trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Nguyễn Khắc Nghĩa, đồng thời cũng là chủ nhiệm đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp tổng thể để ổn định vùng bờ biển Nam Định từ cửa Ba Lạt đến cửa Đáy” đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả được phép sử dụng các kết quả nghiên cứu của đề tài cũng như những dữ liệu mà đề tài đã thu thập được để phục vụ quá trình nghiên cứu của luận án. Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban lãnh đạo, Phòng Khoa học Đào tạo và Hợp tác quốc tế, Bộ môn Hải dương học của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tác giả học tập và hoàn thành luận án này. Tác giả xin chân thành cảm ơn Trung tâm nghiên cứu động lực Cửa sông Ven biển và Hải đảo, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, nơi tác giả đang công tác đã tạo điều kiện về thời gian và công việc cho tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới bạn bè, đồng nghiệp và gia đình luôn sát cánh động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án Doãn Tiến Hà iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU............................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết ................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................ 5 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................... 6 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................. 6 5. Ý nghĩa khoa học ............................................................................ 6 6. Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................ 7 7. Những đóng góp mới của luận án ...................................................... 7 8. Cấu trúc của luận án ....................................................................... 7 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨ U TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC .................................................................................... 8 1.1. CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC ................................................ 8 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC...............................................16 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...............................................................22 CHƯƠNG 2 -LỰA CHỌN VÀ THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................................................25 2.1. LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................25 2.2. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VÀ THỐNG KÊ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU ......................................................................................................27 2.2.1. Phương pháp khảo sát thực địa, phân tích các tài liệu đo đạc .................27 2.2.2. Các số liệu thu thập, phân tích của luận án:...............................................28 2.2.3. Các nội dung phân tích thống kê số liệu thu thập, đo đạc của luận án ...30 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ ................30 2.3.1. Cơ sở lý thuyết về thí nghiệm mô hình sóng .............................................30 2.3.2. Mô phỏng tương tự các giá trị trên mô hình, chọn tỉ lệ mô hình.............36 2.3.3. Giới thiệu hệ thống máng sóng Flanders....................................................36 2.3.4. Các điều kiện biên về số liệu địa hình, thủy hải văn.................................38 2.3.5. Kiểm định mô hình thí nghiệm....................................................................39 2.3.6. Các phương án thí nghiệm ...........................................................................42 iv 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH TOÁN ...................42 2.4.1. Giới thiệu mô hình tính biến đổi đường bờ GENESIS .............................42 2.4.2. Giới thiệu mô hình MIKE 21FM.................................................................46 2.4.3. Thiết lập mô hình tính toán diễn biến đường bờ và các phương án tính 52 2.4.4. Thiết lập mô hình tính các chế độ thủy thạch động lực (Mike 21) và các phương án tính toán của luận án.............................................................................56 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...............................................................67 CHƯƠNG 3 - NGUYÊN NHÂN VÀ ĐẶC ĐIỂM DIỄN B IẾN B Ờ, BÃI VÀ MẶT CẮT NGANG B ÃI VÙNG V EN B IỂN HẢI HẬ U...................70 3.1. DIỄN BIẾN HÌNH THÁI CÁC VÙNG CỬA SÔNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỔN ĐỊNH BỜ BIỂN HẢI HẬU .............................................................70 3.1.1. Diễn biến vùng cửa sông Ba Lạt, Sò, Lạch Giang và ảnh hưởng của chúng đến ổn định bờ, bãi biển Hải Hậu ...............................................................70 3.1.2. Xu thế bồi tụ - xói lở khu vực Hải Hậu trong thời kỳ cận đại:................73 3.2. PHÂN TÍCH DIỄN BIẾN, XÁ C ĐỊNH DẠNG MẶT CẮT BÃI ĐẶC TRƯNG CHO KHU VỰC HẢI HẬU QUA SỐ LIỆU THỰC ĐO .................74 3.2.1. Phân tích một số quy luật biến động mặt cắt bãi biển thực tế theo từng thời kỳ ........................................................................................................................75 3.2.2. Mặt cắt ngang đặc trưng ven biển Hải Hậu - Nam Định ..........................78 3.3. XÁC ĐỊNH NGUYÊN NHÂN G Y MẤT ỔN ĐỊNH CHO BỜ BÃI BIỂN HẢI HẬU-NAM ĐỊNH .......................................................................88 3.3.1. Xác định một số nguyên nhân chung ..........................................................88 3.3.2. Biến động hình thái cửa Ba Lạt ảnh hưởng đến quá trình xói lở bờ biển của khu vực nghiên cứu...........................................................................................89 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ...............................................................90 CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TR ÊN MÔ HÌN H VẬT LÝ VÀ MÔ PHỎNG SỐ TRỊ VỀ CÁC THAM S Ố KỸ THUẬT CÔNG TRÌN H ĐÊ NGẦ M B ẢO VỆ B Ờ VÀ DIỄN B IẾN HÌNH T HÁI KHU VỰC HẢI HẬU ..................................................................................................92 4.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ..........................92 4.1.1. Thí nghiệm lựa chọn cao trình đỉnh đê ngầm ............................................93 4.1.2. Lựa chọn tham số bề rộng đỉnh đê ngầm....................................................96 4.1.3. Lựa chọn hệ số mái dốc cho đê ngầm.........................................................99 4.1.4. Nhận xét chung:.......................................................................................... 102 v 4.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TRÊN MÔ HÌNH TOÁN ....... 103 4.2.2. Tác động của công trình giảm sóng đến diễn biến hình thái đường bờ103 4.2.3. Lựa chọn các tham số công trình phù hợp dựa trên các kết quả đã nghiên cứu tính toán........................................................................................................... 108 4.2.4. Tính toán chế độ thủy thạch động lực với cụm công trình đề xuất chỉnh trị đối với khu vực nghiên cứu............................................................................. 112 4.3. ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG XÓI LỞ VÀ BẢO VỆ BÃI, ĐÊ BIỂN HẢI HẬU ......................................................................... 127 4.3.1. Đánh giá hiệu quả các biện pháp công trình giảm sóng, tạo bồi trên bãi biển đã thực hiện tại Hải Hậu .............................................................................. 127 4.3.2. Đề xuất giải pháp chỉnh trị cho khu vực nghiên cứu ............................. 130 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ............................................................. 132 KẾT L UẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 134 A. KẾT LUẬN ................................................................................ 134 B. KIẾN NGHỊ ................................................................................ 135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ............................. 136 TÀI LIỆU T HAM KHẢO ................................................................. 137 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các giá trị tỷ lệ mô hình - nguyên hình.........................................................36 Bảng 2.2. Tổ hợp các cấp mực nước thí nghiệm ...........................................................39 Bảng 2.3. Các tham số sóng đưa vào thí nghiệm của luận án......................................39 Bảng 2.4. Kết quả đánh giá sai số tính toán mô hình GENESIS .................................54 Bảng 2.5. Đánh giá các sai số theo chỉ số Nash.............................................................60 Bảng 2.6. Kết quả tính các đặc trưng sóng từ chuỗi số liệu 20 năm (1990 - 2010) ..64 Bảng 2.7. Các phương án đưa vào để tính toán .............................................................66 Bảng 3.1. Tọa độ vị trí các điểm đặt mốc mặt cắt ngoài thực địa ...............................75 Bảng 3.2. Hệ số đặc trưng ứng với từng dạng phương trình........................................80 Bảng 3.3. Phương trình đặc trưng các mặt cắt tại Hải Hậu theo từng thời kỳ ...........83 Bảng 3.4. Phương trình đặc trưng các MC theo từng khu vực khác nhau tại Hải Hậu ..............................................................................................................................................84 Bảng 3.5. Phương trình đặc trưng các mặt cắt theo mùa (giai đoạn 2005-2010) ......85 Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm quá trình suy giảm độ cao sóng qua đê ngầm với các cao trình đỉnh khác nhau...................................................................................................93 Bảng 4.2. Kết quả thí nghiệm quá trình truyền sóng qua đê ngầm với bề rộng đỉnh đê thay đổi khác nhau........................................................................................................96 Bảng 4.3. Kết quả thí nghiệm quá trình truyền sóng qua đê ngầm với các phương án thay đổi mái dốc (m) của đê ngầm khác nhau................................................................99 Bảng 4.4. Giá trị Kt trích xuất tương ứng với mực nước tính toán .......................... 102 Bảng 4.5. Các thông số kỹ thuật đề xuất của công trình đê ngầm phá sóng đối với khu vực Hải Hậu ............................................................................................................. 111 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Hệ thống các công trình chỉnh trị trên bãi đã được xây dựng tại dọc ven biển một số nơi ở nước ta (Nguồn: GoogleEarth)....................................................................3 Hình 2. Ảnh diễn biến quá trình xói lở vùng biển Hải Triều-Hải Hậu (Nguồn: [27]) 4 Hình 3. Ảnh xó i lở, vỡ đê - kè Hải Hậu sau bão Damrey-2005 (Nguồn: [45], [47])..5 Hình 1.1. Đường bờ tiến lên và lùi lại ở hiện trường (Nguồn: xem [23]) ..................14 Hình 1.2. Các điều kiện ngưỡng giữa xói và bồi phía trước kè ven biển (Nguồn: xem [23]) ............................................................................................................................14 Hình 1.3. Quan hệ g iữa ch iều sâu xó i tạ i đầu đê chắn sóng và ch iều cao sóng có ý nghĩa lớn nhất trong 15 ngày trước (Nguồn: xem [23])........................................14 Hình 1.4. Quan hệ giữa chiều sâu xói quanh đầu đê chắn sóng và chiều sâu nước (Nguồn: xem [23]) ............................................................................................................14 Hình 1.5. Quan hệ giữa chiều sâu xói và chiều sâu nước (Nguồn: xem [23]) ..........15 Hình 1.6. Sơ đồ xói do sóng đứng (Nguồn: xem [23]) ................................................15 Hình 2.1. Bản đồ địa mạo khu vực nghiên cứu (Nguồn: [33]) ..................................29 Hình 2.2. Sơ đồ trầm trích hiện đại khu vực nghiên cứu (Nguồn: [36]) ....................29 Hình 2.3. Khúc xạ sóng.....................................................................................................33 Hình 2.4. Hiện tượng nhiễu xạ sóng tại đê nhô đơn......................................................33 Hình 2.5. Sóng phản xạ trước tường đứng .....................................................................35 Hình 2.6. Tổng quan hệ thống máng sóng Flanders......................................................37 Hình 2.7. Đầu đo Golf-3B ................................................................................................37 Hình 2.8. Sơ đồ kết nối hệ thống của máng tạo sóng Flander .....................................37 Hình 2.9. Mặt cắt bãi ven biển Hải Hậu - Nam Định được mô phỏng .......................38 Hình 2.10. Mô phỏng vị trí đặt các đầu đo sóng trong mô hình thí nghiệm ..............40 Hình 2.11. Các biểu đồ kiểm định đầu đo ......................................................................41 Hình 2.12a. Phổ sóng đưa vào kiểm định ..................................................................41 Hình 2.12b. So sánh phổ sóng kiểm định và phổ sóng thực đo tại Hải Hậu ..............41 Hình 2.13. Mặt cắt theo phương ngang ..........................................................................43 Hình 2.14. Mặt cắt thẳng đứng ........................................................................................43 Hình 2.15. Sơ đồ tính toán của mô hình GENESIS ......................................................46 Hình 2.16. Sơ đồ mối liên hệ giữa các mô đun tính toán .............................................52 Hình 2.17. Sơ đồ bố trí và các lưới tính Genesis chi tiết cho khu vực Hải Hậu........53 Hình 2.18. Kết quả tính toán kiểm định biến động đường bờ khu vực Hải Hậu giai đoạn 1985 - 1995 ...............................................................................................................53 viii Hình 2.19. Bố trí hệ thống công trình hỗn hợp giữa 5 đê ngầm phá sóng kết hợp với 7 mỏ hàn chữ T tại khu vực Hải Hậu. .............................................................................56 Hình 2.20a. Địa hình và lưới tính miền lớn từ Bạch Long Vĩ đến Cồn Cỏ................57 Hình 2.20b. Địa hình và lưới t ính khu vực từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang ........57 Hình 2.21. Kết quả tính toán kiểm định độ cao sóng (lưới miền tính lớn).................57 Hình 2.22a. So sánh giữa mực nước thực đo và tính toán tại cửa Ba Lạt ..................58 Hình 2.22b. So sánh giữa mực nước thực đo và tính toán tại cửa Lạch Giang .........58 Hình 2.23. Kết quả tính toán kiểm định độ cao sóng (lưới miền tính nhỏ)................58 Hình 2.24. So sánh tốc độ dòng chảy ven tính toán và thực đo tại Hải Hậu..............59 Hình 2.25. So sánh hướng dòng chảy ven tính toán và thực đo tại Hải Hậu .............59 Hình 2.26a. Kết quả tính toán diễn biến khu vực bãi biển Hải Hậu trong gió mùa Đông Bắc ............................................................................................................................61 Hình 2.26b. Kết quả tính toán diễn biến khu vực bãi biển Hải Hậu trong gió mùa Tây Nam .............................................................................................................................61 Hình 2.27. Sơ đồ các mặt cắt trích xuất để kiểm định mô hình tính toán tại Hải Hậu ..............................................................................................................................................61 Hình 2.28a. Kết quả kiểm định với trường hợp tính cho gió mùa Đông Bắc ............62 Hình 2.28b. Kết quả kiểm định với trường hợp tính cho gió mùa Tây Nam .............62 Hình 2.29. Hoa gió tại CC ................................................................................................63 Hình 2.30. Hoa gió tại BLV .............................................................................................63 Hình 3.1. Vị trí đường bờ biển khu vực Hải Hậu vào cuối thế kỷ 15 (Nguồn: [26])70 Hình 3.2. Vị trí đường bờ biển khu vực Hải Hậu vào cuối thế kỷ 18 (Nguồn: [26])70 Hình 3.3. Sơ đồ đường bờ biển Hải Hậu hình thành ở các thời kỳ khác nhau (Nguồn: [26]) .....................................................................................................................71 Hình 3.4. Biến động cửa Lạch Giang qua chập ảnh viễn thám qua các thời kỳ ........73 Hình 3.5. Sơ đồ mặt cắt bãi đại diện khu vực Hải Hậu-Nam Định .............................75 Hình 3.6. Diễn biến mặt cắt HH02 thời kì 1985 ÷ 1990...............................................76 Hình 3.7. Diễn biến mặt cắt HH02 thời kì 1990 ÷ 1995...............................................76 Hình 3.8. Diễn biến mặt cắt HH02 thời kì 2005÷2010.................................................76 Hình 3.9a. Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác nhau năm 1986....................77 Hình 3.9b. Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác nhau năm 1994 ...................77 Hình 3.9c. Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác nhau năm 2010....................77 Hình 3.10a. Các Hàm đặc trưng ứng với mặt cắt HH01...............................................81 Hình 3.10b. Các Hàm đặc trưng ứng với mặt cắt HH02 ..............................................81 Hình 3.10c. Các Hàm đặc trưng ứng với mặt cắt HH03...............................................81 ix Hình 3.11. So sánh hệ số tương quan các hàm theo từng mặt cắt ...............................82 Hình 3.12. Mặt cắt HH02 đặc trưng qua các thời kì .....................................................83 Hình 3.13. Mặt cắt đặc trưng từng khu vực từ HH01 đến HH03 dọc ven biển Hải Hậu (giai đoạn 2005 - 2010) ............................................................................................84 Hình 3.14. Mặt cắt đặc trưng hai mùa tại HH02 (giai đoạn 2005-2010)....................85 Hình 3.15. So sánh mặt cắt thực đo và mặt cắt cân bằng tính theo Dean năm 1977 86 Hình 3.16. So sánh mặt cắt đặc trưng và kết quả tính toán theo Dean năm 1977 .....87 Hình 4.1. Mô tả các thông sốquá trình lan truyền sóng qua đê ngầm.........................92 Hình 4.2. Quan hệ giữa Kt và d/h tại các mực nước thí nghiệm..................................95 Hình 4.3. Mối quan hệ thực nghiệm giữa bề rộng đê ngầm và hệ số giảm sóng. .....98 Hình 4.4. Kết quả nghiên cứu do viện thủy lực Delft năm 2002.................................98 Hình 4.5. Kết quả nghiên cứu của Seabrook (1997) .....................................................98 Hình 4.6. Quan hệ giữa hệ số giảm sóng (Kt )và sự thay đổi mái dốc (m) khác nhau ........................................................................................................................................... 101 Hình 4.7. Quan hệ giữa hệ số giảm sóng (Kt ) và mực nước (m) .............................. 101 Hình 4.8. Diễn biến hình thái đường bờ với 3 trường hợp đê ngầm thay đổi chiều dài khác nhau (L=50, 100, 200m)................................................................................. 104 Hình 4.9. Phân tích xu thế bồi xói khi thay đổi L (chiều dài đê).............................. 105 Hình 4.10. Biến động đường bờ với các khoảng cách tới bờ khác nhau của đê ngầm ........................................................................................................................................... 107 Hình 4.11. Phân tích xu thế bồi xói khi thay đổi khoảng cách x giữa đê ngầm phá sóng và đường bờ ban đầu ............................................................................................. 107 Hình 4.12. Diễn biến đường bờ sau 5 năm kh i thay đổi khe hở giữa hai đề ngầm 108 Hình 4.13. Diễn biến bồi xói khi thay đổi độ rông khe giữa các đê ngầm.............. 108 Hình 4.14a. Phân bố trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Đông Bắc, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 450 )............................................. 112 Hình 4.14b. Phân bố trường dòng chảy sóng khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Đông Bắc, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 450 ) ......................... 113 Hình 4.14c. Kết quả tính diễn biến hình thái khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Đông Bắc, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 450 ) ......................... 113 Hình 4.15a. Phân bố trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Tây Nam, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 1350 ) ......................................... 114 Hình 4.15b. Phân bố trường dòng chảy sóng khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Tây Nam, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 1350 ) ........................ 114 Hình 4.15c. Kết quả tính diễn biến hình thái khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Tây Nam, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 1350 ) ........................ 115 Hình 4.16. Lượng vận chuyển trong các phương án tính toán (xét với 20 nă m).... 116 x Hình 4.17. Tổng lượng đến và đi trong 1 năm theo tính toán với địa hình tự nhiên, không có công trình với số liệu sóng đại diện cho 20 năm tại khu vực Hải Hậu ... 116 Hình 4.18. Kết quả tính toán dự báo biến động đường bờ khu vực Hải Hậu - Nam Định giai đoạn 2009 - 2020 ........................................................................................... 118 Hình 4.19a. Phân bố trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA4 - hướng sóng 450 ) ......................................................................... 120 Hình 4.19b. Phân bố trường dòng chảy sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA4 - hướng sóng 450 ).................................................... 120 Hình 4.19c. Kết quả tính diễn biến hình thái khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA4 - hướng sóng 450 ).................................................... 120 Hình 4.20a. Phân bố trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA11 - hướng sóng 900 ) ....................................................................... 121 Hình 4.20b. Phân bố trường dòng chảy sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA11 - hướng sóng 900 ).................................................. 121 Hình 4.20c. Kết quả tính diễn biến hình thái khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA11 - hướng sóng 900 ).................................................. 121 Hình 4.21a. Phân bố trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA21 - hướng sóng 1350 ) ..................................................................... 122 Hình 4.21b. Phân bố trường dòng chảy sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA21 - hướng sóng 1350 ) ............................................... 122 Hình 4.21c. Kết quả tính diễn biến hình thái khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA21 - hướng sóng 1350 ) ............................................... 122 Hình 4.22a. Phân bố trường sóng trong bão (Damrey 2005) khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình.................................................................... 123 Hình 4.22b. Phân bố trường dòng chảy sóng trong bão (Damrey 2005) khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình .................................................... 123 Hình 4.22c. Kết quả tính toán diễn biến hình thái trong bão (Damrey 2005) khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình............................................. 123 Hình 4.23. Tổng lượng đến và đi trong 1 năm theo tính toán với địa hình bãi có công trình với số liệu sóng đại diện cho 20 năm tại khu vực Hải Hậu .................... 124 Hình 4.24. Tính toán biến động đường bờ khu vực Hải Hậu khi bãi có công trình ........................................................................................................................................... 125 Hình 4.25. Hiệu quả gây bồi của BCB......................................................................... 128 Hình 4.26. Phương án bố trí hệ thống công trình bảo vệ bờ và tạo bãi khu vực Hải Hòa - Hải Triều ............................................................................................................... 132 xi DANH MỤC KÝ HI ỆU ĐGS BCB MCT MHB NCGS BTCT MHVL GIS ĐTCB KHKTTV MH MN RMSE R Kt Lo Hsi Hst Hs Ts Hmax Tmax Rc X m B ∆ L G Q qs qo η g MNTK PA Đê giảm sóng Bẫy cát biển Mỏ hàn chữ T Mỏ hàn biển Công trình ngăn cát giảm sóng Bê tông cốt thép Mô hình vật lý Công nghệ viễn thám Điều tra cơ bản Viện Khoa học Khí tượng thủy văn Mô hình Mực nước Sai số trung bình toàn phương Hệ số tương quan Hệ số suy giảm độ cao sóng qua công trình (hệ số truyền sóng) Độ dài sóng nước sâu Độ cao sóng tới trước công trình Độ cao sóng sau công trình Độ cao sóng có nghĩa Chu kỳ sóng có nghĩa Độ cao sóng lớn nhất Chu kì sóng lớn nhất Khoảng cách từ đỉnh công trình tới mặt nước Khoảng cách từ công trình tới đường bờ quy ước Độ dốc mái công trình Bề rộng đỉnh công trình Cao trình đỉnh công trình Độ dài công trình Khoảng hở giữa các công trình bảo vệ bờ Suất vận chuyển trầm tích tổng cộng Suất vận chuyển trầm tích nguồn từ bờ Suất vận chuyển trầm tích nguồn từ ngoài khơi Hằng số tỉ lệ tương tự Gia tốc trọng trường Mực nước thiết kế Phương án công trình chỉnh trị 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Hiện nay, hiện tượng xói lở bờ biển diễn ra ở nhiều nước trên thế giới trong đó có Việt Nam. Ở nước ta, loại xói lở do kết hợp tác động trực tiếp của sóng vào bờ và tác dụng xâm thực bãi biển chiếm một tỷ trọng đáng kể, gây hậu quả rất nghiêm trọng. Nhằm khắc phục vấn đề tồn tại trên cũng như tái tạo và ổn định bờ, bãi biển ở Việt Nam đã xây dựng các công trình giảm sóng, tạo bồi ven biển như: mỏ hàn biển, đê ngầm,… Để phát huy hiệu quả cũng như bảo đảm sự ổn định của chính bản thân các hệ thống công trình này, việc nghiên cứu, phân tích, tính toán ảnh hưởng và tương tác của công trình đối với các quá trình thủy thạch động lực ven bờ phải được xem xét kỹ lưỡng và tuân thủ theo những qui trình đặc biệt. Đối với vùng ven biển Việt Nam nói chung, hệ thống đê kè biển và các công trình trên bãi nhằm giảm thiểu tác động của sóng và các yếu tố động lực để bảo vệ bờ, bãi biển đã được xây dựng ở nhiều nơi dọc từ Bắc vào Nam, như: Đê biển đường 14, Cát Hải (Hải Phòng); Giao Thủy, Hải Hậu (Nam Định); Eo Bầu, cửa Thuận An (Thừa Thiên Huế); Cửa Tùng (Quảng Trị); Nha Trang; Vũng Tàu; Gò Công Đông (Tiền Giang);... Bước đầu những công trình này cũng 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 được tác dụng chỉnh trị và bảo vệ bờ biển như mong muốn mà đôi chỗ còn có những tác động bất lợi với môi trường xung quanh, thậm chí còn bị mất ổn định tại chính bản thân công trình dẫn đến đổ vỡ, hư hỏng. Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến hư hỏng, hạn chế của các công trình bảo vệ bờ biển ở nước ta, nhưng thường xuất phát từ các nguyên nhân chính sau: - Xây dựng công trình không đúng với bản chất chế độ động lực nơi xây dựng: Ở những nơi mà đường bờ biển có hướng vuông góc với phương truyền sóng chính, như Thừa Thiên - Huế, Cát Hải thì không thể sử dụng mỏ hàn biển (MHB), mà phải dùng đê giảm sóng (ĐGS) hoặc mỏ chữ T (MCT). Chiều dài phần lớn MHB quá ngắn (MHB ở cửa Nhật Lệ và Quảng Phúc - Quảng Bình chỉ dài 30m), chưa đạt tới khu vực sóng vỡ, nên khả năng ngăn chặn bùn cát để nâng cao mặt bãi là rất hạn chế. Các MHB, MCT thường có cao trình đỉnh quá thấp (Cát Hải, Hải Thịnh II, Hội 2 Thống,…) so với yêu cầu là mực nước triều trung bình, nên sóng biển trùm lên đỉnh, hạn chế hiệu quả giảm sóng, ngăn cát. - Thiết kế sai mục đích: Kết cấu MHB bằng ống buy trên đệm đá hộc có nhiều tồn tại, không phù hợp với yêu cầu ngăn cát (do thấp và có khe hở), giảm sóng (do thấp và trơn nhẵn) và ổn định (do dễ đổ, vỡ,...). Nếu sử dụng ở vùng quai đê lấn biển, sóng nhỏ, độ sâu bé, thì sẽ cho hiệu quả hơn. Kết cấu này không có hiệu quả ở những nơi biển lở, sóng cao, độ sâu lớn hoặc bờ dốc như ở Cát Hải, Hội Thống, Cẩm Nhượng,… Kích thước mặt bằng một số MCT vẫn chưa tuân thủ hoàn toàn theo chỉ dẫn của 14TCN130 - 2002. Phần thân chưa vươn ra dải sóng vỡ, phần cánh còn ngắn (Hải Thịnh 2, Nghĩa Phúc I), nên sóng vẫn xô vào tận bờ và gốc MCT, lượng cát bồi tụ ít. Kết cấu phần cánh MCT sử dụng kết cấu ống buy, hiệu quả giảm sóng rất hạn chế, đồng thời gây ra hiệu ứng sóng đứng, dẫn đến xói chân. - Nguyên nhân do thi công xây dựng cẩu thả: Phần lớn MHB đều có bệ đá rời bị sạt sệ, một phần là do lỗi thi công (Cát Hải, Hội Thống,…). Thi công MHB tiến hành theo phương pháp lấn từ bờ ra, phần mũi luôn bị xói sâu, làm cho khối lượng vật liệu, cấu kiện tăng lên, không tuân thủ theo khối lượng tính toán ban đầu. - Thời gian phục vụ của công trình quá dài: Các công trình xây dựng trước năm 2000 như một số MHB bằng đá đổ xây dựng ở Văn Lý - Hải Hậu nhưng không cho hiệu quả, hiện nay đã hỏng hoàn toàn. Hầu hết các MHB, MCT xây dựng từ trước đến nay đều không được duy tu kịp thời những hư hỏng là tình trạng phổ biến. Ngoài các nguyên nhân chính thường gặp như: mục đích sử dụng không đúng, lỗi do kỹ thuật thiết kế, thi công,… như đã nêu trên thì một trong những điều kiện tiên quyết nhằm đánh giá hiệu quả, những hạn chế và khả năng ổn định của công trình chỉnh trị đó là sự nghiên cứu, tính toán quá trình diễn biến các trường thủy thạch động lực, dự báo biến động bãi, bờ biển sau khi có hệ thống công trình chỉnh trị ven biển ở nước ta nhìn chung vẫn chưa được tiến hành nghiên cứu một cách kỹ lưỡng, đa số các công trình xây dựng vẫn dựa vào chỉ dẫn, kinh nghiệm của nước ngoài, đó là tình trạng chung. 3 a) Hệ thống mỏ hàn biển tại Cát Hải-Hải b) Hệ thống bẫy cát biển ở khu vực Kiên Chính-Hải Hậu-Nam Định Phòng c) Hệ thống 05 mỏ hàn chữ T tại Hải Thịnh-Hải Hậu-Nam Định d) Hệ thống mỏ hàn thẳng tại khu vực ven biển Cẩm Nhượng-Hà Tĩnh e) Khu vực bờ biển Hải Dương-TT. Huế f) Hệ thống mỏ hàn biển ở phía Nam bờ sau khi xây dựng đê giảm sóng (3/2014) biển khu vực Cần Giờ-TP. Hồ Chí Minh Hình 1. Hệ thống các công trình chỉnh trị trên bãi đã được xây dựng tại dọc ven biển một số nơi ở nước ta (Nguồn: GoogleEarth) Xuất phát từ những lý do đã nêu ở trên, việc lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu biến động bãi do tác động của công trình giảm sóng, tạo bồi cho khu vực Hải Hậu - Nam Định” sẽ đóng góp một phần vào giải quyết các yêu cầu thực tiễn trong công tác xây dựng công trình bảo vệ, chỉnh trị bờ biển cũng như trong quản lý, quy hoạch nhằm ổn định bờ biển phục vụ phát triển kinh tế - xã hội, bảo vệ tài nguyên, môi trường và an ninh quốc phòng ven biển ở Việt Nam. 4 Để có thể ứng dụng thực tế cũng như tập trung phân tích với các điều kiện thủy thạch động lực đặc trưng cho khu vực, luận án đã lựa chọn vùng bờ biển Hải Hậu - Nam Định làm trọng điểm nghiên cứu. Kết quả của luận án có ý nghĩa thiết thực đối với khu vực Hải Hậu nói riêng và các khu vực khác trên toàn vùng biển Việt Nam nói chung. Bờ biển Hải Hậu từ cửa sông Sò đến cửa sông Ninh Cơ có tuyến đê biển dài 33,32km. Đây là đoạn bờ xói lở dài nhất, nghiêm trọng nhất ven bờ biển châu thổ sông Hồng và Bắc Việt Nam. Toàn bờ biển Hải Hậu bị xó i lở trên chiều dài 17,2km, tốc độ xói lở trung bình 14,5m/năm, lớn nhất đạt 20,5m/năm. Do ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết cực đoan, từ năm 1962 đến năm 2000 tổng chiều dài đê biển bị phá hoại hoặc vỡ hoàn toàn là 11,9km. Hình 2. Ảnh diễn biến quá trình xói lở vùng biển Hải Triều-Hải Hậu (Nguồn: [27]) Quá trình xói lở, phá hoại đê kè biển tại đây diễn ra rất nghiêm trọng trong mùa mưa bão năm 2005 và đặc biệt là ảnh hưởng của cơn bão số 7 (bão Damrey tháng 9/2005). Thời gian bão kéo dài tới 14 giờ đã gây thiệt hại nghiêm trọng cho vùng ven biển Hải Hậu, gây xói lở 8,122km đê kè biển, gồm: Đoạn đê kè Hải Thịnh 5 III, Cồn Tàu - Hải Hoà, Táo Khoai - Hạ Trại (Hải Hoà), đoạn đê kè Kiên Chính, đê kè Hải Thịnh II, kè Xuân Hà và đoạn đê Phúc Hải (Hải Lộc). Trong đó nặng nhất là đoạn đê dài hơn 1,0km thuộc khu vực cuối Hải Triều sang Hải Hòa đã bị vỡ hoàn toàn, nước tràn vào phía trong vùng dân cư sinh sống gây ngập lụt trên diện rộng, đây là trận vỡ đê lớn nhất kể từ sau năm 1945 trở lại đây tại Nam Định. Hình 3. Ảnh xó i lở, vỡ đê - kè Hải Hậu sau bão Damrey-2005 (Nguồn: [45], [47]) Do đó, nhằm phòng tránh thiên tai, bảo vệ bãi, đê biển Hải Hậu rất cần xem xét, nghiên cứu về chế độ thủy thạch động lực ven bờ tại đây, trên cơ sở một số quy luật biến động bờ, bãi biển và đề xuất các giải pháp công trình nhằm giảm thiểu tác động của sóng gây ra quá trình xói lở và uy hiếp trực tiếp đến hệ thống đê biển khu vực này. 2. Mục tiêu nghiên cứu 1- Bước đầu xác định được một số quy luật biến động đường bờ, bãi biển dưới tác động của chế độ động lực ven bờ. Phân tích dựa trên s ố liệu thực đo về biến động bãi, bờ biển và biến động các cửa sông làm ảnh hưởng tới ổn định đường bờ khu vực Hải Hậu. 6 2- Tính toán trên mô hình toán và mô phỏng trên mô hình vật lý để làm rõ về quá trình tương tác sóng - công trình và tác động của công trình đến quá trình diễn biến hình thái ven bờ tại khu vực nghiên cứu. 3- Đề xuất được giải pháp chỉnh trị phù hợp phục vụ phòng chống thiên tai, nhằm ổn định vùng bờ biển nghiên cứu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Tác động của sóng biển và ảnh hưởng của công trình giảm sóng, tạo bồi đến sự biến động bãi, bờ biển khu vực Hải Hậu. Phạm vi nghiên cứu: Diễn biến của bãi, bờ biển trong điều kiện tự nhiên và khi có công trình chỉnh trị. Nghiên cứu chi tiết cụ thể đối với khu vực ven biển Hải Hậu, tỉnh Nam Định. 4. Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các mục tiêu đã đặt ra ở trên, luận án đã sử dụng những phương pháp nghiên cứu sau đây: - Phương pháp thống kê: phân tích các tài liệu thu thập, tài liệu thực đo, ảnh viễn thám về diễn biến đường bờ, bãi biển của khu vực nghiên cứu. - Phương pháp thí nghiệm trên mô hình vật lý: thí nghiệm quá trình tương tác sóng - công trình để lựa chọn các tham số: cao trình đỉnh đê, hệ số suy giảm sóng, bề rộng đỉnh đê, mái dốc. - Phương pháp mô hình toán: Mô phỏng tính toán các kịch bản về diễn biến đường bờ, bãi biển trước và sau khi có công trình. Ngoài ra dựa vào những phân tích, đánh giá và kết luận của các chuyên gia về lĩnh vực nghiên cứu (Phương pháp chuyên gia). 5. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ có những ý nghĩa khoa học: - Đóng góp vào cơ sở lý luận về các quá trình thủy thạch động lực ven bờ, bước đầu xác định được một số quy luật biến động hình thái bờ, bãi biển cho điều kiện cụ thể của vùng nghiên cứu. Xây dựng được cơ sở khoa học để lý giải nguyên nhân gây mất ổn định bờ biển tại khu vực nghiên cứu. - Kết quả đạt được khi đã đề xuất giải pháp chỉnh trị, định hướng quy hoạch công trình phòng chống thiên tai để ổn định vùng bờ biển Hải Hậu được ứng dụng 7 sẽ là mẫu cho việc xử lý khắc phục tai biến xói lở và ổn định bờ biển đối với khu vực bờ biển Bắc Bộ cũng như cả nước. 6. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng vào việc xây dựng, thiết kế các công trình giảm sóng, tạo bồi trên bãi trong thực tế nhằm nâng cao hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật. Phục vụ nhiều mục đích khác nhau như: chống xói lở bờ, giao thông thủy, cầu cảng, chỉnh trị bờ biển và khai hoang lấn biển. Đây cũng là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các cán bộ kỹ thuật làm công tác tư vấn, thiết kế công trình ven biển. Vấn đề nghiên cứu của luận án hoàn toàn mới, lần đầu tiên được nghiên cứu tại Việt Nam. 7. Những đóng góp mới của luận án 1- Bước đầu xác định một số quy luật diễn biến bãi, xây dựng được các quan hệ giữa biến động bãi dưới tác động của sóng, dòng chảy ven bờ với các dạng mặt cắt bãi điển hình đối với khu vực nghiên cứu. Chỉ ra những nguyên nhân gây diễn biến bờ, bãi biển tại khu vực nghiên cứu. 2- Dựa vào kết quả mô phỏng (mô hình vật lý và mô hình toán) tương tác giữa sóng và công trình xác định được ảnh hưởng của công trình đến diễn biến hình thái và lựa chọn phương án công trình chỉnh trị phù hợp cho vùng nghiên cứu. 8. Cấu trúc của luận án Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị và Tài liệu tham khảo, cấu trúc của luận án gồm có 4 chương: Chương 1 - Tổng quan những nghiên cứu trong và ngoài nước; Chương 2 - Lựa chọn và thiết lập phương pháp nghiên cứu; Chương 3 - Nguyên nhân và đặc điểm diễn biến bờ, bãi và mặt cắt ngang bãi vùng ven biển Hải Hậu; Chương 4 - Kết quả thí nghiệm trên mô hình vật lý và mô phỏng số trị về các tham số kỹ thuật công trình đê ngầm bảo vệ bờ và diễn biến hình thái khu vực Hải Hậu. 8 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨ U TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1. CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC Những nghiên cứu về diễn biến đường bờ, bãi biển do tác động của sóng đã được tiến hành cách đây hàng trăm năm, nhất là ở các nước có nền khoa học phát triển trên thế giới. Từ kết quả nghiên cứu cũng đã có rất nhiều các công trình chỉnh trị nhằm giảm sóng, tạo bồi trên bãi được xây dựng. Tuy nhiên, những nghiên cứu sâu và rộng về vấn đề này được phát triển mạnh mẽ từ khoảng những năm 70 - 80 của thế kỷ 20 với rất nhiều các công trình nghiên cứu đã được công bố dưới những hình thức khác nhau. - Một số nghiên cứu dưới dạng đưa ra các giả thiết, ví dụ Bakker (1968) đã trình bày khái quát mặt cắt bãi biển để hai đường đẳng sâu đại diện và giả thiết rằng, giá trị vận chuyển bùn cát vuông góc với bờ tỷ lệ thuận với độ lệch của độ dốc mặt cắt bãi từ một trạng thái cân bằng. Sau đó, Kriebel và Dean (1985) đưa ra giả thuyết rằng giá trị vận chuyển vuông góc với bờ phụ thuộc vào độ lệch của tỷ lệ tiêu tán từ chính giá trị cân bằng. Các phương pháp tiếp cận này đã được mở rộng nghiên cứu bởi Larson và Kraus (1989) và Kraus (1991) [61], [70], [80]. - Cũng có các nghiên cứu được tiến hành thông qua những số liệu đo đạc, sau đó dựa vào kinh nghiệm để phân tích, đánh giá. Điển hình cho các nghiên cứu này có thể kể đến các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản đã dựa trên cơ sở thu thập và phân tích các ví dụ biến dạng bãi biển trong quá khứ, cách bố trí và các đặc điểm của công trình sẽ được xây dựng và so sánh với các ví dụ có tính chất tương tự trong quá khứ. Dựa trên các nét tương tự, phán đoán triển vọng của biến dạng bờ biển do việc xây dựng các công trình gây ra, Tanaka (xem [23]) đã tiến hành nghiên cứu trên mô hình các thay đổi địa hình phức tạp xảy ra sau khi xây dựng các công trình. Ông phân loại các đặc điểm của những thay đổi địa hình điển hình thành một số ví dụ biến dạng bãi biển. Kết quả của việc nghiên cứu này là có thể hiểu được sự thay đổi địa hình trong vùng lân cận các bến cảng ở Nhật Bản trong một vài sơ đồ đại 9 diện. Bằng cách phán đoán sơ đồ nào có thể áp dụng cho bờ biển đang nghiên cứu, qua đó cũng có thể dự báo định tính biến dạng của bờ biển. - Nhiều những nghiên cứu đã được biên tập, xuất bản dưới dạng các sách chuyên ngành dùng để phục vụ công tác giảng dạy, tra cứu và tham khảo. Một số cuốn sách đề cập đến vấn đề điển hình như: Richard Soulsby [52] là nhà vật lý và hải dương học thuộc Viện nghiên cứu Thủy lực HR Wallingford (Anh), năm 1997 đã xuất bản cuốn sách “Động lực học cát biển”. Đây là cuốn sách đề cập khá đầy đủ, trình bày ngắn gọn về các tác nhân, cơ chế, các quan điểm và các phương pháp nghiên cứu vận chuyển trầm tích, bồi tụ và xói lở, đưa ra được bức tranh vật lý của vấn đề vốn rất phức tạp và lý thú này. Hay vào năm 1996, hai tác giả Krys tian W. Pilarczyk và Rys zard B. Zeidler [80] đã xuất bản cuốn sách “Đê chắn sóng ngoài khơi và tác động đến sự phát triển bờ biển”. Cuốn sách trình bày các phương pháp nhằm ổn định bờ biển và chống xói bãi, đặc biệt chú trọng đến quá trình diễn biến của bờ biển do tác động của đê chắn sóng ngoài khơi với nhiều giải pháp thiết kế khác nhau cùng với các khuyến nghị, hướng dẫn đi kèm rất hữu ích. Mới đây, năm 2002, hai tác giả B. Mutlu Sumer và Jorgen Fredsoe [62] cho ra đời cuốn sách “Các cơ chế xói trong môi trường biển”. Nội dung cuốn sách đề cập rất chi tiết về các cơ chế xói lở, đưa ra các dạng xói điển hình ở chân công trình và có sự phân loại các dạng công trình khác nhau đang được áp dụng trên thế giới. Các quá trình xói, diễn biến xói xung quanh công trình được lý giải bằng các hiện tượng vật lý, các quá trình động lực dựa trên các phương trình, công thức cụ thể,… - Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin đã có rất nhiều các sản phẩm công nghệ, phần mềm ra đời và được áp dụng phục vụ nghiên cứu. Trong hơn ba thập kỷ gần đây, một số nhà nghiên cứu thuỷ thạch động lực biển của thế giới đã đi sâu vào lĩnh vực này và đưa ra một loạt các mô hình dự báo như: GENESIS, UNIBEST, LIPACK, SAND 94, MIKE, NPM, WANTAN 3,... Một số nghiên cứu nổi bật với sự hỗ trợ, ứng dụng của mô hình toán có thể kể ra: + Bakker (1968, 1970), đã trình bày một mô hình mô phỏng những biến đổi bãi biển xung quanh một mỏ hàn hoặc một nhóm các công trình [65], [67]. Bakker đưa vào sự nhiễu xạ sóng và vận chuyển bùn cát ở ngoài khơi và ven bờ có liên 10 quan đến biến đổi đáy biển. Vùng bờ biển trong mô hình của Bakker đã trình bày là 2 đường bờ, cơ bản là chúng phải không được song song với nhau. Có 2 phần của mặt cắt bãi được chỉ ra bởi mô hình 2 đường bờ, và do đó mô hình Bakker được gọi là lý thuyết hai đường bờ. Cần phải nói thêm rằng, khả năng của lý thuyết hai đường bờ khi ứng dụng vào thực tiễn là phức tạp do sự cần thiết phải đáp ứng các điều kiện biên, đó là một trong những hạn chế của mô hình. Ngoài ra, lý thuyết của Bakker bỏ qua các yếu tố: Ảnh hưởng của dòng nước xiết chảy từ bờ ra trong chuyển động vuông góc với bờ tại các mỏ hàn; Ảnh hưởng của nhiễu xạ sóng về việc biến đổi bờ biển ít hơn tại cạnh các mỏ hàn; Ảnh hưởng của phản xạ sóng thay đổi trong vận chuyển bùn cát. Sau này, lý thuyết hai đường bờ của Bakker đã được làm rõ trong nhiều nghiên cứu, hầu hết là mong muốn hướng tới kiểm tra mô hình, điển hình là một vài kết quả đã được công bố bởi Hulsbergen năm 1976 [69]. + Năm 1983, Kraus đã đưa ra tóm tắt về các mô hình số và ứng dụng của chúng trong việc dự báo biến động bờ, bãi biển tại khu vực có các công trình chỉnh trị. Có 4 nhóm mô hình được tác giả đưa ra, gồm: Mô hình một đường bờ, mô hình nhiều đường bờ, mô hình ba chiều và mô hình tỷ lệ lớn [80]. + Madsen và Grant (1976) đã đưa ra một mô hình toán mô phỏng biến động đáy khi có công trình đê phá sóng song song với bờ. Hệ thống cân bằng của chúng là cân bằng động diễn ra liên tục đối với sự vận chuyển bùn cát và biến đổi đáy, đồng thời với giá trị thời gian trung bình của vận chuyển bùn cát dọc bờ theo cả hai hướng của trục tọa độ. Sóng nhiễu xạ với công trình thì được miêu tả bởi thuật toán của Penny Price. Sóng phản xạ thường được biểu thị dưới dạng các tham số với sự trợ giúp của các hệ số phản xạ. Cũng với nghiên cứu này, Perlin (1979) đã cung cấp một mô hình mô phỏng về biến đổi đáy tại khu vực ở phía sau công trình giảm sóng. Mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết một đường bờ, bao gồm cả sóng phản xạ và nhiễu xạ. Mô hình của Perlin được phát triển và thực hiện một cách cụ thể hơn bởi chính Perlin và Dean năm 1987. Các thông số đối với kích thước và vị trí thích hợp bố trí đê chắn sóng cũng được tác giả đưa ra [61], [69], [80]. 11 + Winter (1993) đã ứng dụng quy trình cơ bản của mô hình mặt cắt ngang bãi, thử nghiệm đối với những vị trí đặt công trình phá sóng và các nuôi bãi nhân tạo, tác giả đã thiết lập một số yêu cầu sau [69], [72]: (1) Với các đê phá sóng thông thường, công thức tính theo Daemen (1991) là chính xác, từ đó một vài tham số được đưa vào tính toán. Công thức từ Daemen (1991) sẽ đưa đến gần giá trị hằng số. Tuy nhiên, cần nghiên cứu sâu hơn nữa về ảnh hưởng của chiều rộng đỉnh đê ngầm phá sóng tới sự lan truyền sóng. (2) Mô hình UNIBEST-TC cho kết quả khá tốt đối với đê có đỉnh nhô lên hoặc bằng với mặt nước. Với đê ngầm (đỉnh thấp hơn mặt nước), tác giả khuyến cáo không nên sử dụng công thức của Hearn và mô hình UNIBEST-TC để tính vì kết quả không có độ tin cậy cao. + Hanson (1987) đã đưa ra mô hình biến đổi đường bờ GENESIS mô phỏng thay đổi đường bờ biển dài hạn, đưa ra được sự khác biệt theo không gian và thời gian vận chuyển bùn cát dọc bờ. Sóng tác động là nguyên nhân dẫn đến vận chuyển bùn cát dọc bờ, nó có thể thay đổi dọc theo bờ biển do sự biến đổi của độ sâu, sự nhiễu xạ sóng, các điều kiện biên, các đường bờ ban đầu, cát đáy và sự vận chuyển cưỡng bức. Ảnh hưởng của đê phá sóng xa bờ đến biến đổi bờ biển đã được mô phỏng bởi mô hình GENESIS bắt đầu với một đường bờ ban đầu thẳng (Do DeanRos ati năm 1992 đưa ra). Điều kiện đầu vào của mô hình gồm: Điều kiện sóng (Hs , Ts , ), và các thông số thiết kế đê phá sóng xa bờ (Chiều dài công trình LB, khoảng cách từ bờ ban đầu đến đê phá sóng YB, tính chất lan truyền sóng Kt , khoảng cách giữa hai đê phá sóng GB (nếu như là một hệ thống đê ngầm)). Đường kính hạt trung bình D50 là một hằng số đại diện của bãi biển. Có thể nói đây là một trong những mô hình có tính hiệu quả cao, rất được nhiều các nhà nghiên cứu áp dụng và cho đến ngày nay vẫn còn nguyên giá trị [10], [80]. - Có thể nói những đóng góp gần đây của các mô hình tính toán biến đổi đường bờ và bãi biển trong nghiên cứu khoa học là rất lớn, các phần mềm ngày càng được nâng cấp, hoàn thiện và đạt độ chính xác sát với thực tế hơn. - Song song với việc ứng dụng các mô hình toán trong nghiên cứu biến động đường bờ, bãi biển, một trong những phương pháp nghiên cứu không thể không 12 nhắc đến đó là nghiên cứu trên mô hình vật lý (MHVL). Lịch sử phát triển về MHVL đối với các hiện tượng thủy lực bắt đầu từ cuối thế kỷ XIX, sau khi Newton phát biểu lý luận tương tự và Froude làm thí nghiệm mô hình truyền. Năm 1898, Angghen đã lập ra phòng thí nghiệm thủy lực đầu tiên ở Đức và sau đó các nước khác cũng lần lượt xây dựng phòng thí nghiệm. Thế kỷ XX là thế kỷ phát triển các phòng thí nghiệm thủy lực lớn tại các quốc gia phát triển, như: Hệ thống bể sóng và máng sóng ở Anh (Walingford), Hà Lan (Delft), Pháp (SORGREAH), Cộng hòa liên bang Đức (Hanover), Trung Quốc,… Những nghiên cứu trên thế giới có sử dụng mô hình vật lý về vấn đề diễn biến đường bờ, bãi biển và tương tác sóng công trình có thể kể ra như sau: + J. W Kamphis, M. J. Paul và A. Brebner (1972) thuộc Viện Thủy lực Delft (Hà Lan) đã tiến hành hàng loạt thí nghiệm với chuyên đề “Tương tự các cân bằng các mặt cắt bãi biển”. Các tác giả đã so sánh kết quả thí nghiệm mô hình 2 chiều giữa mô hình biến thái và chính thái của các mặt cắt bãi khi s ử dụng bùn cát nhẹ để xây dựng, chế tạo mô hình. Cũng từ những nghiên cứu thí nghiệm về đặc trưng cân bằng bãi biển cát trên mô hình vật lý, các tác giả P. S Eagleson, B. Gu lene và J. A Dracup đã có một số kết luận: Nhân tố quyết định đến sự hình thành mặt cắt bãi là sự vỡ của sóng; Mặt cắt cân bằng của bãi biển bằng cát phụ thuộc vào độ dốc ban đầu của bãi [66], [79]. + Nghiên cứu trên mô hình vật lý sóng và biến động bờ, bãi biển cũng được phát triển khá mạnh ở Viện VNIG (Saint Peterbua-Nga) trên máng sóng và bể tạo sóng lớn. Năm 1983, Khomicki [80] tiến hành thử nghiệm một loạt sự biến động đường bờ, bãi biển tại khu vực đê phá sóng xa bờ và đưa ra công thức về sự phát triển của đường bờ y (dọc trục x theo thời gian t) tại một đê chắn sóng tách bờ: S3 x2 exp( ) y( x,t )  4at 2 at Với: (1.1) S3 : vùng giữa trục x và đường đẳng sâu tại thời điểm t a: Hệ số bồi tụ kinh nghiệm Công thức (1.1) thể hiện sự ảnh hưởng đáng kể của chiều dài công trình tương đối đến quá trình bồi đắp bờ biển và hình dạng của chúng. Đối với sóng tới thông 13 thường điều kiện tốt nhất của khoảng cách đê ngầm phá sóng từ bờ YB sẽ không được lớn hơn chiều dài công trình LB (LB>YB), trong khi đó với sóng xiên góc với đường bờ thì hướng tác động phải lớn hơn 150 ( > 150 ), chiều dài đê phá sóng LB= (1…3)YB. Nếu như vận chuyển bùn cát dọc bờ giảm hoặc bị gián đoạn, các hình thức bồi tụ ven biển trở nên mấp mô trải dọc theo trục x, tương ứng với t . + Năm 1992, Dean-Ros ati [64], [82] đã tiến hành khoảng 250 kịch bản với mô hình được thiết kế gồm 4 đê phá sóng xa bờ giống như một hàm của Hb , h, Kt , YB và chiều dài sóng tại công trình L0 . Kết quả nghiên cứu của Dean-Rosati (1992) cho phép đánh giá được ảnh hưởng của các hệ số lan truyền sóng (Kt ) khác nhau, khoảng cách từ bờ tới công trình (YB) và chiều dài công trình (L) tới quá trình diễn biến bờ, bãi biển. + Sayao năm 1991 (xem [23]) đã đưa ra các mối liên hệ giữa tỷ lệ tiêu chuẩn và mô hình bùn cát đối với biến đổi bờ biển, trong các nhóm bãi biển riêng biệt. Theo trình tự để đạt được một thiết kế bãi ổn định, điều cần đảm bảo đó là vật liệu làm nuôi bãi sẽ không bị mất đi trong lúc vận chuyển bùn cát xa bờ. Các bãi biển thiết kế ổn định này được chứng minh bởi các kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý mà Dean (1985) đã thực hiện. + Horikawa (xem [23]) đã tiến hành thí nghiệm để nghiên cứu các tiêu chuẩn đối với việc đường bờ tiến lên hay lùi lại như một kết quả của chuyển động cát trong vùng sóng xô bờ và kiến nghị phương trình (1.2) cũng có thể áp dụng cho điều kiện hiện trường: H0 d  Cs (tan)0.27( )0 .67 L0 L0 trong đó: (1.2) Ho : chiều cao sóng nước sâu (m); Lo : chiều dài sóng nước sâu (m); tan: độ dốc trung bình đáy biển từ bờ tới chiều sâu nước 20m; d: cỡ hạt bùn cát (m); Cs : hệ số Dựa trên phương trình (1.2), một đường bờ sẽ lùi lại khi Cs  18 (Hình 1.1). 14 0 .1 C =4 = 9 C C =1 8 K 0.6 H0 -0 .2 7 d 0.6 7 = s (L ) 0 L 0 C (tan ) T û lÖ 1/50 0.5 Lïi l¹i ( 1/30 1/10 §å thÞ d ùa trª n kÕ t qu ¶ thÝ nghiÖm H0 L0 0.4 ) 0.3 H L0 Lïi l¹i Atlantic City Coast New Jerse y Hidaka Coast, Japan Kashima Coas t, Japan Kochi Coa st, Ja pan Mi ssion Be ach, Califo rnia Nags He ad, Nort h Carolina Ocean side, Califor nia Surachk al Bea ch, India Tokaimura Beach, J apa n Wes t Coa st, Taiwan 0.01 ( ) ( ) TiÕn lªn ( TiÕn lªn ) Prototype Exp erim ent by Sa ville 0.1 10 10 10 -2 ( tan )-0.27 ( Ld0 ) -3 TÝch tô 0 10 ( 102 103 H0 l sin L0 d50 Hình 1.2. Các điều kiện ngưỡng giữa xói và bồi phía trước kè ven biển (Nguồn: xem [23]) ) 0.0 01 -1 Xãi mßn 0.2 0 .6 7 Hình 1.1. Đường bờ tiến lên và lùi lại ở hiện trường (Nguồn: xem [23]) + Một trong những nghiên cứu rất hay sử dụng mô hình vật lý đó là vấn đề xói xung quanh công trình. Ví dụ trong Hình 1.2 đã được các nhà khoa học ở Nhật Bản kiến nghị để xác định xói hoặc bồi trước kè ven biển bằng hệ số phản xạ (K) và thông số (Ho/Lo )(l/d 50 )sin, được xác định với độ dốc sóng (Ho /Lo ), đường kính hạt trung bình (d50 ), gradien mái dốc của lớp ốp mặt  (với đê chắn sóng thẳng đứng  = 90o ) và khoảng cách (l) từ điểm sóng leo tới trên một mặt cát cân bằng tới vị trí của lớp ốp mặt. Đồ thị chỉ ra rằng khi tất cả các điều kiện khác bằng nhau, nên làm mặt trước của lớp ốp mặt nghiêng để chống lại xói bãi biển phía trước lớp ốp mặt. §ª T©y §ª trong 2 3 3 4 4 5 5 6 6 2 §ª §«ng 4 §ª B¾c §ª trong C hiÒu s©u xãi d( m) ChiÒu s©u xãi (m) §é s©u ( ) - 2m 3 C¶ng Ni g i ata C¶ng Khima 5 Ghi chó §ª Nam §ª T©y C¶n g Kanizawa §ª trong §ª Nam míi C¶n g Akita §ª C¶n g Miku ni 3 h d 2 1 Quan hÖ víi (H1/3)max trong 15 ngµy tr­íc 1 0 1 2 3 (H1/3) 4 max 5 (m) 6 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ChiÒu s©u n­íc quanh ®Çu ®ª ch¾n sãng h(m) Hình 1.3. Quan hệ g iữa ch iều sâu xó i tại Hình 1.4. Quan hệ giữa chiều sâu xói đầu đê chắn sóng và chiều cao sóng có ý quanh đầu đê chắn sóng và chiều sâu nghĩa lớn nhất trong 15 ngày trước nước (Nguồn: xem [23]) (Nguồn: xem [23]) + Ví dụ trong Hình 1.3 cho các điều kiện xói cục bộ xung quanh một đầu đê chắn sóng do Tamaka phân tích. Chiều sâu xói lớn nhất đo được gần bằng chiều cao sóng có ý nghĩa lớn nhất (H1/3 )max trong thời gian 15 ngày trước thời gian đo đạc. 15 Ngoài ra, Hình 1.4 cho mối quan hệ giữa chiều sâu nước xung quanh một đầu đê chắn s óng và chiều sâu xói. Chiều sâu xói lớn nhất khi chiều sâu nước ở đầu đê chắn sóng bằng khoảng từ 3,0m÷5,0m (vùng sóng vỡ). Ở Hình 1.5 cho quan hệ giữa chiều sâu xói dọc theo đường mặt của một đê chắn sóng và chiều sâu nước, dựa theo dữ liệu đo đạc hiện trường tại một cảng lớn. Ta có thể thấy chiều sâu xói lớn nhất tại điểm uốn này và dần dần giảm đi khi nó chuyển ra khơi. 7 L/ 2 §ª ch¾n sãng 6 ChiÒu s©u xãi (m) 5 §iÓm nót 4 Bông sãng Xãi kiÓu N C¸c ®o¹n th¼ng ®øng cñ a ®ª ch¾n sãng phÝa B ¾c vµ phÝa Nam 3 §o¹n m¸i dèc cña ®ª c h¾n sãng ph Ýa Nam L¨ng thÓ ®¸ hd 0 2 L/ 4 1 Xãi ki Óu L 0 5 10 15 20 §é s©u (m) Hình 1.5. Quan hệ giữa chiều sâu xói và chiều sâu nước (Nguồn: xem [23]) hd 0 L/4 Hình 1.6. Sơ đồ xói do sóng đứng (Nguồn: xem [23]) + Irie và các cộng sự (xem [23]), [69] đã tiến hành các thí nghiệm về xói trong chế độ sóng đứng, kết quả nghiên cứu đã đưa ra những nhận định: thông số cơ bản là Ub/ w (tỷ số của vận tốc nằm ngang lớn nhất của các hạt nước ở đáy do các sóng tới Ub với vận tốc lắng của bùn cát w). Khi Ub/ w > 10, bùn cát sẽ chuyển động từ điểm nút và bồi sẽ xảy ra ở bụng sóng (xói kiểu L). Khi Ub/ w < 10, hiện tượng ngược lại (xói kiểu N) sẽ xảy ra (Hình 1.6). Bình thường, do chân lăng thể đá nằm cách mặt thẳng đứng một khoảng cách chừng 1/4 chiều dài sóng, xói và lún sụt của lăng thể đá hộc đê chắn sóng sẽ xảy ra ở chân đê, còn bùn cát sẽ chuyển động về vị trí của bụng sóng ở cách mặt thẳng đứng một nửa chiều dài sóng. - Một số tác giả đã đi vào nghiên cứu chuyên sâu, riêng biệt về vấn đề dạng mỏ hàn chữ T, những tác động của mỏ hàn đến diễn biến đường bờ, bãi biển cũng như đánh giá hiệu quả của chúng. Ví dụ như Matthaw (1934) khuyến nghị, với những bờ biển có nguồn bùn cát cung cấp yếu hoặc ít chịu tác động của bão nên sử dụng mỏ hàn chữ T. Tuy nhiên ông cũng thừa nhận hiểu biết về loại công trình này rất hạn chế. Hay Frech (1949) đã nghiên cứu mỏ hàn chữ T ở bờ biển Asbury Park, 16 NJ và nhận thấy loại công trình này không những gây bồi ở thượng lưu mỏ hàn mà còn gây bồi cả ở hạ lưu, khác hẳn mỏ hàn thẳng. Ishihara và Sawaragi (1968) cũng đã nghiên cứu mỏ hàn chữ T và cho thấy hiệu quả rất tốt, đường bờ giữa các mỏ hàn là độc lập hoàn toàn với sự thay đổi hướng vận chuyển bùn cát dọc bờ. Các tác giả cũng đã đề nghị áp dụng cho các đoạn bờ biển có hướng vận chuyển bùn cát dọc bờ biến đổi mạnh. Năm 1974, Sato và Tanata đã nghiên cứu và so sánh sự khác nhau giữa mỏ hàn phức hợp với đê chắn sóng tách bờ trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường (bãi biển Suma, bờ Tây của Kobe - Nhật Bản). Công trình được xây dựng để bảo vệ phần nuôi bãi nhân tạo. Kết quả cho thấy sự kết hợp mỏ hàn thẳng với đê chắn sóng tách bờ cho hiệu quả giữ cát tốt nhất. Mỏ hàn chữ T cũng cho thấy hiệu quả hơn sự kết hợp giữa mỏ hàn thẳng với đê chắn sóng ngầm. Berenguer và Enriquez (1988) đánh giá 34 bãi biển cong lõm cho thấy khả năng tạo tombolo của đê chắn sóng tách bờ tốt hơn mỏ hàn chữ T. Từ đó xây dựng các quan hệ giữa tỷ lệ (vùng nước và toàn bộ diện tích giữa các công trình) và tỷ lệ giữa khoảng cách từ mũi mỏ hàn đến bờ với khoảng hở giữa các công trình. Olsen và Bogde (1991) nghiên cứu hiệu quả của mỏ hàn chữ T mũi cong (mỏ hàn đuôi cá) và đánh giá cao hiệu quả gây bồi, giữ cát của loại công trình này. Các tác giả đã phát triển 1 phương pháp đánh giá ổn định của biển khi có mỏ hàn đuôi cá [64], [70], [71], (xem [83], [85]). Nhìn chung, việc nghiên cứu quá trình diễn biến bãi, bờ biển dưới tác động của các công trình chỉnh trị trên bãi nói chung và công trình giảm sóng gây bồi nói riêng đã được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm. Các kết quả nghiên cứu rất đa dạng từ lý thuyết, thực nghiệm, mô hình (số và vật lý) và cho các kết quả rất khả quan. Đây là một vấn đề khá phức tạp, và sẽ vẫn còn được tiếp tục nghiên cứu sâu hơn nữa trong tương lai. 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Những nghiên cứu về vấn đề diễn biến bờ, bãi biển trước đây ở nước ta cũng đã được các nhà khoa học quan tâm. Tuy nhiên, phải từ cuối những năm 90 của thế kỷ trước trở lại đây thì vấn đề này mới được chú trọng nhiều hơn, các công trình 17 nghiên cứu ngày càng nhiều, đa dạng và được công bố dưới nhiều hình thức, có thể kể ra một số nghiên cứu tiêu biểu dưới đây: - Một số điều tra, nghiên cứu về diễn biến đường bờ, bãi biển hay nguyên nhân gây biến động, xói lở bờ - bãi thông qua các dữ liệu đo đạc các chế độ thủy thạch động lực ven bờ (sóng, mực nước, dòng chảy ven, bùn cát và mặt cắt bãi) đã được một số các cơ quan, cá nhân chủ trì thực hiện. Điển hình là viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam với một số dự án điều tra cơ bản (ĐTCB) như: ĐTCB biến động hình thái dải ven biển Bắc Bộ và Trung Bộ (1999 - 2004), Theo dõi diễn biến xói lở ven biển Hải Hậu (2005 - 2010), ĐTCB các trọng điểm xói lở ven biển Phú Yên (2003 2006),… Các dự án này đã tiến hành đo đồng bộ dòng chảy ven, mực nước, sóng, bùn cát và nhất là diễn biến các mặt cắt ngang bãi đại diện cho khu vực quan tâm để điều tra, phân tích nguyên nhân, quá trình diễn biến bãi tại những trọng điểm đã lựa chọn [40], [41], [45]. Có thể nói đây là những dữ liệu rất có ý nghĩa thực tế, phục vụ các nghiên cứu cơ bản và điều tra theo dõi xói lở đã xảy ra tại vùng nghiên cứu. - Phần lớn các kết quả nghiên cứu về quá trình diễn biến bờ, bãi biển ở Việt Nam thông qua các đề tài, dự án ở các cấp khác nhau (cơ sở, bộ, tỉnh, Nhà nước). Hầu hết những kết quả nghiên cứu này dựa chủ yếu vào các mô phỏng bằng mô hình số trị. Những kết quả nghiên cứu có liên quan, đã được công bố trên các tạp chí, các báo cáo, hội thảo,… Có thể kể ra đây một vài công trình tiêu biểu của các tác giả như: + Trong tuyển tập báo cáo hội thảo khoa học lần thứ 10 của Viện KHKTTV và MT năm 2007, hai tác giả Vũ Thanh Ca và Nguyễn Quốc Trinh đã công bố bài báo “Nghiên cứu về nguyên nhân xói lở bờ biển Nam Định”. Kết quả nghiên cứu dựa vào việc sử dụng mô hình tính lan truyền sóng trong vùng ven bờ và dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ. Nghiên cứu đối với vùng bờ biển Nam Định, các tính toán cho thấy chỉ có sóng với độ cao lớn hơn 0,75 m mới có khả năng gây vận chuyển cát một cách đáng kể. Kết quả nghiên cứu có thể sơ bộ kết luận rằng hiện tượng xói lở ở vùng bờ biển tỉnh Nam Định là do thiếu hụt bùn cát do dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ gây ra [7]. 18 + Trịnh Việt An và nnk của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã thực hiện đề tài cấp cơ sở “Nghiên cứu sử dụng mô hình LITPACK trong nghiên cứu dự báo biến động xói lở bờ biển phục vụ cho quy hoạch chiến lược bờ biển ở nước ta”, công bố tháng 12 năm 2008. Đề tài đã tính toán lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ trung bình năm cho đoạn bờ biển Thuận An-Hòa Duân-TT Huế. Ứng dụng mô hình LITPACK để dự báo biến động xói lở bờ biển từ Thuận An đến Hòa Duân sau 1, 5 và 10 năm trước và sau khi có công trình chỉnh trị. Đề xuất giải pháp công trình nhằm bảo vệ bờ biển Thuận An-Hòa Duân [2]. + Nguyễn Thọ Sáo và nnk với đề tài “Đánh giá tác động công trình đến bức tranh thủy động lực khu vực cửa sông ven bờ Bến Hải, Quảng Trị”, công bố trên Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (năm 2010). Trong nghiên cứu này, các tác giả giới thiệu một số kết quả nghiên cứu đánh giá tác động của công trình đến các trường thủy động lực vùng cửa sông, ven biển Cửa Tùng bằng việc ứng dụng bộ mô hình MIKE 21, từ đó phân tích nguyên nhân dẫn đến các hiện tượng bồi xói bất thường trong khu vực, làm tiền đề cho việc đề xuất và quy hoạch các công trình chỉnh trị phục vụ phát triển bền vững kinh tế xã hội và môi trường [53]. + Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam với kết quả nghiên cứu đề tài cấp cơ sở “Nghiên cứu bước đầu qui luật cân bằng động của mặt cắt bãi biển và ảnh hưởng của chúng đến ổn định bờ, bãi biển trong điều kiện Việt Nam” năm 2010. Đề tài ứng dụng mô hình SBEACH để tính toán diễn biến mặt cắt bãi trong các điều kiện bão và gió mùa đặc trưng. Sử dụng phương trình cân bằng mặt cắt do Dean đề xuất để tính cân bằng mặt cắt bãi tại các trọng điểm lựa chọn. Từ kết quả nghiên cứu đề tài đã bước đầu xác định các dạng mặt cắt cân bằng bãi biển kinh nghiệm cho khu vực bãi biển đường 14 Hải Phòng và Cảnh Dương-Quảng Bình, có so sánh với dạng tới hạn của mặt cắt cân bằng do Dean đề xuất năm 1977 [46]. + Tác giả Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp công nghệ dự báo phòng chống xói lở bờ biển”, đề tài cấp cơ sở Viện Khoa học Thủy lợi năm 2005. Trong đề tài này, các tác giả đã ứng dụng mô hình năng lượng và mô hình thông lượng để tính toán suất vận chuyển bùn cát dọc bờ cho khu vực Hải Hậu, 19 Nam Định. Kết quả tính toán, nghiên cứu của đề tài chủ yếu đưa ra được lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ Hải Hậu [42]. + Các tác giả Phạ m Thành Nam, Hocine Oumeraci, Magnus Larson và Hans Hanson với đề tài “Sử dụng một phương trình bậc cao để giải phương trình bảo toàn khối lượng trầm tích”. Nghiên cứu đã sử dụng các hệ số bậc cao Euler-W ENO để giải các phương trình bảo toàn khối lượng trầm tích. Chương trình Euler-WENO cải thiện độ chính xác khi mô phỏng sự biến động hình thái bãi biển gây ra do sóng và dòng chảy, đặc biệt là sự biến động đối với khu vực có các công trình ven biển. Từ đó đưa ra kiến nghị sẽ tiếp tục nghiên cứu vấn đề này cũng như các chương trình tiên tiến hơn để nâng cao dự báo của quá trình biến động hình thái xung quanh các công trình gần bờ [31]. + Tác giả Trương Văn Bốn và nnk với đề tài “Nguyên nhân xói mòn, bồi lắng và biến đổi luồng lạch tại khu vực cửa Lấp và cửa Lộc An (Bà Rịa-Vũng Tàu) dựa trên dữ liệu đo đạc thực tế và mô phỏng bằng mô hình số”, năm 2012. Trong nghiên cứu này các tác giả đã sử dụng mô hình Mike FM kết hợp với mô hình Genesis, phân tích ảnh viễn thám và số liệu thực đo để tính toán chế độ thủy động lực, diễn biến bồi lấp khu vực các cửa sông Lấp và Lộc An và biến động đường bờ, bãi biển tại khu vực từ Cửa Lấp đến cửa Lộc An thuộc tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu theo các mùa đặc trưng [6]. + Các tác giả Vũ Minh Cát và Vũ Minh Anh với đề tài “Mô phỏng chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát khi xây dựng cảng Lạch Huyện”. Trong nghiên cứu này các tác giả đã ứng dụng Mike21/3 couple FM để mô phỏng các chế độ thủy động lực học ở toàn bộ vịnh Hải Phòng trong tháng 2 (mùa kiệt) và tháng 7 (mùa lũ) năm 2006 để đưa ra trường sóng, mực nước, dòng chảy và sau đó mô phỏng vận chuyển bùn cát trong trường hợp có và không có công trình (cầu tàu) [8]. + Tác giả Nguyễn Mạnh Hùng với cuốn sách “Biến động bờ biển và cửa sông Việt Nam” đây là cuốn sách chuyên khảo đưa ra các thông tin chung về các quá trình ven bờ, cửa sông được công bố năm 2010. Những cơ sở khoa học về các quá trình biến động bờ biển, cửa sông và một số kết quả bước đầu về nghiên cứu đặc điểm biến động bờ biển, cửa sông Việt Nam, trong đó có đề cập đến khu vưc ven biển Hải Hậu, Nam Định. Cuốn sách được biên tập chủ yếu dựa vào kết quả nghiên 20 cứu của các dự án VS/RDE-03 và 41/RF2 của Chương trình hợp tác nghiên cứu Việt Nam - Thụy Điển giai đoạn 2004 - 2011 và 2004 - 2007 [14], [24]. + Nguyễn Mạnh Hùng và nnk với đề tài “Tính toán biến động bờ biển khu vực ven biển Hải Hậu - Nam Định và châu thổ sông Hồng dưới tác động đồng thời của trường sóng và mực nước” được công bố năm 2011, nghiên cứu đã sử dụng hai bộ mô hình để mô phỏng quá trình diễn biến bờ biển Hải Hậu và châu thổ sông Hồng đó là mô hình sóng SWAN (tính cho toàn bộ Biển Đông) và mô hình STWAVE (tính cho khu vực địa phương). Dòng chảy sử dụng mô hình ADCIRC (tính cho toàn vùng tây vịnh Bắc Bộ) và CMS-M2D (tính cho khu vực địa phương). Mô hình biến đổi đáy sử dụng công thức tính vận chuyển bùn cát của LUND-CIRP với đầu vào là các tham số động lực đã tính từ các mô hình trên. Các số liệu phục vụ kiểm định mô hình được lấy từ dự án VS/RDE-03 thuộc Chương trình hợp tác Nghiên cứu Việt Nam-Thụy Điển 2004-2011. Kết quả đã đưa ra một số kịch bản tính toán diễn biến bãi biển khu vực châu thổ sông Hồng theo các mùa và năm [14], [25]. + Các tác giả Thorsten Albers và Nicole von Lieberman cùng các cộng sự ở Việt Nam với công trình “Nghiên cứu về dòng chảy và mô hình xói lở” trong dự án Quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên vùng ven biển tỉnh Sóc Trăng, công bố tháng 1 năm 2011. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng mô hình sóng (SWAN), mô hình thủy động lực học (RMA•Kalypso), mô hình diễn biến xói bồi thủy động lực học (RMA, GENESIS) để nghiên cứu quá trình động lực, diễn biến xói bồi khu vực biển Vĩnh Tân, Sóc Trăng. Các giải pháp công trình khác nhau được đưa vào trong mô hình và hiệu quả của công trình được mô phỏng. Mục tiêu của các giải pháp công trình là làm giảm xó i lở và gia tăng bồi lắng. Các tác động tiêu cực như xó i lở sau công trình phải được loại bỏ càng nhiều càng tốt [12]. - Cũng giống như trên thế giới, ở Việt Nam nghiên cứu các chế độ thủy thạch động lực, diễn biến đường bờ, bãi biển ngoài việc dựa trên các tài liệu đo đạc, mô phỏng trên mô hình toán thì cũng đã có một số nghiên cứu được đưa ra từ phương pháp sử dụng mô hình vật lý. Hệ thống thí nghiệm ban đầu được xây dựng ở nước ta như ở Phú An (Sài Gòn), chỉ với mục đích thí nghiệm các chế độ thủy lực và công trình chỉnh trị trong sông [20]. Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam với các 21 phòng thí nghiệm được xây dựng từ những năm 1960, gần đây được nâng cấp thành Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về động lực học sông biển, là cơ sở tiến hành nhiều nhất các đề tài về chỉnh trị sông và bờ biển, hải đảo của cả nước. Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu vẫn chủ yếu tập trung vào các chế độ thủy lực và công trình chỉnh trị sông, rất ít và chỉ mới có một số tiến hành các thí nghiệm về chế độ thủy động lực vùng ven biển, hải đảo từ khoảng những năm 1990 trở lại đây. Các nghiên cứu về chế độ thủy động lực vùng biển, ven biển và hải đảo vẫn chủ yếu tập trung vào quá trình lan truyền sóng, tác động của sóng lên công trình đê biển (áp lực sóng lên mái đê, ổn định cấu kiện lát mái, sóng leo, sóng tràn), sự ổn định của giàn khoan do sóng tác động,… Đối với nghiên cứu tương tác sóng với công trình giảm sóng mới chỉ chú trọng đến quá trình suy giảm khi có công trình dạng đê ngầm trên bãi, mỏ hàn chữ T, sóng qua rừng ngập mặn. Hầu như chưa có nghiên cứu, thí nghiệm nào đánh giá về quá trình diễn biến địa hình bãi biển dưới sự ảnh hưởng của công trình chỉnh trị. - Một trong những nghiên cứu mà có sử dụng mô hình vật lý để mô phỏng quá trình diễn biến bãi khi có công trình chỉnh trị đã được nghiên cứu ở Việt Nam đó là của các tác giả Thorsten Albers và Nicole von Lieberman cùng các cộng sự ở Việt Nam với công trình “Nghiên cứu về dòng chảy và mô hình xói lở” trong dự án Quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên vùng ven biển tỉnh Sóc Trăng, năm 2011 [12]. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã thí nghiệm trên mô hình vật lý để nghiên cứu quá trình động lực, diễn biến xói bồi khu vực biển Vĩnh Tân, Sóc Trăng. Các giải pháp công trình khác nhau được đưa vào trong mô hình và hiệu quả của công trình được thí nghiệm mô phỏng. Có thể nói, đây là một trong những nghiên cứu khá đầy đủ và có sự kết hợp giữa các phương pháp, trong đó có phương pháp thí nghiệm trên mô hình vật lý về diễn biến bãi khi có công trình chỉnh trị, vị trí và các giá trị tốt nhất của công trình cũng được xác định. Từ kết quả nghiên cứu, thí nghiệm và mô phỏng các tác giả đã đề xuất được những thông số của công trình chỉnh trị: vị trí, chiều dài, khoảng cách,… phù hợp đối với vùng biển Vĩnh Tân, Sóc Trăng. Nhìn chung, những nghiên cứu về vấn đề diễn biến bờ, bãi biển ở nước ta trong những năm gần đây đang được các nhà khoa học chú trọng và ngày càng có 22 sự phát triển. Quá trình diễn biến bãi, bờ biển do ảnh hưởng của công trình chỉnh trị cũng là vấn đề được lưu ý và nghiên cứu nhiều hơn. Tuy nhiên có thể nói, những nghiên cứu về vấn đề này ở nước ta từ trước đến nay vẫn chưa nhiều, phần lớn xuất phát từ các đề tài dự án với nguồn kinh phí, thời gian có hạn nên chưa tập trung đi sâu hoặc có thể đo đạc đủ dài, đầy đủ số liệu phục vụ nghiên cứu. Do vậy kết quả còn khá tản mạn, hầu như chỉ tập trung vào một vài khía cạnh nào đó. Bên cạnh đó, do điều kiện còn khó khăn nên phương pháp ứng dụng để nghiên cứu cũng chưa có sự kết hợp nhiều, trang thiết bị và quy trình đo đạc còn khá thủ công, phương pháp thí nghiệm trong phòng mới chỉ g iải quyết được một số bài toán thủy động lực cơ bản, kết quả nghiên cứu chủ yếu vẫn dựa chính vào mô phỏng trên mô hình số trị, nhưng đây cũng là phương pháp đòi hỏi phải có số liệu đầu vào có độ chính xác cao, đầy đủ. 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Nghiên cứu về động lực học biển và các công trình chỉnh trị trên bãi nhằm giảm sóng, tạo bồi được phát triển mạnh trên thế giới trong khoảng những năm thập niên 70 của thế kỷ 20. Có thể nói đây là thời kỳ của nghiên cứu cơ bản và sản phẩm của nó là các hệ phương trình mô tả hiện tượng, các công thức kinh nghiệm, các biểu đồ quan hệ với những nghiên cứu của các nhà khoa học Nga (Liên Xô cũ), Mỹ, Hà Lan,… về chuyển động bùn cát và diễn biến hình thái bãi, bờ biển vẫn còn nguyên giá trị cho tới ngày nay. Từ sau những năm 70 của thế kỷ XX đến nay có thể nói là không xuất hiện thêm những thành tựu gì đáng kể về mặt lý thuyết cơ bản của động lực học ven biển. Tuy nhiên, hoạt động nghiên cứu động lực học và chỉnh trị vùng ven biển đã có những bước phát triển mới, tiến bộ mới trong kỹ thuật tính toán, đặc biệt trong việc hoàn thiện dần kỹ thuật mô hình hóa các hiện tượng thủy lực phức tạp. Đã có một số mô hình toán (2D, 3D), mô phỏng quá trình diễn biến hình thái đường bờ, bãi biển cho kết quả tính toán, dự báo khá phù hợp so với thực tế. Về nghiên cứu thực địa đã có những thiết bị đo đạc hiện đại, nhanh chóng và tương đối chính xác. Tuy vậy, không phải là mọi vấn đề liên quan đến động lực học và chỉnh trị ven biển đều đã được giải quyết trọn vẹn. Cho đến hiện nay, chưa có một mô hình nào 23 có thể dự báo chính xác hiện tượng xói lở, bồi tụ và diễn biến bãi, bờ biển, xói-bồi xung quanh công trình. Mặt khác, việc nhằm thỏa mãn về tính tương tự trong mô hình vật lý thủy động lực, nhất là mô hình thí nghiệm về diễn biến hình thái luôn là vấn đề nan giải và còn nhiều điều phải bàn. Đối với ở Việt Nam, nghiên cứu công trình chỉnh trị ven biển trong những năm gần đây đã có những chuyển biến và tiến bộ nhanh chóng. Đội ngũ cán bộ khoa học ngày càng đông về số lượng, trình độ dần được nâng cao, cơ sở và thiết bị nghiên cứu được trang bị hiện đại. Các chương trình khoa học công nghệ các cấp về vấn đề chỉnh trị ven biển đã được duy trì liên tục trong những năm gần đây. Công trình giảm sóng, tạo bồi chống xói lở ven biển bằng các giải pháp, công nghệ tiên tiến đang được nhân rộng và áp dụng nhiều, thu được những kết quả đáng khích lệ. Một số công trình như hệ thống mỏ hàn ở Nghĩa Phúc (Nam Định), mỏ hàn mềm Stabiplage (Vũng Tàu), đê chắn sóng ở Hải Dương - Thừa Thiên Huế,… đã cho thấy hiệu quả, tính đúng đắn trong việc bố trí công trình chỉnh trị trên bãi. Nhưng thực tế cho thấy, khá nhiều công trình chỉnh trị đã xây dựng trước đây cũng cho thấy những bất cập, hiệu quả mang lại không cao. Có nhiều nguyên nhân dẫn đến điều này, nhưng thường xuất phát từ các nguyên nhân chính như: - Xây dựng công trình không đúng với bản chất chế độ động lực nơi xây dựng: MHB ở Thừa Thiên - Huế, Cát Hải, Nhật Lệ, Quảng Phúc - Quảng Bình,… MCT ở Hải Thịnh II, Nghĩa Phúc I. - Thiết kế sai mục đích: Kết cấu MHB bằng ống buy trên đệm đá hộc có nhiều tồn tại, không phù hợp với yêu cầu ngăn cát, giảm sóng và ổn định: Cát Hải, Hội Thống, Cẩm Nhượng,… Kích thước mặt bằng một số MCT chưa tuân thủ hoàn toàn theo chỉ dẫn. Kết cấu phần cánh MCT sử dụng ống buy, hiệu quả giảm sóng rất hạn chế, đồng thời gây ra hiệu ứng sóng đứng, dẫn đến xói chân. - Nguyên nhân do thi công xây dựng cẩu thả: Phần lớn MHB đều có bệ đá rời bị sạt sệ, một phần là do lỗi thi công (Cát Hải, Hội Thống,…). - Thời gian phục vụ của công trình quá dài: Hầu hết các MHB, MCT được xây dựng từ trước đến nay đều không được duy tu kịp thời những hư hỏng. 24 Ngoài các nguyên nhân chính thường gặp như đã nêu trên thì một trong những điều kiện tiên quyết nhằm đánh giá hiệu quả, những hạn chế và khả năng ổn định của công trình chỉnh trị đó là sự nghiên cứu, tính toán quá trình diễn biến các trường thủy thạch động lực, dự báo biến động bờ, bãi biển sau khi có hệ thống công trình chỉnh trị ven biển ở nước ta nhìn chung vẫn chưa được tiến hành nghiên cứu một cách kỹ lưỡng, đa số các công trình xây dựng vẫn dựa vào chỉ dẫn, kinh nghiệm của nước ngoài, đó là tình trạng chung. Đối với khu vực luận án lựa chọn làm trọng điểm tiến hành nghiên cứu thuộc bờ biển Hải Hậu, Nam Định vẫn còn tồn tại các vấn đề sau: - Cho đến nay vẫn chưa có giải pháp và phương án tổng thể nào được đề xuất nhằm khắc phục các hiện tượng xói lở gây mất ổn định bờ, bãi biển khu vực ven bờ Hải Hậu. Một số công trình giảm sóng, tạo bồi bảo vệ bãi đã được xây dựng nhưng dưới dạng thử nghiệm tại một vài đoạn bờ đã bị xói lở. - Hầu hết kết quả nghiên cứu trước đây chưa đưa ra được cơ sở khoa học vững chắc về cơ chế và nguyên nhân biến động bãi và bờ biển tại khu vực nghiên cứu. Do vậy, việc xác định được cơ sở khoa học nguyên nhân mất ổn định bờ-bãi biển và một số qui luật diễn biến bãi, bờ biển Hải Hậu là hết sức cần thiết. - Việc nghiên cứu đề xuất được giải pháp chỉnh trị phù hợp nhằm phòng chống thiên tai, phát triển ổn định bờ biển Hải Hậu là nhu cầu cấp bách hiện nay. Trong nghiên cứu diễn biến hình thái, chỉnh trị vùng ven biển, việc sử dụng các phương pháp nghiên cứu phải rất linh hoạt, tùy điều kiện để áp dụng có thể một hoặc nhiều phương pháp. Đối với ở Việt Nam cũng có những vấn đề rất đặc thù, khó tìm được các trường hợp tương tự trên thế giới (sự phức tạp của chế độ động lực, các xói dị thường,...), các tài liệu đo đạc và theo dõi diễn biến bờ, bãi biển còn hạn chế, không có sự theo dõi định kỳ và đồng bộ, đó cũng là một thách thức không nhỏ đối với nghiên cứu thực tế ở nước ta. Trong luận án này, nhằm giải quyết các vấn đề và đạt được mục tiêu đã đặt ra tác giả đã sử dụng ba phương pháp nghiên cứu chính, đó là: Phân tích thống kê, Mô hình vật lý và Mô hình toán. Chi tiết các phương pháp nghiên cứu được đề cập trong chương 2 của luận án. 25 CHƯƠNG 2-LỰA CHỌN VÀ THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Quá trình vận chuyển bùn cát, xói lở, diễn biến hình thái vùng ven biển kể cả trước và sau khi có công trình chỉnh trị luôn là một vấn đề khó và phức tạp. Do vậy, để giải quyết vấn đề trên cần phải áp dụng những phương pháp nghiên cứu hợp lý và có độ tin cậy cao. Tùy vào từng mục đích nghiên cứu, tùy vào vấn đề cần phải giải quyết để có thể áp dụng các phương pháp nghiên cứu khác nhau. Các vấn đề đơn giản có thể áp dụng một phương pháp, vấn đề phức tạp hơn có thể sử dụng hai hay nhiều phương pháp. Nhìn chung cần phải kết hợp, sử dụng các phương pháp nghiên cứu một cách linh hoạt và hiệu quả. Trong luận án này, để giải quyết vấn đề và mục tiêu đã đặt ra tác giả đã sử dụng kết hợp 3 phương pháp nghiên cứu chính, đó là: Phương pháp khảo sát và thống kê phân tích số liệu thu thập; Phương pháp thí nghiệm trên mô hình vật lý và Phương pháp mô phỏng trên mô hình toán. Mỗi một phương pháp này sẽ có thế mạnh riêng, được ứng dụng để giải quyết những vấn đề cần thiết và giữa chúng có sự liên hệ, bổ trợ cho nhau để phục vụ mục đích chung của luận án. - Phương pháp khảo s át và thống kê phân tích số liệu thu thập là một trong những phương pháp luôn được áp dụng trong nghiên cứu của nhiều ngành khoa học. Ngoài việc đo đạc để có số liệu thực tế, đánh giá hiện trạng hoặc làm đầu vào cho các phương pháp khác (như là phương pháp mô hình toán, mô hình vật lý) thì đây là một trong những phương pháp có độ tin cậy cao nhất, làm căn cứ để đưa ra các kết luận, phục vụ cho nhiều mục đích. Thu thập và phân tích các tài liệu liên quan cũng là một trong những cách mà trong nghiên cứu khoa học thường áp dụng, các kết quả nghiên cứu trước đây sẽ được kế thừa, phát triển tiếp. Hoặc các dữ liệu cũ là các căn cứ lịch sử để so sánh, đánh giá nhất là vấn đề nghiên cứu về diễn biến hình thái lại càng có ý nghĩa hơn. Ngoài ra, tại đơn vị công tác của nghiên cứu sinh cũng được trang bị hệ thống các thiết bị đo đạc hiện trường khá hiện đại, việc ứng dụng các trang thiết bị này vào công tác nghiên cứu khoa học cũng đã được tiến hành từ lâu và rất hiệu quả. Các dự án, đề tài do chính đơn vị thực hiện tại khu vực 26 Nam Định cũng khá phong phú, đặc biệt là chuỗi số liệu đo đạc diễn biến bãi, bờ biển và dòng chảy ven, bùn cát từ cuối những năm 1970 đến nay. Luận án cũng đã thu thập dữ liệu, kết quả của các đề tài, dự án của một số đơn vị khác mà có những nghiên cứu đối với khu vực Nam Định (Viện Cơ học, Viện Địa lý,…). Từ các số liệu đo đạc, thu thập đã phân tích để bước đầu tìm một số quy luật diễn biến bãi, bờ biển và chỉ ra nguyên nhân gây mất ổn định bờ - bãi biển đối với vùng biển nghiên cứu. Các số liệu này sau đó được thống kê, phân tích làm số liệu đầu vào phục vụ nghiên cứu trên mô hình vật lý và tính toán mô phỏng trên mô hình toán. - Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý đòi hỏi phải có những chi phí khá lớn, công phu và rất mất thời gian. Đặc biệt là thí nghiệm để thu được các kết quả về vận chuyển bùn cát, diễn biến hình thái ven biển là một trong những thí nghiệm rất khó, bởi vật liệu (bùn cát) dùng trong thí nghiệm và làm thỏa mãn được tính tương tự của chúng giữa thực tế với mô hình là điều rất khó khăn, ngay cả các công trình nghiên cứu lớn đã thực hiện ở các nước có nền khoa học phát triển trên thế giới thì đây vẫn còn là một vấn đề nan giải. Do vậy, để đảm bảo tính logic của vấn đề nghiên cứu và khả năng đáp ứng của hệ thống thí nghiệm cũng như trong điều kiện hạn hẹp. Luận án chỉ chú trọng đến việc thí nghiệm nhằm xác định quá trình giảm sóng của đê ngầm đối với chế độ động lực vùng biển Hải Hậu. T ìm ra được các hệ số suy giảm sóng phù hợp đối với ven biển Hải Hậu (Cao trình đỉnh đê phù hợp), bên cạnh đó còn thí nghiệm để lựa chọn bề rộng đỉnh đê, hệ số mái dốc mà trong tính toán mô hình toán luôn gặp rất nhiều khó khăn. Luận án đã lựa chọn hệ thống máng tạo sóng Flanders của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam để tiến hành thí nghiệm. Các hệ số lan truyền sóng (Kt ) sẽ được lựa chọn tương ứng với yêu cầu đầu vào để phục vụ mô hình tính toán diễn biến đường bờ Genesis. Từ đó nhằm tìm ra được các thông số phù hợp của đê ngầm giảm sóng, tạo bồi. - Mô hình toán có thể mô phỏng với nhiều phương án thay đổi khác nhau, rất thuận tiện và chi phí thấp hơn mô hình vật lý. Từ các kết quả mô phỏng sẽ có cơ sở để đánh giá, lựa chọn được phương án tối ưu. + Luận án ứng dụng mô hình tính toán diễn biến đường bờ GENESIS để tính toán ảnh hưởng của các tham số công trình thay đổi khác nhau (vị trí đặt công trình, 27 kích thước dài - ngắn, khoảng cách giữa các công trình với nhau) đến quá trình diễn biến đường bờ biển khu vực nghiên cứu ứng với các chế độ thủy thạch động lực. + Kết hợp với sử dụng mô hình MIKE21 FM để tính toán diễn biến bãi khi có hệ thống công trình chỉnh trị. Việc tính toán do ảnh hưởng của các công trình chỉnh trị đến diễn biến bãi bằng mô hình Mike21 FM ngoài mục đích đánh giá hiệu quả của công trình còn cho thấy được xu thế xói, bồi để có căn cứ so sánh với kết quả tính của mô hình GENESIS. Bên cạnh đó, những diễn biến bãi xung quanh công trình (nhất là các hố xói ở chân công trình) làm căn cứ đánh giá độ ổn định của công trình cũng như làm cơ sở cho thiết kế, gia cố chân công trình mà ở mô hình GENESIS không thể hiện được. Nhìn chung, mỗi một phương pháp nghiên cứu áp dụng trong luận án đều có những thế mạnh riêng và được ứng dụng để giải quyết các vấn đề cụ thể nào đó. Tuy nhiên, giữa chúng lại có những sự liên kết, bổ trợ cho nhau để nhằm giải quyết mục tiêu chung mà luận án đã đặt ra. 2.2. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VÀ THỐNG KÊ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU 2.2.1. Phương pháp khảo sát thực đị a, phân tích các tài liệu đo đạc Nghiên cứu quan trắc sóng và tác động của nó lên bờ biển và công trình ven bờ đã có từ thế kỷ 18 - 19. Những thành tựu mới trong nghiên cứu lĩnh vực này đạt được sau khi đưa vào ứng dụng máy tự ghi sóng, máy tính điện tử và lý thuyết hàm ngẫu nhiên. Điển hình là nghiên cứu của Pierson (Mỹ) thực hiện vào những năm 50 cuối thế kỷ 20 [38], [40]. Ở nước ta, việc khảo sát thực địa, phân tích thống kê chế độ sóng ven bờ và biến động đường bờ đóng vai trò rất quan trọng phục vụ thiết kế các công trình bảo vệ bờ, đê - kè biển, bố trí xây dựng cảng và qui hoạch phát triển ổn định dải ven biển. Từ sau những năm 1990 đến nay, với sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học công nghệ trên thế giới, các cơ quan nghiên cứu, khảo sát đã được trang bị nhiều máy đo hiện đại. Các địa chỉ ứng dụng đã mở rộng khắp Bắc, Trung, Nam. Một trong những đơn vị luôn đi đầu trong lĩnh vực đo đạc khảo sát các chế độ động lực vùng cửa sông, ven biển và diễn biến đường bờ, bãi biển đó là Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam-nơi mà chính tác giả đang công tác, đây là một trong những đơn vị 28 được trang bị khá đầy đủ các thiết bị nghiên cứu đo đạc ngoài hiện trường để phục vụ công tác thu thập số liệu về địa hình, thủy hải văn và bùn cát. Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam cũng là đơn vị có rất nhiều những nghiên cứu, đo đạc ngoài hiện trường thông qua các dự án, đề tài nghiên cứu khoa học,... Có thể nói đây là phương pháp đã ra đời từ khá lâu và vẫn đóng vai trò rất quan trọng cho tới ngày nay, các nội dung chính của phương pháp này bao gồm: - Đo đạc khảo sát các yếu tố sóng, gió, dòng chảy các đặc trưng bùn cát và biến đổi địa hình bãi, đáy biển. - Phân tích, xử lý số liệu thuỷ thạch động lực quan trắc được từ đó rút ra các đặc trưng chế độ và quan hệ giữa các yếu tố trên. - Phân tích diễn biến địa hình, ổn định bãi và các công trình ven biển dưới tác động của sóng. - Thiết lập mối quan hệ giữa qui luật bồi xói, ổn định công trình ven biển và các chế độ sóng, dòng chảy ven bờ. 2.2.2. Các số liệu thu thập, phân tích của luận án: 2.2.2.1. Bộ tài liệu địa hình, địa chất, địa mạo cho toàn khu vực nghiên cứu: - Dữ liệu mặt cắt bãi biển tại khu vực Hải Hậu được biên tập thống nhất theo từng giai đoạn: 1985-1990, 1990-1995 và 2005-2010, riêng giai đoạn 2005-2010 số liệu mặt cắt được đo vào hai thời kỳ đặc trưng là tháng 4 và tháng 10-11 hàng năm. - Hải đồ khu vực nghiên cứu tỉ lệ 1/100,000 năm 1982 và năm 1997; Bình đồ đo đạc các năm từ 2005 đến 2010. - Dữ liệu về biến động đường bờ tại khu vực nghiên cứu được thu thập từ các bản đồ ở các thời kỳ trước, kết hợp với ảnh vệ tinh Spot, Landsat, Radarsat chụp trong các năm: 1989, 1994, 1995, 2001, 2005, 2007 và 2011. - Các bản đồ địa hình tỷ lệ 1:100,000 phát hành các năm 1912, 1935, 1927, 1965 và các bản đồ tỷ lệ từ trung bình tới lớn được phát hành gần đây. - Bản đồ tuổi địa chất nền đê (thu thập); Bản đồ địa chất kỉ thứ IV (1978); Bản đồ Trầm tích tầng mặt vùng biển nông, 0-30m nước (2004); Sơ đồ phân bố trầm tích tầng mặt ven biển Hải Hậu (2004); Bản đồ Địa chất Công trình đới ven biển Nam Định tỷ lệ 1: 50.000 (2004); Bản đồ địa mạo (thu thập). Các báo cáo về đặc điểm tai 29 biến địa chất (xói lở bờ biển, bồi lấp cửa sông,...). Các bản đồ đặc điểm trầm tích tầng mặt và biến động dài hạn trầm tích tầng mặt theo thời gian năm. - Các bản đồ xói, bồi tỉ lệ 1: 50.000 và 1: 25.000 các vùng cửa sông, ven biển Bắc Bộ. Hình 2.1. Bản đồ địa mạo khu vực nghiên cứu (Nguồn: [33]) Hình 2.2. Sơ đồ trầm trích hiện đại khu vực nghiên cứu (Nguồn: [36]) 2.2.2.2. Bộ tài tài liệu khí hậu, khí tượng: - Đặc điểm chế độ các trị số đặc trưng vận tốc gió trong gió mùa, bão với các chu kỳ lặp khác nhau ở các hướng khác nhau. Dữ liệu gió được thu thập tại các trạm xa bờ và trong bờ như:  Bạch Long Vĩ-Hải Phòng: 1980 - 2013 (33 năm).  Văn Lý - Nam Định: 1976 - 1996, đo đạc tháng 7 năm 2010.  Cồn Cỏ - Quảng Trị: 1990 - 2010 (20 nă m). 2.2.2.3. Bộ tài liệu hải văn, bùn cát: - Chế độ thuỷ triều và các trị số đặc trưng mực nước (Max, Min, TB) với các chu kỳ lặp lại: + Mực nước Hòn Dáu - Hải Phòng: 1960 - 2013 (53 năm); + Số liệu mực nước theo giờ tại các trạm ven biển, cửa sông: Ba Lạt, Phú Lễ; + Số liệu mực nước thực đo tại Hải Hậu các năm 2004-2007 và 2006-2010; - Chế độ nước dâng do bão: Xác định các trị số đặc trưng cho nước dâng do bão với các chu kỳ lặp khác nhau. - Chế độ sóng: vùng bờ biển tỉnh Nam Định, chú trọng đặc biệt trong gió mùa với các tần suất và hướng khác nhau: 30 + Trạm Hòn Dáu - Hải Phòng: 1980 - 2005 (25 năm). + Số liệu sóng thực đo tại Hải Hậu: nă m 2004, 2006, 2010 và 2011. - Số liệu bùn cát (lơ lửng, đáy) ở các vùng cửa sông và ven biển Hải Hậu. - Dự án hợp tác Việt Nam - Thủy Điển (2004 - 2011). 2.2.3. Các nội dung phân tích thống kê số liệu thu thập, đo đạc của luận án - Phân tích các quá trình thủy thạch động lực của khu vực nghiên cứu, làm cơ sở để lựa chọn đầu vào phục vụ nghiên cứu, tính toán và thí nghiệm mô hình vật lý. - Bước đầu xác định một số quy luật diễn biến bãi theo mùa, năm và đưa ra phương trình các mặt cắt bãi đặc trưng. Tính toán mặt cắt cân bằng cho khu vực nghiên cứu. - Phân tích diễn biến bờ, bãi biển khu vực nghiên cứu trong quá khứ và hiện tại. - Phân tích để tìm ra nguyên nhân gây mất ổn định dẫn đến quá trình xói lở, bồi tụ để có cơ sở đề xuất giải pháp công trình chỉnh trị hợp lý đối với khu vực nghiên cứu. 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ Luận án thí nghiệm với mục đích tìm ra được bộ thông số: cao trình đỉnh đê, bề rộng đỉnh, mái dốc và các hệ số suy giảm sóng phù hợp với khu vực cần nghiên cứu. Thí nghiệm được tiến hành trong máng tạo sóng Flanders của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. 2.3.1. Cơ sở lý thuyết về thí nghiệm mô hình sóng 2.3.1.1. Vấn đề chính thái và biến thái Để có được sự tương tự về động thái và động lực, cần bảo đảm tốt tương tự về hình học, vì vậy mô hình sóng thường được thiết kế theo mô hình chính thái, chỉ trong trường hợp do sự hạn chế khó khắc phục của khu vực thí nghiệm hoặc yêu cầu của các điều kiện tương tự khác, mới xét đến mô hình biến thái. Trong thực tiễn đối với mô hình mặt cắt, chỉ có mô hình chính thái và hằng số tỷ lệ mô hình tương đối nhỏ, λ1 ≤ 60. Đối với mô hình tổng thể cũng phần lớn làm mô hình chính thái, khi buộc phải biến thái thì hệ số biến thái   1  2 . Hằng số tỷ lệ tương tự hình học h 31 thường được chọn trong khoảng λ1 = 60÷150 [20], [82], (xem [86]). 2.3.1.2. Phương trình hằng số tương tự Để đảm bảo tương tự động thái và động lực, mô hình sóng cần thiết kế theo định luật tương tự Froude [20]. Đối với sóng nước nông, nhất là sóng gần bờ, tương tự sức cản về nguyên tắc phải được tuân thủ. Phương trình hằng số tỷ lệ tương tự sức cản được suy ra từ phương trình lưu tốc dòng dọc bờ do sóng: U2  2 3 g HSb nb m sin b sin 2 b 1 8 Db f (2.1) trong đó: HSb - chiều cao sóng vỡ; Db - độ sâu nước ở vị trí sóng vỡ; αb - góc truyền sóng vỡ; m - độ dốc đáy bờ; f - hệ số sức cản. D  4 b  LS 1  nb  1   4 .hb 2 sinh  LS     ; với L - chiều dài sóng. S    Công thức này có chứa hàm số siêu việt, phương trình hằng số tương tự của nó có thể viết như sau: λ αb = 1 (2.2) h 1 LS (2.3) 2u  f 2   u2 f  1 m HS h 1 (2.4) Phương trình (2.2) s ẽ được tự động thỏa mãn khi hướng sóng trong mô hình giống với trong nguyên hình. Phương trình (2.3) yêu cầu λLS = λh , tức hằng số tỷ lệ tương tự chiều dài sóng bằng hằng số tỷ lệ tương tự độ sâu. Phương trình (2.4), trong điều kiện mô hình được thiết kế theo định luật tương tự Froude (λu = λh 1/2 ), yêu cầu: f  h 1 (2.5) Vấn đề tương tự tỷ lệ lực quán tính và lực nhớt, yêu cầu số Re của sóng lớn 32 hơn một vị trí số nào đó, theo A.C. Ôphiserôp thì: Re  U max H S   2000 (2.6) Trong đó Umax là tốc độ quỹ tích ngang cực đại của chất điểm mặt nước. Umax  TS  2 HS 2h coth TS LS 2 L S 2 h coth g LS ν- hệ số nhớt động học. (2.7) (2.8) (2.9) Về tương tự lực căng bề mặt, trong điều kiện sóng vỡ có tầm quan trọng nhất định nhưng khó thỏa mãn yêu cầu tuân thủ chặt chẽ định luật tương tự Weber về tương tự tỷ lệ giữa lực quán tín và lực căng bề mặt: u2 l  u2 l 2   idem  l  2u l 1 Hoặc:   (2.10) (2.11)  ML  trong đó: σ - suất mao quản động lực, thứ nguyên là  2 / L .  T Tương tự chuyển động sóng yêu cầu tương tự về tốc độ chuyển động sóng, khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ và tương tự về sóng vỡ. a) Tương tự khúc xạ: Công thức tốc độ truyền sóng ở vùng nước nông có dạng chung là: C  g TS 2 .D tanh 2 LS (2.12) Công thức này có dạng hàm số riêng siêu việt, viết thành phương trình hằng số tỷ lệ như sau: C  1; TS  D  h LS LS Vì LS = CTS, ta có: LS 1 C TS (2.13) (2.14) 33 Từ đó nhận được: λ C = λ TS = λLS1/2 = λh 1/2 = λ u (2.15) Có nghĩa là, hằng số tỷ lệ chiều dài sóng λLS và hằng số tỷ lệ kích thước thẳng đứng λh bằng nhau. Trong trường hợp đó, hằng số tỷ lệ tốc độ truyền sóng λC bằng hằng số tỷ lệ chu kỳ sóng λLS , cũng bằng số lưu tốc λu . Khi sóng tiến vào bờ, do độ sâu thay đổi, hướng sóng và tốc độ sóng đều thay đổi (Hình 2.3). Trong điều kiện chu kỳ sóng TS không đổi, quan hệ giữa góc khúc xạ α và tốc độ truyền sóng C như sau: sin 2 C  2 sin1 C1 (2.16) Trong đó α là góc giữa hướng sóng và pháp tuyến của đường đồng mức, ký hiệu 1 biểu thị sóng tới, 2 biểu thị sóng khúc xạ. Viết phương trình hằng số tỷ lệ ta có: λ α2 = 1; λ α1 = 1; λ c2 = λ c1 (2.17) Vì vậy, tương tự khúc xạ yêu cầu góc tia tới và góc khúc xạ trong mô hình bằng với yếu tố tương ứng trong nguyên hình, và yêu cầu hằng số tỷ lệ của tốc độ sóng tới bằng hằng số tỷ lệ của tốc độ sóng khúc xạ, nghĩa là có cùng một hằng số tỷ lệ về tốc độ truyền sóng. Từ (2.15) có thể thấy, điều đó yêu cầu λ LS = λ h . b) Tương tự nhiễu xạ:      Hình 2.4. Hiện tượng nhiễu xạ sóng tại đê nhô đơn Hình 2.4 là sơ đồ nhiễu xạ sau một đê nhô đơn, giả thiết độ sâu trong và ngoài Hình 2.3. Khúc xạ sóng đê không đổi. Sóng tại đầu đê có độ cao HS0 , hướng sóng 00’, tạo với trục OX một góc 0 . Tại 1 điểm bất kỳ Q trong vùng che chắn của đê (toạ độ cực (r, )), hệ số nhiễu xạ k0 là t ỉ số giữa chiều cao sóng tại Q(HSQ ) và chiều cao sóng ban đầu HS0 . k0  HSQ HS 0 (2.18) 34 Lấy ví dụ đê nhô đơn trong Hình 2.4 là đê mái nghiêng, trong vùng che chắn của nó (vùng giữa hướng sóng 00’ và trục đê OX), công thức tính hệ số nhiễu xạ là:  3 r 1   4 3 LS kQ  e 2  0     e 3 3 r LS  0     (2.19)    Đó cũng là một hàm siêu việt, viết thành phương trình hằng số tỷ lệ như sau: λ kQ = 1; λ r = λ l = λLS; λ θ0 = 1; λ θ0 = λ θ (2.20) Có nghĩa là muốn cho hằng số tỷ lệ chiều cao sóng trong vùng che chắn λHSQ bằng hằng số tỷ lệ chiều cao sóng tới ngoài đê λHS0 , yêu cầu λkQ = 1. Để làm được điều đó, hằng số tỷ lệ chiều dài sóng cần bằng hằng số tỷ lệ kích thước theo chiều nằm ngang. Ngoài ra, còn yêu cầu sóng tới có hướng không đổi. c) Tương tự phản xạ: Sóng gặp đê tường đứng sẽ phát sinh phản xạ (Hình 2.5). Phương trình mặt sóng của sóng tới và sóng phản xạ là: ρ = a sin (kx + σt) = a sink (x + ct) (2.21) Trong đó: ρ- độ cao của chất điểm bề mặt nước; a- biên độ; k- số sóng, k  2 2 ; σ- tần số sóng;   . LS TS Sóng tới và sóng phản xạ chồng lên nhau thành sóng đứng. Các phương trình hằng số tỷ lệ như sau:   1;  l  1; LS Trong đó: (2.22)   1 biểu thị hằng số tỷ lệ về độ cao của 1 điểm bất kỳ phải bằng  số tỷ lệ về biên độ dao động; chu kỳ sóng; C t   1 hoặc t 1 LS TS t  1 biểu thị bằng số tỷ lệ thời gian bằng số tỷ lệ TS C t    C TS  1 biểu thị quan hệ giữa hằng số tỷ lệ tốc độ truyền LS LS sóng, hằng số tỷ lệ chiều dài sóng và hằng số tỷ lệ chu kỳ sóng hoặc hằng số tỷ lệ thời gian. Vì vậy, yêu cầu có tính thực chất đối với tương tự phản xạ sóng là λLS = λ l. 35 Hình 2.5. Sóng phản xạ trước tường đứng (a) Thay đổi bề mặt tự do ; (b) Quỹ tích chất điểm bề mặt d) Tương tự sóng vỡ: Sóng vỡ có quan hệ nhiều với sự biến hoá của độ dốc sóng HS/LS. Để có tương tự sóng vỡ thì độ dốc sóng phải tương tự, tức là: λHS = λLS = λ h (2.23) Do trong mô hình khó đạt được chuẩn xác sức căng bề mặt và độ nhám đáy, nên tương tự sóng vỡ cũng chỉ là gần đúng. Tóm lại: Để có được tương tự về các yếu tố sóng, mô hình cần làm chính thái, hướng sóng ban đầu của mô hình phải giống với nguyên hình, hằng số tỷ lệ chiều dài sóng và chiều cao sóng nên giống nhau, tuân thủ định luật tương tự Froude. Khi buộc phải làm mô hình biến thái, tương tự của các yếu tố sóng không thể được thỏa mãn đồng thời. Khi lấy hằng số tương tự chiều dài sóng bằng hằng số tương tự trên mặt phẳng nằm ngang, tương tự nhiễu xạ và phản xạ mới có thể bảo đảm, nhưng sẽ ảnh hưởng đến tương tự của tốc độ sóng, khúc xạ và tương tự sóng vỡ. Ngoài ra, chiều dài sóng mô hình tương đối ngắn, độ khó chế tạo máy tạo sóng sẽ lớn, sóng tạo ra không ổn định. Ngược lại, nếu lấy hằng số tỷ lệ chiều dài sóng bằng hằng số tỷ lệ theo phương thẳng đứng, thì hiệu quả sẽ ngược lại. Khi sử dụng mô hình biến thái, dộ dốc sóng trong mô hình không thể vượt quá 1/7. Nếu không, sóng sẽ vỡ, thường chỉ có thể đạt khoảng 1/10. Nên hạn chế hệ số biến thái trong khoảng bằng 2. 36 2.3.2. Mô phỏng tương tự các giá trị trên mô hình, chọn tỉ lệ mô hình Việc chọn tỷ lệ mô hình phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể ở nguyên hình, yếu tố sóng và khả năng đáp ứng của hệ thống thiết bị thí nghiệm. Căn cứ vào các số liệu đo đạc khảo sát thực địa và khả năng đáp ứng của hệ thống thiết bị thí nghiệm (máng tạo sóng Flanders), quá trình động lực do sóng tác động vào công trình được mô phỏng trên máng sóng bằng mô hình chính thái, việc mô phỏng tương tự các thông số về đơn vị độ dài, thời gian, tần s ố, trọng lượng, diện tích vv… được thiết lập theo tiêu chuẩn Froude [20], (xem [86]). Tỉ lệ mô hình lựa chọn λ L = λ h = a = 20 (Phù hợp với điều kiện thực tế, và khả năng mô phỏng của thiết bị); trong đó λL , λh là tỉ lệ hình học theo phương ngang và phương đứng. Tỉ lệ của các đại lượng vật lý dẫn xuất dùng trong thí nghiệm theo tỉ lệ mô hình được thể hiện trong Bảng 2.1. Bảng 2.1. Các giá trị tỷ lệ mô hình - nguyên hình Tỉ lệ mô hình/nguyên hình λL = λ h = a Thực tế khu vực nghiên cứu (tỷ lệ 1/20) 20 Tỷ lệ thời gian, chu kỳ (s) T  L  a 4,472 Tỷ lệ tần số (Hz) f  Các đại lượng Tỷ lệ độ dài, độ cao sóng (m) Tỷ lệ trọng lượng (kg) 1 T  1 a 0,2236 P  3L  a 3 8000 Tỷ lệ diện tích (m ) s  2L  a2 400 Tỷ lệ thể tích (m3 ) P  3L  a 3 8000 λp = a 20 2 Đơn vị đo áp lực mBar 3 Lưu lượng (m /s ) q    a Vận tốc v  L  a 2. 5 L 2.5 1788,854 4,472 2.3.3. Giới thiệu hệ thống máng sóng Flanders 2.3.3.1. Máng sóng và máy tạo sóng Máng sóng có chiều dài 40m, rộng 2m, cao 1,8m (xem Hình 2.6). Máy tạo sóng kiểu Piston hoạt động bằng truyền động điện - thủy lực, bảng sóng có kích thước 1,98m(W) x 2m(H). Máy tạo sóng có khả năng tạo được các 37 sóng đều (Sine), sóng không đều với các dạng phổ: Pierson Moskowitz, Jonswap. Máy tạo sóng có thể tạo được Hs = 1,5cm ÷ 30cm, T = 0,5sec ÷ 5sec trên mô hình. Hình 2.6. Tổng quan hệ thống máng sóng Flanders Hình 2.7. Đầu đo Golf-3B 2.3.3.2. Thiết bị thu thập dữ liệu - Đầu đo sóng Model Golf-3B Đầu đo Model Golf-3B sử dụng được cả trong môi trường nước mặn và nước ngọt. Kích thước nhỏ, dải tần rộng (lên tới 1200mm), phản ứng nhanh (thời gian phản ứng 55ms). Kết cấu đầu đo sóng cơ bản gồm 2 phần: Khung cảm biến là 1 khung giữa 2 hộp và nó là điện cực thứ 2. Điện cực thứ nhất là 1 dây thép không gỉ, nó được căng giữa 2 hộp (xem Hình 2.7). Việc trang bị "Hộp kín” cho Golf-3B để phù hợp và tiện dụng khi sử dụng trong bể nước. Hình 2.8. Sơ đồ kết nối hệ thống của máng tạo sóng Flander 38 2.3.3.3. Kết nối hệ thống Toàn bộ hệ thống thí nghiệm được kết nối với nhau thành một thể thống nhất, tất cả các bước từ vận hành, thu thập và xử lý số liệu được điều khiển tự động bằng các phần mềm chuyên dụng đã được cài đặt sẵn trong máy tính đặt tại cabin điều khiển. Sơ đồ kết nối và điều khiển máy tạo sóng như trong hình 2.8. 2.3.4. Các điều kiện biên về số liệu địa hình, thủy hải văn 2.3.4.1. Số liệu địa hình: Mặt cắt bãi và đê biển được lấy tại khu vực cuối Hải Triều - Hải Hậu - Nam Định (xem Hình 2.9). Hình 2.9. Mặt cắt bãi ven biển Hải Hậu - Nam Định được mô phỏng Các thông số cơ bản của mặt cắt như sau: Cao trình đỉnh đê thực tế: +5,0m ; Chiều rộng đỉnh đê: 5,0m Chiều rộng chân đê: 32,0m Độ dốc mái đê: Mbi ển =4, M đồng =2,5 Mặt bãi nghiên cứu từ chân đê tại cao trình +0,62m trải dài 400m ra biển, nơi có cao trình -3,2m. 2.3.4.2. Tổng hợp các thông số sóng và mực nước dùng trong thí nghiệm Luận án đã phân tích, lựa chọn các cấp mực nước, sóng thí nghiệm dựa vào các tài liệu thu thập, các đề tài, dự án đã nghiên cứu trước đây đối với vùng biển Hải Hậu (xem [4], [5]), [7], [14], [30], [43], [44], [47], (xem [56]). Căn cứ vào những mục đích cần đạt được, khả năng đáp ứng của hệ thống thí nghiệm máng tạo sóng Flanders đã đưa ra các thông số về mực nước và sóng như sau: 1. Các cấp mực nước thí nghiệm: Các cấp mực nước đưa vào thí nghiệm được thể hiện trong bảng 2.2, tùy vào mỗi phương án và mục đích nghiên cứu cần đạt được sẽ lựa chọn cấp mực nước tương ứng. 39 Bảng 2.2. Tổ hợp các cấp mực nước thí nghiệm S TT 1 2 3 4 5 6 7 Trường hợp MN5% (m) Triều kiệt Triều trung bình Cấp 8 2,20 Cấp 9 2,20 Cấp 10 2,20 Cấp 11 2,20 Cấp 12 2,20 Nguyên hình Nước Mực nước dâng (m) tổng cộng (m) 1,20 1,86 0,42 2,62 0,80 3,00 1,30 3,50 1,47 3,67 1,80 4,00 Mô hình (Tỷ lệ: 1/20) MN5% Nước Mực nước (m) dâng (m) tổng cộng (m) 0,060 0,093 0,110 0,021 0,131 0,110 0,040 0,150 0,110 0,065 0,175 0,110 0,074 0,184 0,110 0,090 0,200 2. Tổ hợp các cấp sóng thí nghiệm: Tùy theo từng mục đích nghiên cứu của mỗi phương án sẽ lựa chọn độ cao và chu kỳ sóng phù hợp ở trong Bảng 2.3 để làm đầu vào thí nghiệm. Phổ tạo sóng đưa vào thí nghiệm thuộc loại phổ Jonhswap. Bảng 2.3. Các tham số sóng đưa vào thí nghiệm của luận án Nguyên hình Mô hình (Tỷ lệ: 1/20) Độ cao H (m) Chu kỳ T (s) Độ cao H (m) Chu kỳ T (s) 0,75 ÷ 2,70 4,0 ÷ 10,0 0,038 ÷ 0,135 0,894 ÷ 2,236 Ghi chú Tiêu chuẩn Froude 2.3.5. Kiểm định mô hình thí nghiệm 2.3.5.1. Hiệu chỉnh, kiểm định đầu đo sóng Quy trình kiểm định, gồm hai phương pháp [68]: (1) Phương pháp chỉnh khô: Chập dây cảm biến với khung cảm biến tại 1 vị trí cụ thể, quan sát điện áp đầu ra  Di chuyển điểm chập trên dây cảm biến 1 khoảng chính xác  Kết quả là sự thay đổi điện áp đầu ra sẽ bằng đúng 2 lần khoảng thấy được khi đầu đo vận hành trong môi trường nước  Điều chỉnh chiết áp khuyếch đại VR3 nếu cần. Lặp lại các bước từ 1  4 cho cho đến khi độ nhạy chính xác gấp 2 lần độ nhạy mong muốn trong vận hành. (2) Phương pháp chỉnh ướt: Chú ý đo điện áp đầu ra  Tăng hoặc giảm mực nước (tăng hoặc giảm mức cơ học của giá đỡ đầu đo) 1 khoảng chính xác, quan sát thay đổi đầu ra  Điều chỉnh chiết áp khuyếch đại VR3 nếu cần. Lặp lại các bước từ 1 3 cho đến khi quan sát được độ nhạy mong muốn. Các đầu đo sóng được bố trí như trong hình 2.10. Đầu đo W1 để đo sóng đầu vào bố trí cách bảng sóng một khoảng d > 2,5 lần chiều dài con sóng trên mô hình, 40 nơi mà con sóng đã ổn định. Với trường hợp độ cao sóng thí nghiệm lớn nhất ngoài thực tế hs-max = 2,70m, chu kỳ sóng khoảng 10s, độ dài sóng thực tế λ ≈ 50m, tức độ dài sóng trên mô hình lớn nhất λ m = 50/20 = 2,5m. Vậy, để đảm bảo sự ổn định của sóng đầu vào ta chọn d = 8,0m trên mô hình, tại vị trí có độ sâu 0,5 - 0,6m (10 ÷ 12m ngoài thực địa). Các thông số sóng phân tích tại đầu đo W1 được dùng làm các thông số sóng đầu vào cho thí nghiệm. Đầu đo W2 được bố trí ở vị trí giữa bãi (cách đều các đầu đo W3 và W4 về hai phía), các đầu đo W3 và W4 được bố trí tại các vị trí trước và sau đê ngầm giảm sóng, cách chân đê một khoảng bằng 1/2 lần bước sóng tới (Zelt và Skjelbreia, 1992). Hình 2.10. Mô phỏng vị trí đặt các đầu đo sóng trong mô hình thí nghiệm Sử dụng phương pháp kiểm định ướt, các đầu đo được hiệu chỉnh tuyến tính, đường kiểm định của các đầu đo thể hiện trong Hình 2.11. Wave1 Calibratio n Wave2 calib ration 0 -25 -20 -15 -10 -5 0 -0.2 0 -25 -20 -15 -10 -0.4 -0.6 Series1 -0.8 Volts Volts -1 -1 -1.2 -1.2 -1.4 -1.4 -1.6 -1.6 -1.8 Hw (cm ) -0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 -5 -1.8 Hw (cm ) Series1 41 Wave3 Calibratio n Wave4 Calibratio n 0 -20 -1 5 -10 -5 -25 -20 -15 -10 -5 -0.2 0 -0.4 -0.4 -0.6 -0.6 -0.8 Volts 0 -0.2 0 -1 -0.8 Volts -25 Series1 -1 -1.2 -1.2 -1.4 -1.4 -1.6 -1.6 -1.8 Series1 -1.8 Hw (cm) Hw (cm ) Hình 2.11. Các biểu đồ kiểm định đầu đo Kết quả cho thấy các đầu đo đều đảm bảo độ tuyến tính cho phép của nhà sản xuất và có thể đưa vào phục vụ thí nghiệm. 2.3.5.2. Kiểm định sóng đầu vào: Sóng đo ở đầu đo W1 được phân tích bằng phần mềm Anasys [68], bao gồm: - Kết quả các thông số sóng trong miền thời gian: H1/ 3 , T1/3 , Hmean (trung bình), Tmean (TB), Hmax , Tmax , H1/ 10 , T1/10 , Hrms (căn bậc 2), Trms (căn bậc 2). - Kết quả các thông số sóng trong miền tần số: Hm0 (g iá trị ước tính của độ cao sóng có nghĩa dựa trên phổ), Tpeak=1/fpeak , Tm0,1 (chu kỳ TB, xác định bởi m0 /m1 ). - Việc phân tích miền thời gian cho các kết quả sau đây: Miền thời gian của các thông số sóng, hàm mật độ xác xuất Rayleigh, hàm phân bố lũy tích Rayleigh. - Việc phân tích miền tần số cho các kết quả: miền tần số của các thông số sóng, phổ mật độ biến đổi. Phổ sóng đo tại đầu W1 với mực nước +15cm (3,0m thực địa), Hs = 0,0715m (1,43m thực tế) và chu kỳ T = 1,43s (5,84s thực tế) được đem so sánh kiểm định với phổ sóng đo đạc thực tế tại Hải Hậu (xem Hình 2.12a và Hình 2.12b). Hình 2.12a. Phổ sóng đưa vào kiểm định Hình 2.12b. So sánh phổ sóng kiểm định và phổ sóng thực đo tại Hải Hậu 42 Kết quả so sánh cho thấy hệ thống đã tạo được sóng trong phòng thí nghiệm khá phù hợp với số liệu thực đo, hoàn toàn có thể đưa hệ thống vào thí nghiệm. 2.3.6. Các phương án thí nghiệm Luận án s ử dụng phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý nhằm để lựa chọn các tham số công trình (công trình đê ngầm phá sóng) mà mô hình toán sẽ gặp rất nhiều khó khăn hoặc không thể giải quyết được, cụ thể là các tham số: Cao trình đỉnh đê ngầm (∆); Bề rộng đỉnh đê ngầm (B); Mái dốc đê ngầm (m). Các kịch bản thí nghiệm được tiến hành với những tổ hợp của các cấp mực nước và sóng đã lựa chọn trong các bảng (2.2 và 2.3) ở trên. 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH TOÁN Ứng dụng mô hình GENESIS để tính toán, dự báo diễn biến đường bờ biển Hải Hậu trước và sau khi có công trình giảm sóng, tạo bồi. Ứng dụng mô hình MIKE21, STWAVE tính trường phân bố năng lượng sóng ven bờ và tương tác giữa sóng và công trình. Tính toán vận chuyển bùn cát, diễn biến bãi biển Hải Hậu trước và sau khi có công trình chỉ trị. 2.4.1. Giới thiệu mô hình tính biến đổi đường bờ GENES IS 2.4.1.1. Các giả thiết cơ bản của mô hình: Trong mô hình GENESIS trắc diện (profile) của bờ biển khi dịch chuyển về phía đất liền hay về phía biển đều không thay đổi. Vì thế người ta có thể sử dụng một đường đồng mức để mô tả sự biến đổi hình dạng và vị trí của đường bờ, do đó GENESIS còn gọi là mô hình “một đường” (one-line model) [10], [57]. Giới hạn dịch chuyển của trắc diện bờ (phía biển và đất liền) phải được xác định rõ ràng và không biến đổi theo thời gian. Việc xác định giới hạn về phía đất liền có thể tiến hành được một cách trực tiếp nhưng đối với giới hạn về phía biển thì rất khó khăn vì nó còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đặc biệt là các quá trình thuỷ động lực. Trong tính toán suất vận chuyển bùn cát, GENESIS coi suất vận chuyển là một hàm của độ cao sóng vỡ và hướng dọc theo bờ. Vận chuyển vuông góc với bờ không được tính tới trong mô hình. 43 Nên áp dụng mô hình tính cho những khu vực có quá trình diễn biến đường bờ dài hạn để có thể dự báo một cách rõ ràng sự biến đổi đường bờ và tách riêng những dịch chuyển có tính ngẫu nhiên và chu kỳ (bão, các dao động thuỷ triều). 2.4.1.2. Các phương trình cơ bản: Phương trình cơ bản trong mô hình GENESIS chủ yếu dựa trên phương trình bảo toàn thể tích trầm tích được thiết lập theo những giả thiết đã được đề cập ở trên. Sơ đồ tính toán và các đại lượng được thể hiện qua hai hình 2.13 và 2.14 [10]. Hình 2.13. Mặt cắt theo phương ngang Hình 2.14. Mặt cắt thẳng đứng Trong đó: x : độ dài đoạn biến đổi dọc theo đường bờ (trục X hướng dọc theo đường bờ) y : độ dài đoạn biến đổi vị trí đường bờ (trục Y hướng từ bờ ra khơi) t : khoảng thời gian lượng trầm tích tĩnh đi vào hoặc ra khỏi trắc diện thể tích DC : độ sâu kết thúc biến đổi mặt cắt (depth closure) DB : độ cao mặt cắt bãi cát (đỉnh của gò cát nổi hiện tại ở bãi trước) (chú ý rằng cả DC và DB đều được đo từ cùng một mốc ví dụ như mực nước biển trung bình) Q : suất vận chuyển trầm tích, q s : suất vận chuyển của nguồn từ bờ q o : suất vận chuyển của nguồn từ vùng ngoài khơi, Thể tích bùn cát biến đổi trong một đoạn được xác định là lượng bùn cát vào hoặc ra khỏi đoạn đó qua bốn mặt tiết diện với công thức có dạng: V  x yD c  DB  (2.24) Khi có sự chênh lệch về suất vận chuyển dọc bờ Q tại mặt bên của đoạn (có sự bổ sung thêm lượng bùn cát) thì thể tích trầm tích trong đoạn đang xét sẽ thay đổi và khi đó biến đổi thể tích tổng cộng được tính theo công thức:  Q  t    Q /  x  x t (2.25) 44 Một số nguồn bổ sung có thể đến từ phía đất liền (qs ) hoặc từ phía biển (qo ) làm cho thể tích trầm tích có thể tăng lên hay giảm đi. Biến đổi thể tích do nguồn bổ sung được tính theo công thức: qxt, trong đó q = qs + qo . Từ các phương trình (2.24) và (2.25) ta có được phương trình cân bằng sau: V  xyDc  DB   Q / x xt  qxt (2.26) Sắp xếp lại các số hạng và cho t → 0 ta có phương trình mô tả tốc độ dịch chuyển vị trí đường bờ theo thời gian: 1 y  Q     q  0 t DC  DB  x  (2.27) Như vậy, để giải được phương trình (2.27) thì vị trí ban đầu của đường bờ, các điều kiện biên và các giá trị Q, q, DB và DC cần phải được cho trước. Trong mô hình GENESIS, s uất vận chuyển trầm tích Q được tính dựa trên phương pháp dòng năng lượng theo công thức sau: dH bs   Ql  Hbs2 C gb  a1 sin 2 bs  a2 cos bs  dx   (2.28) trong đó: Hbs - độ cao sóng (m); Cgb - vận tốc nhóm sóng theo lý thuyết sóng tuyến tính (m/s ); bs - góc sóng vỡ tạo với đường bờ địa phương; b- chỉ số thể hiện điều kiện sóng đổ. Các tham số vô hướng a1 và a2 được cho như sau: a1  a2  K1 5   16  s  1  1  n m 1.416  2   K2 7   8 s  1 1  nm 1.416  2    (2.29) (2.30) với m là độ dốc trung bình của đáy kéo dài từ đường bờ cho tới độ sâu hoạt động của quá trình vận chuyển trầm tích; K1, K2 được coi như là các tham số để hiệu chỉnh (thông thường K2 bằng 0,5 ÷ 1,0 lần K1 , nếu K2 > 1,0K1 thì độ bất ổn định số sẽ xuất hiện); s là khối lượng riêng của cát (2,65.103 kg/m3 đối với thạch anh),  khối lượng riêng nước biển (1,03.103 kg/m3 ); n là tính thấm của cát nền đáy (lấy bằng 0,4). Giá trị của hệ số K1 thường được lấy trong khoảng từ 0,58 - 0,77. 45 2.4.1.3. Các điều kiện biên và ràng buộc GENESIS yêu cầu cung cấp các giá trị của Q tại hai phía (hai cạnh ô 1 và ô N + 1) tại mỗi lớp thời gian. Vai trò quan trọng của điều kiện ở chỗ nó trực tiếp chi phối vị trí đường bờ tính toán được trên lưới sai phân. Dưới đây, các điều kiện thường dùng sẽ được xét đến [10]. 1) Điều kiện biên “bãi cố định”: Trước khi chạy mô hình nên vạch ra tất cả các đường bờ thực đo, trong nhiều trường hợp ta có thể phát hiện ra 1 đoạn bờ biển khá xa khu vực cần tính toán, mà ở đó đường bờ biến đổi không đáng kể theo thời gian. Có thể vị trí biên của mô hình tại đây, và ta nói đường bờ được “ghim cố định”, nếu xét về vận chuyển bùn cát thì: Q1 = Q2 , đối với biên trái QN+1 = QN , đối với biên phải (2.31) tại biên ∆Q = 0 thì ∆y = 0; nghĩa là v ị trí đường bờ không đổi. Biên loại này cần được đặt đủ xa công trình sao cho vùng gần biên không bị ảnh hưởng bởi những nhiễu động gây ra bởi công trình. 2) Điều kiện biên cửa ngăn: Mỏ hàn biển, jetty, đê chắn sóng liền bờ và các mũi đất đóng vai trò ngăn chặn một phần hoặc toàn bộ dòng vận chuyển cát dọc bờ, có thể được coi là một biên của mô hình nếu như một trong hai đầu lưới sai phân. Nếu ở trong lưới, các công trình đóng vai trò hạn chế vận chuyển bùn cát và được tự động tính trong GENESIS. Các công trình được hàm hoá dưới dạng bùn cát vận chuyển qua nó. Cần xét cả lượng cát vào và ra khỏi đoạn lưới có công trình. Do vậy, công trình luôn đóng một vai trò “cánh cửa” một chiều, chỉ cho cát ra khỏi chứ không cho vào đoạn lưới. Vấn đề diễn toán điều kiện biên “dạng cửa” quy về việc biểu diễn bùn cát vòng qua đầu công trình và qua đỉnh công trình. 46 Hình 2.15. Sơ đồ tính toán của mô hình GENESIS 2.4.2. Giới thiệu mô hình MIKE 21FM Trong luận án, tác giả sử dụng mô đun liên hợp, kết hợp 3 mô đun tính sóng (Mike21SW), dòng chảy (Mike21HD) và vận chuyển bùn cát (Mike21ST). Các mô đun này đều sử dụng lưới phi cấu trúc (phần tử tam giác không đều) phù hợp tốt với các dạng đường bờ và địa hình phức tạp. 2.4.2.1. Cơ sở lý thuyết của mô đun tính sóng Mike21 SW Mike21 SW [76] được áp dụng cho việc mô phỏng và phân tích sóng với các quy mô khác nhau. Quy mô nhỏ gắn liền với hệ tọa độ Đề Các, quy mô lớn gắn liền với hệ tọa độ cầu. (1)- Các phương trình cơ bản: Động lực sóng trọng lực được mô tả bởi phương trình truyền tải mật độ tác động sóng. Phổ mật độ tác động sóng là hàm của 2 tham số pha sóng biến đổi theo thời gian và không gian. Mật độ tác động sóng N ( , ) quan hệ với mật độ năng lượng Q( , ) theo biểu thức: N  E  (2.32) 47 Đối với sóng lan truyền trên độ sâu và dòng chảy biến đổi nhỏ thì quan hệ giữa tần số góc tương đối và tần số góc tuyệt đối  được xác định theo biểu thức tán xạ tuyến tính sau:   gk tanh(kd )   k .U (2.33) với: g- gia tốc trọng trường, d- độ sâu, U - véc tơ vận tốc dòng chảy, Vận tốc nhóm sóng cg có quan hệ với vận tốc dòng chảy theo biểu thức: cg   1  2kd     1  k 2  sinh( 2kd)  k (2.34) Vận tốc pha sóng có quan hệ với vận tốc dòng chảy bởi biểu thức sau: c  (2.35) k Phổ tần số được giới hạn theo giải tần số từ tần số min đến tần số max. Phần trên tần số ngưỡng của miền xác định trước thì phần tham số được áp dụng.     E  ,    E  m ax,     m ax  m (2.36) với m là hằng số (trong mô hình này, m = 5), tần số ngưỡng được xác định bởi:  cut off  min  m ax , max 2.5 ,  PM  với  là tần số trung bình và  PM  (2.37) g là tần số đỉnh phổ Pierson-Moskowitz 28U 10 đối với sóng phát triển hoàn toàn, U10 là tốc độ gió ở độ cao 10m so với mực biển trung bình. (2)- Phương trình bảo toàn tác động sóng: Trong phần này, chỉ xét các phương trình đối với hệ tọa độ Đề Các. Phương trình tổng quát là phương trình cân bằng tác động sóng, có dạng:   (2.38) Trong đó, N x,  ,  , t  là mật độ tác động, t là thời gian, x   x, y  là tọa độ N S  . v. N  t  Đề các, v  vcx , c y , c , c  là tốc độ lan truyền của nhóm sóng, S là số hạng nguồn 48 trong phương trình cân bằng năng lượng,  là toán tử đạo hàm riêng trong không gian x,  ,  . Bốn đặc trưng của tốc độ lan truyền được xác định bởi: c x , cy   dx  cg  U dt (2.39) c  d    dt d c  U  d 1    d k     S  dt k   d m U   d U d  c k .   g  t x  S   (2.40) (2.41) trong đó: s là tọa độ không gian theo hướng sóng  và m là tọa độ vuông góc với s.  x là toán tử đạo hàm riêng theo hai biến của x  ( x , y ) . (3)- Điều kiện biên: - Các biên đất, điều kiện biên hấp thụ hoàn toàn được áp dụng. - Tại biên lỏng (biên mở), cho điều kiện đầu vào của sóng (chỉ xét với sóng truyền vào miền tính, sóng truyền từ trong miền tính ra ngoài coi như truyền tự do). Phổ năng lượng được xác định tại các biên lỏng. 2.4.2.2. Cơ sở lý thuyết của mô đun dòng chảy Mike21 HD: Mô đun MIKE 21 HD [74] tính toán dòng chảy hai chiều (2D) bằng phương pháp phần tử hữu hạn không đều để giải hệ phương trình nước nông 2D. Hệ phương trình nước nông 2D gồm có phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng, phương trình chuyển động của chất lỏng (bảo toàn động lượng), và các phương trình khép kín khác như phương trình nhiệt độ, độ muối, mật độ. h hU  hV  hS   y t x (1)- Phương trình liên tục: (2.42) với: U, V là các thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu của các thành phần vận tốc u, v theo các hướng toạ độ x, y, được xác định theo công thức: U  1 udz , h d V  1 vdz h d h = η + d (độ sâu tổng cộng = tổng của mực nước (η) và độ sâu (d) (2.43) 49 (2)- Các phương trình động lượng: h  pa gh 2    hUV    fVh  gh    y  x  0 x 2 0 x   S xx S xy      hTxx   hTxy   hU s S  y  0  x x   x (2.44) hV hV 2  hUV h  pa gh 2       fUh  gh    t x y y  0  y 2 0 y  sy  by 1   S xx S xy       hTxy   hT yy   hVs S     0  0  0  x y x   x (2.45) hU hU 2  t x  sx  bx 1   0 0 với Txx Tyy Txy là các thành phần ứng suất nhớt tổng cộng. Các thành phần nhớt tổng cộng được tính theo công công thức dựa trên biến thiên vận tốc ngang theo độ sâu: T xx  2 A U , x T yy  2 A V , y   U V  T xy  A   y y     (2.46) S là tần suất của lưu lượng từ nguồn điểm; Us , V s là các thành phần tốc độ từ nguồn điểm; g là gia tốc trọng trường; t là thời gian; x, y là tọa độ Đề Các;  là dao động mực nước; d là độ sâu; h= +d là chiều cao cột nước; f = 2 sin  là tham số Coriolis; θ là vĩ độ địa lý;  là mật độ nước; pa là áp suất khí quyển; o là mật độ tiêu chuẩn. Với các tính toán hai chiều U là vận tốc trung bình theo độ sâu và hệ số kháng đáy có thể được xác định từ số Chezy C hay số Manning M: cf  g , C2 cf  g Mh  1 /6 2 (2.47) (3)- Điều kiện biên: Biên đất: Dọc theo biên đất, thông lượng được gán bằng không (0) đối với tất cả các giá trị. Với phương trình động lượng điều này gây ra sự trượt toàn phần dọc theo biên đất. Biên mở: Điều kiện biên mở có thể được xác định cả dưới dạng lưu lượng, giá trị vận tốc dòng chảy hoặc mực nước cho các phương trình thủy động lực. Đối các biên vận tốc dòng chảy và mực nước thì giá trị trên biên có thể là hằng số, biến đổi 50 theo thời gian nhưng cố định dọc biên, hoặc vừa biến đổi theo thời gian vừa biến đổi dọc biên. 2.4.2.3. Cơ sở lý thuyết của mô đun tính vận chuyển trầm tích Mike 21 ST Mô đun tính vận chuyển bùn cát [75] được xây dựng dựa trên hai loại vận chuyển: Vận chuyển do dòng chảy và Vận chuyển do sự kết hợp giữa sóng và dòng chảy. Trong nghiên cứu này chỉ xem xét với sự vận chuyển gây ra do sự kết hợp giữa sóng và dòng chảy. Với sự kết hợp của sóng và dòng chảy, thông lượng vận chuyển trầm tích được xét là tổng của vận chuyển di đáy và vận chuyển lơ lửng theo phương pháp của Bijker: q t = q b + q s = qb(1+1,83Q) (2.48) Trong đó: Q là đại lượng phi thứ nguyên được tính theo công thức:    33 h  Q   I1 ln   I2  r    (2.49) với h là độ sâu, r là độ nhám đáy, I1 , I2 là các biến nguyên Enstein được định lượng * theo các đại lượng phi thứ nguyên A = r/h và z* : z  w U f ,wc (2.50) trong đó, w là tốc độ lắng đọng của trầm tích lơ lửng κ là hằng số Von Karman, Uf,wc là vận tốc trượt do sự kết hợp sóng và dòng chảy. Ảnh hưởng của sóng đến trầm tích lơ lửng được tính thông qua vận tốc trượt Uf,wc: U f ,wc  U f ,c       gV 1  ub  1  ub  1     1    2 V  C 2 V      2 (2.51)  với Uf,c là vận tốc trượt do dòng chảy, V là vận tốc trung bình theo độ sâu U, u b là biên độ của vậ tốc tại đáy phát sinh do sóng, ξ là đại lượng phi thứ nguyên biểu diễn theo hệ số ma sát sóng fw và hệ số Chezy:  C fw 2g 0 ,194    ab  Với: f w  exp  5,977  5,213   r    (2.52) nếu 1,47 < a b/r 0,75m, 66 bởi với chiều cao sóng > 0,75m mới có khả năng gây vận chuyển cát một cách đáng kể tại khu vực nghiên cứu [1] và truyền từ ngoài khơi vào bờ (hướng sóng nằm trong giới hạn từ 450 ÷ 1350 ). Vì vậy, các phương án (PA) tính toán được xét theo các tham số sóng đầu vào tại biên ngoài khơi như trong bảng 2.7. Bảng 2.7. Các phương án đưa vào để tính toán PA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 S ố lấn xuất hiện 3365 849 294 341 18 66 4 83 30 73 19 8 3 34 9 20 43 12 74 31 81 21 Độ cao sóng-Hs(m) 0,76 1,19 1,45 1,77 2,35 3,36 7,37 1,22 1,42 1,83 1,20 1,51 1,62 2,30 8,83 1,13 1,48 1,76 2,98 1,16 1,43 1,91 Chu kỳ sóng-Ts(s) Hướng sóng-θ(0) 3,7 45 3,7 45 5,7 45 5,7 45 5,7 45 5,7 45 11,4 45 3,1 68 5,6 68 5,6 68 3,0 90 5,7 90 5,7 90 5,7 90 12,3 90 3,1 113 5,6 113 5,6 113 5,6 113 3,2 135 5,7 135 5,7 135 Riêng với phương án tính toán sóng trong bão lựa chọn tính với cơn bão thực tế, bão Damrey (9/2005) là cơn bão trực tiếp tác động đến khu vực Hải Hậu và gây xó i lở nghiêm trọng. Các dữ liệu về sóng trong bão được kế thừa từ kết quả luận văn thạc sĩ của chính tác giả đã thực hiện [18]. Tương ứng với các phương án tính sóng là các phương án tính dòng chảy sóng và tính vận chuyển trầm tích. 2. Tính toán trường dòng chảy sóng: Trong mô đun tính dòng chảy Mike21 HD FM, tại các biên lỏng (biên phía Bắc, biên phía Nam, biên ngoài khơi) cho mực nước triều trung bình (Htb = 1,86m). 67 Bỏ qua tác động phát sinh do gió, chênh lệch áp suất khí quyển,... chỉ giữ lại thành phần tác động do ứng suất bức xạ sóng. Các phương án tính dòng chảy do sóng cũng là các phương án tính sóng tương ứng trong Bảng 2.7. 3. Tính toán vận chuyển trầm tích: - Các phương án tính vận chuyển trầm tích cũng là các phương án tính sóng như trong Bảng 2.7. Trong giới hạn được xét, dòng chảy sóng chủ yếu hướng xuống phía Nam, do vậy bỏ qua lượng trầm tích từ các cửa sông phía Nam đổ ra biển. - Điều kiện biên: Trong tính toán vận chuyển trầm tích, các biên lỏng áp dụng là điều kiện cân bằng nồng độ. - Các tham số trầm tích: Kích thước hạt cát: d 50 = 0,14mm; Độ chọn lọc của cát: σ = 1,4. 2.4.4.4. Các phương án tính toán trong luận án: - Tính toán diễn biến các chế độ động lực và vận chuyển bùn cát trong điều kiện bãi tự nhiên ứng với 22 phương án (PA) đã lựa chọn (Bảng 2.7) để đánh giá, phân tích quá trình diễn biến bãi, bờ biển với các chế độ thủy động lực (sóng đầu vào) khác nhau sẽ như thế nào và tính lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ Hải Hậu trong điều kiện bãi tự nhiên. - Tính toán với phương án công trình chỉnh trị đề xuất (xem Hình 2.19). Xem xét sự ảnh hưởng của hệ thống công trình chỉnh trị đến quá trình diễn biến bãi tại khu vực cần chỉnh trị từ đó có cơ sở phân tích, đánh giá hiệu quả và sự phù hợp của phương án công trình đề xuất. 2.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Để giải quyết vấn đề và mục tiêu đã đặt ra trong luận án, tác giả đã sử dụng kết hợp 3 phương pháp nghiên cứu chính đó là: Phương pháp khảo sát và thống kê phân tích số liệu thu thập; Phương pháp thí nghiệm trên mô hình vật lý và Phương pháp mô phỏng trên mô hình số trị. Mỗi một phương pháp này sẽ có những thế mạnh riêng, ứng dụng để giải quyết những vấn đề cần thiết và giữa chúng có sự liên hệ để phục vụ mục đích chung của luận án: - Phương pháp khảo sát và thống kê phân tích số liệu thu thập là một trong những phương pháp có độ tin cậy cao nhất, làm căn cứ để đưa ra các kết luận, phục 68 vụ cho nhiều mục đích. Luận án đã thu thập được một khối lượng lớn các tài liệu của những dự án, đề tài do chính đơn vị của nghiên cứu sinh đang công tác cũng như các đơn vị khác đã thực hiện tại khu vực Nam Định, đặc biệt là chuỗi số liệu đo đạc diễn biến bãi, bờ biển và dòng chảy ven, bùn cát từ cuối những năm 1970 đến nay. Từ các số liệu này, đã phân tích để bước đầu xác định một số quy luật diễn biến bãi, bờ biển và nguyên nhân gây mất ổn định bờ - bãi biển đối với vùng biển nghiên cứu. Các số liệu thống kê phân tích về thủy thạch, động lực vùng nghiên cứu cũng là những số liệu đầu vào phục vụ các phương pháp tính toán mô phỏng trên mô hình toán và thí nghiệm trên mô hình vật lý mà luận án đã lựa chọn. - Phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý đòi hỏi phải có những chi phí khá lớn, công phu và rất mất thời gian. Đặc biệt là thí nghiệm để thu được các kết quả về vận chuyển bùn cát, diễn biến hình thái ven biển là một trong những thí nghiệm rất khó, bởi vật liệu (bùn cát) dùng trong thí nghiệm và làm thỏa mãn được tính tương tự của chúng là điều rất khó khăn. Do vậy trong luận án, căn cứ vào khả năng đáp ứng của hệ thống thí nghiệm cũng như trong điều kiện cho phép. Luận án chỉ chú trọng đến việc thí nghiệm nhằm xác định quá trình giảm sóng của đê ngầm (hệ số Kt ) khi thay đổi các tham số như: cao trình đỉnh đê (∆), bề rộng đỉnh (B) và hệ số mái dốc (m) đối với chế độ động lực vùng biển Hải Hậu. Các hệ số lan truyền sóng (Kt ) sẽ được lựa chọn tương ứng với yêu cầu đầu vào theo các kịch bản đã đề ra của mô hình Genesis để phục vụ tính toán biến động đường bờ khi có công trình. Luận án đã lựa chọn hệ thống máng tạo sóng Flanders của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam để tiến hành thí nghiệm. Thiết bị thí nghiệm đã được hiệu chỉnh và kiểm định đạt kết quả tốt trước khi đưa vào thí nghiệm các kịch bản đã đề ra. - Mô hình toán có thể mô phỏng nhiều phương án khác nhau, rất thuận tiện và chi phí thấp hơn mô hình vật lý. Các kết quả mô phỏng là cơ sở để đánh giá, lựa chọn được phương án tối ưu. + Luận án ứng dụng mô hình GENESIS để tính toán ảnh hưởng của các tham số công trình thay đổi khác nhau (vị trí, kích thước, khoảng cách giữa các công trình với nhau) đến quá trình diễn biến đường bờ biển khu vực nghiên cứu. 69 + Ứng dụng mô hình MIKE21 FM để tính toán diễn biến bãi khi có hệ thống công trình chỉnh trị, đánh giá hiệu quả của công trình và so sánh xu thế xói, bồi với kết quả tính của mô hình GENESIS. Bên cạnh đó, những diễn biến bãi xung quanh công trình (nhất là các hố xói ở chân công trình) làm căn cứ đánh giá độ ổn định của công trình cũng như làm cơ sở cho thiết kế, gia cố chân công trình mà ở mô hình GENESIS không thể hiện được. Các mô hình này đều được hiệu chỉnh và kiểm định đảm bảo độ chính xác cao nhất trước khi đưa vào tính toán mô phỏng với các kịch bản đã đề ra. Nhìn chung, mỗi một phương pháp nghiên cứu áp dụng trong luận án đều có những thế mạnh riêng và được ứng dụng để giải quyết các vấn đề cụ thể nào đó. Tuy nhiên, giữa chúng lại có những sự liên kết, bổ trợ cho nhau để nhằm giải quyết mục tiêu chung mà luận án đã đặt ra. 70 CHƯƠNG 3 - NGUYÊN NHÂN VÀ ĐẶC ĐIỂM DIỄN B IẾN BỜ, BÃI VÀ MẶT CẮT NGANG BÃI VÙNG VEN BIỂN HẢI HẬU 3.1. DIỄN BIẾN HÌNH THÁI CÁC VÙNG CỬA SÔNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỔN ĐỊNH BỜ BIỂN HẢI HẬU 3.1.1. Diễn biến vùng cửa sông Ba Lạt, Sò, Lạch Giang và ảnh hưởng của chúng đến ổn định bờ, bãi biển Hải Hậu 3.1.1.1. Sông Sò và hoạt động bồi tụ của cửa Hà Lạn trong lịch sử cận đại Khoảng 200 năm trở về trước, sông Sò đã từng là sông lớn trong hệ thống sông Hồng. Cửa sông Sò (Hà Lạn) đã từng là cửa sông rộng, cung cấp lượng phù sa phong phú bồi đắp lên vùng đồng bằng khu vực Hải Hậu - Giao Thủy ngày nay [1], [24], [26], [54]. Đến nay sông đã hoàn toàn thoái hóa. Vai trò dẫn phù sa từ sông Hồng ra biển gần như mất hẳn. Hoạt động của sông Sò từ cuối thế kỷ 15 (khoảng năm 1500) đến cuối thế kỷ thứ 18 (năm 1787), phạm vi hoạt động của sông Sò mở rộng về phía Nam và được xác định rõ nét bởi đường bờ biển cổ, kéo dài từ phía nam thị trấn Ngô Đồng, qua thị trấn Quất Lâm, qua các xã Hải Đông, Hải Lý (Hải Hậu) theo phương gần 45o và uốn về phía tây với phương gần ở vĩ tuyến (xem các Hình 3.1 và 3.2). Hình 3.1. Vị trí đường bờ biển khu vực Hải Hậu vào cuối thế kỷ 15 (Nguồn: [26]) Hình 3.2. Vị trí đường bờ biển khu vực Hải Hậu vào cuối thế kỷ 18 (Nguồn: [26]) 71 Với sự tồn tại 2 đường bờ biển như vậy, có thể thấy rằng, vào thời gian đó (cách đây khoảng 500 năm), nhánh sông Hồng chảy theo hướng cửa Ba Lạt hiện nay là nhỏ, có lượng phù sa không lớn, không ảnh hưởng nhiều tới hình dạng đường bờ từ thị trấn Ngô Đồng tới gần thị trấn Quất Lâm hiện nay. Trong khi đó dòng chính của sông Hồng ở khu vực Xuân Trường - Giao Thủy là sông Sò với cửa Hà Lạn liên tục tiến ra phía biển, dù không lớn như sông Ninh Cơ và sông Đáy. Điều này cũng phù hợp với các ghi chép lịch sử của các địa phương. 3.1.1.2. Sự cố mở rộng đột biến cửa Ba Lạt và bồi lấp khu vực cửa Hà Lạn Hoạt động bồi tích của sông Sò giảm khá đột ngột cùng với thời điểm hình thành rõ nét đường bờ biển vào cuối thế kỷ thứ 18 [26], [54]. Từ thời điểm này trên dải ven biển huyện Hải Hậu, kéo dài từ xã Hải Lý qua các xã Hải Chính, Hải Triều tới thị trấn Thịnh Long lắng đọng chủ yếu là các trầm tích loại cát có nguồn gốc biển. Dải đất cát này ăn sâu vào đất liền từ 1,0km tới 2,0km. Hình 3.3. Sơ đồ đường bờ biển Hải Hậu hình thành ở các thời kỳ khác nhau (Nguồn: [26]) Thời điểm giảm đột ngột bồi tích của sông Sò cũng tương đối trùng hợp với thời điểm mở rộng đột biến cửa Ba Lạt. Hiện tượng mở rộng đột biến cửa Ba Lạt được các thư tịch cổ ghi lại và lưu truyền trong nhân dân địa phương với tên gọi “Ba Lạt phá hội”. Theo Địa chí Hải Hậu [26] vào năm 1787, lũ đặc biệt lớn trên sông Hồng đã mở toang cửa Ba Lạt vốn nhỏ hẹp để chảy thông ra biển. 72 Sông Sò từ vai trò sông chính đã chuyển sang thành sông nhánh, phụ và dần bị bồi lấp. Chỉ sau 14 năm sự cố "Ba Lạt phá hội", lòng sông ở phần thượng lưu đã bị thu hẹp gần 2,0km2 và bồi lấp tạo nên dải đất mới ven sông rộng khoảng 500 mẫu bắc bộ. Điều này được phản ảnh trong vụ tranh chấp dải đất mới và được ghi lại trong “Phù sa điền án” [26]. 3.1.1.3. Sông Ninh Cơ và diễn biến khu vực cửa Lạch Giang: Từ số liệu bình đồ, ảnh viễn thám chập nhiều năm nhận thấy diễn biến khu vực cửa Lạch Giang khá phức tạp [24], [26], [54], có một số đặc điểm đáng chú ý sau: - Phía Bắc cửa Lạch Giang, phía bờ biển Hải Hậu, đường đẳng sâu có xu thế chuyển dịch vào gần bờ. Trong vòng 20 năm (từ 1961 đến 1981), đường đồng mức 5,0m dịch vào bờ trung bình khoảng 700m. Trong 20 năm tiếp theo (1981 đến 2001), khoảng cách dịch chuyển trung bình của đường -5,0m xấp xỉ 525m. Với đường đồng mức 0,0m, kể từ năm 1961 đến 2001, đã lấn sâu vào bờ trung bình khoảng 250m. - Mũi Thịnh Long tiến xuống phía Nam với tốc độ nhanh chóng: + Từ năm 1961 đến 1995, tốc độ tiến về phía Nam của mũi Thịnh Long tương đối đều, mỗi năm khoảng (45  50)m, trong vòng 34 năm khoảng cách lấn tổng cộng tới gần 1650m. + Nhưng chỉ riêng trong vòng 6 năm, từ năm 1995 đến 2001, mũi Thịnh Long lấn xuống phía Nam với tốc độ khá lớn. Khoảng cách lấn tới 892m, trung bình mỗi năm lấn khoảng 148m. + Thời kỳ 2001 - 2005: Mũi Thịnh Long có xu hướng xó i dần vào đất liền (lùi về phía Hải Thịnh), trong 4 năm lùi sâu vào khoảng 430m trung bình 105 m/năm. + Tiếp theo, thời kỳ 2005 - 2011: Mũi Thịnh Long tiếp tục bị lấn vào theo hướng Đông Bắc khoảng 570m tức khoảng 90m/năm. Có thế kết luận giai đoạn từ năm 2001 đến 2011 mũ i Thịnh Long có xu thế chung là lùi lên phía Đông Bắc, đây là thời kỳ mũi lùi sâu vào phía Hải Thịnh khác với thời kỳ từ năm 1912 - 2001 là thời kì tiến ra biển theo phía sang Nghĩa Hưng. 73 Hình 3.4. Biến động cửa Lạch Giang qua chập ảnh viễn thám qua các thời kỳ 3.1.2. Xu thế bồi tụ - xói lở khu vực Hải Hậu trong thời kỳ cận đại: Trước khi có sự kiện mở rộng đột biến cửa Ba Lạt, khu vực Hải Hậu được bồi tích chủ yếu bởi hai sông Sò và Ninh Cơ. Trên dải rộng gần 20km giữa 2 sông, trong khoảng 300 năm, đất liền đã tiến ra biển gần 10km. Tốc độ tiến ra biển của cả khu vực là trên 30m/năm. Sản phẩm bồi tích chủ yếu là đất loại sét [11], [15], [22], [32], [34]. 74 Từ khi dòng chính sông Hồng chuyển về cửa Ba Lạt, sông Sò bị thu hẹp, khu vực trầm tích ở Hải Hậu bắt đầu có những thay đổi rõ nét. Lòng sông Ninh Cơ dịch chuyển dần sang phía Đông. Bờ biển phía Đông cũng lùi dần về phía Tây. Điều đáng lưu ý hơn cả là từ thời điểm này trở đi (từ khoảng năm 1787), ở bờ biển Hải Hậu, suốt một dải từ xã Hải Lý cho tới thị trấn Thịnh Long, dài gần 20 km, rộng 1-2 km, chỉ lắng đọng các trầm tích loại cát. Khu vực ven biển Hải Hậu chuyển sang chế độ bồi tụ - xói lở mới. Đó là chế độ thống trị của biển với tác động của sóng là chủ yếu. Về phương diện bồi tụ, kết hợp song song với bồi tích của sông Ninh Cơ, biển đã hình thành nên dải cát rộng ven biển. Trong khi đó, quá trình xói lở cũng bắt đầu từ khi sông Sò giảm chức năng vận chuyển phù sa ra biển. Quá trình này khởi đầu từ khu vực các xã Hải Đông, Hải Lý, nơi bồi tích của sông Sò dưới dạng vùng đất sét và sét pha nhô ra phía Đông nhiều nhất. Theo nhân dân địa phương, mũi nhô này cách bờ biển hiện nay khoảng 3 - 5km. Chứng tích về mũi nhô này là đoạn bãi biển đất sét pha đang bị xói lở hiện nay nằm giữa xã Hải Đông và Hải Lý. Xu thế xói lở lan truyền dần về phía Nam, tiếp diễn cho đến hiện nay nhằm tạo nên dạng đường bờ ổn định, cân bằng tương đối dưới các tác động của các nhân tố tự nhiên cũng như con người. Thời gian tồn tại của chúng kéo dài từ đầu thề kỷ 15 tới cuối thế kỷ 18, khoảng gần 400 năm. Chỉ khi cửa Ba Lạt mở rộng thì đường bờ mới được thiết lập mới, đường bờ cổ này có chiều dài hơn 12km và có dạng gần thẳng. Các con đê đắp năm 1899 và 1927 giúp con người lấn thêm ra biển được chừng 7,5km trong vòng 97 năm. Nhưng từ năm 1927 đến 1959 tức là chỉ vòng 32 năm cũng lấn ra được khoảng chừng ấy đất. 3.2. PHÂN TÍCH DIỄN BIẾN, XÁC ĐỊNH DẠNG MẶT CẮT BÃI ĐẶC TRƯNG CHO KHU VỰC HẢI HẬU QUA SỐ LIỆU THỰC ĐO Dữ liệu thực đo tại khu vực Hải Hậu - Nam Định từ năm 1985 đến 2010 được thực hiện bởi Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. Đồng thời với đo mặt cắt bãi là thu thập các mẫu cát đáy để phân tích đường kính hạt tại khu vực nghiên cứu (d10 , d 50 , d 90 ,…) [40], [41], [42], [43], [46]. 75 Dữ liệu về mặt cắt thực tế được đo đạc gồm 15 mặt cắt trải dọc bờ biển từ cửa Hà Lạn đến cửa Lạch Giang, tuy nhiên để đảm bảo tính đồng bộ dữ liệu trên toàn bộ thời kì 1985 - 2010, ở đây lựa chọn 3 mặt cắt điển hình đặc trưng cho khu vực Hải Hậu là HH01, HH02, HH03 như trình bày trong hình 3.5. Hình 3.5. Sơ đồ mặt cắt bãi đại diện khu vực Hải Hậu-Nam Định MC HH01 gần cống Doanh Châu (phía Bắc Hải Hậu), MC HH02 thuộc thôn Xuân Trung xã Hải Hòa (giữa Hải Hậu), HH03 nằm sát cửa Lạch Giang (nam Hải Hậu). Chi tiết vị trí các điểm đặt mốc mặt cắt, cao trình đỉnh mốc ngoài thực địa được thể hiện trong bảng 3.1 dưới đây. Bảng 3.1. Tọa độ vị trí các điểm đặt mốc mặt cắt ngoài thực địa TT 1 2 3 Tên Mặt cắt HH01 HH02 HH03 Tên mốc M13 M20 M25 X 2227606,231 2219127,108 2213384,880 Z (cao độ đỉnh mốc) 638341,091 +4,754m 631261,952 +5,235m 626384,508 +5,394m Y 3.2.1. Phân tích một số quy luật biến động mặt cắt bãi biển thực tế theo từng thời kỳ Khi tiến hành chập các mặt cắt đo đạc thực tế theo từng thời kỳ ta sẽ thu được bức tranh về diễn biến mặt cắt bãi biển từ 1985 cho đến 2010 của khu vực Hải Hậu. Trong các Hình 3.6 ÷ 3.8 dưới đây là diễn biến tại mặt cắt HH02 (giữa Hải Hậu) theo ba thời kỳ 1985 ÷1 990, 1990 ÷ 1995 và 2005 ÷ 2010. Diễn biến các mặt cắt HH01 và HH03 của khu vực Hải Hậu được thể hiện trong Phụ lục 1 của luận án. 76 2.0 4/8/1977 7/1985 11/1985 1/1986 4/1986 8/1986 11/1986 8/1987 9/1989 1/1990 1.5 Cao độ (m) 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 K/c cộng dồn (m) -2.0 1 51 101 151 Hình 3.6. Diễn biến mặt cắt HH02 thời kì 1985 ÷ 1990 1.0 10/1991 0.5 12/1992 Cao độ (m) 0.0 10/1993 -0.5 12/1993 -1.0 6/1994 -1.5 11/1994 K/c cộng dồn(m) -2.0 0 50 100 150 200 Hình 3.7. Diễn biến mặt cắt HH02 thời kì 1990 ÷ 1995 1.0 10/2005 4/ 2006 10/2006 4/2007 10/2007 4/2008 10/2008 10/2009 4/2009 4/2010 10/2010 0.0 -1.0 Cao độ (m) -2.0 -3.0 -4.0 -5.0 K/c cộng dồn (m) -6.0 0 200 400 600 800 1000 1200 Hình 3.8. Diễn biến mặt cắt HH02 thời kì 2005÷2010 Từ số liệu thực đo về diễn biến mặt cắt bãi tại Hải Hậu theo các thời kỳ, bước đầu có thể đưa ra những nhận xét về một số quy luật biến động chung của bãi biển tại đây như sau: 77 - Vào thời kỳ gió mùa Tây Nam thịnh hành (mùa Hè) toàn bãi thường được bồi với chiều dày trung bình khoảng 0,10 - 0,15m, lớn nhất khoảng 0,25 - 0,30m. Thời kỳ gió mùa Đông Bắc thịnh hành (tháng 10 năm trước đến tháng 4 năm sau, mùa Đông) bãi bị xó i khá mạnh, chiều dày lớp xói tại những mặt cắt dao động trung bình từ 0,4 - 0,5m, lớn nhất đạt từ 0,8 - 1,0m, ví dụ tại mặt cắt số HH02 (Xem các hình 3.9 a, b, c). 2.0 Cao độ (m) 1.5 1.0 0.5 4/1986 0.0 11/1986 -0.5 -1.0 K/c cộng dồn (m) -1.5 0 50 100 150 200 Hình 3.9a. Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác nhau năm 1986 1.0 Cao độ (m) 0.5 0.0 6/1994 -0.5 11/1994 -1.0 -1.5 K/c cộng dồn(m) -2.0 0 50 100 150 200 Hình 3.9b. Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác nhau năm 1994 0.0 Cao độ (m) -1.0 -2.0 4/2010 -3.0 10/2010 -4.0 K/c cộng dồn (m) -5.0 0 200 400 600 800 1000 Hình 3.9c. Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác nhau năm 2010 78 - Nếu bão xảy ra gặp lúc triều kém, nước ròng chỉ có quá trình xói bãi và quá trình xói bãi lúc này xảy ra mãnh liệt hơn nhiều so với lúc triều cường nước lớn. Nếu bão xảy ra gặp lúc triều cường, nước lớn quá trình xói bãi và xói lở đê kè xảy ra đồng thời. Dưới tác động của bão, phần bãi ngoài xa hơn 100m (tính từ chân đê) bị biến động không lớn, chỉ có vùng sát chân đê bãi bị biến động mạnh nhất. - Bãi biển ngày càng bị thu hẹp là do tích luỹ của quá trình xói hàng năm mà mãnh liệt nhất là trong thời kỳ “Nước rươi” (đầu thời kỳ gió mùa Đông Bắc). - Qua phân tích tài các tài liệu nghiên cứu về không ảnh mới nhất thì chiều dài bờ biển xói mòn kéo dài từ cửa Hà Lạn đến Cồn Tròn. Tại khu vực này xảy ra sự mất cân bằng bùn cát nghiêm trọng. Từ số liệu đã đo đạc bùn cát của Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam cho thấy, đường kính trung bình hạt cát tại khu vực Hải Lý, Hải Chính, Hải Triều bị “thô hoá” so với thời kỳ 1975, cụ thể: d50 (1975) = 0,09mm, d 50 (1985) = 0,09 - 0,12mm và đến nay d50 (2009) = 0,14 - 0,16mm. Điều này nói lên rằng khu vực này lượng bùn cát bù đắp từ các cửa sông đến ngày càng ít đi. - Trong vòng 40 năm trở lại đây hiện tượng xói lở có xu hướng tiến dần về phía nam: những năm 1970 xung quanh khu vực Hải Lý, những năm 1980 - 2000 tiến xuống khu vực Hải Chính, Hải Triều và từ 1995 đến nay biến động xói bãi đã lan đến Hải Thịnh. 3.2.2. Mặt cắt ngang đặc trưng ven biển Hải Hậu - Nam Định Mặt cắt ngang bãi biển đặc trưng là những mặt cắt được hình thành, cấu tạo bởi các chế độ thủy thạch động lực điển hình tại khu vực đó. Việc đưa ra được phương trình, hình dạng, cấu tạo mặt cắt bãi đặc trưng và ứng với các chế độ thủy thạch động lực tại từng khu vực sẽ làm cơ sở để giúp các nhà thiết kế công trình lựa chọn, bố trí và thiết kế loại công trình chỉnh trị trên bãi (công trình giảm sóng, ngăn cát) phù hợp và phát huy hiệu quả đối với khu vực cần chỉnh trị [4], [59], [83]. 3.2.2.1. Lựa chọn dạng mặt cắt đặc trưng phù hợp với vùng nghiên cứu Ứng với những điều kiện nhất định của sóng, mực nước, dòng chảy, thủy triều và bùn cát sẽ tồn tại một hình dạng tương ứng của mặt cắt ngang bãi biển, mặt cắt đó gọi là mặt cắt ngang ở trạng thái cân bằng [78]. 79 Biểu thức toán học mô tả hình dạng bãi biển phổ biến nhất là biểu thức do Bruun và Dean xây dựng (mặt cắt ngang dạng Bruun/Dean) y(x)= A xρ (3.1) Trong đó: A: Hệ số kinh nghiệm thứ nguyên ρ: Hệ số mũ không thứ nguyên Bằng cách dùng phương pháp thống kê Bruun tìm ra được hệ số mũ ρ = 2/3 y(x)= A x2/3 (3.2) Trong đó: y: Độ sâu nước tại điểm x theo phương ngang từ mép nước A: Hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào các đặc điểm trầm tích Larson (1991) đề xuất hình dạng mặt cắt ngang thể hiện bởi phương trình sau y (x) = A (x + xs )2/ 3 (3.3) với xs - tham số biểu thị khoảng cách ngang, được lấy từ trường dữ liệu bằng cách sử dụng bình phương tối thiểu để giảm lỗi (Larson 1991). Hình dạng mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng được xem như là kết quả của sự cân bằng giữa các lực phá hoại và lực thành tạo nên mặt cắt ngang bãi biển. Hay nói cách khác nếu xét theo quan điểm vận chuyển bùn cát theo phương vuông góc với đường bờ thì mặt cắt ngang bãi biển sẽ đạt tới trạng thái cân bằng khi lượng vận chuyển bùn cát theo phương ngang bằng không. Trong điều kiện tự nhiên, khi các điều kiện biên như: sóng, mực nước, dòng chảy,… liên tục thay đổi theo thời gian thì các ảnh hưởng do chúng tạo nên đối với bãi biển sẽ rất khó đạt tới trạng thái cân bằng “tĩnh” mà chỉ có thể đạt tới trạng thái cân bằng “động” tương ứng với từng thời kỳ trong năm. Một mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng “động” có thể mô tả vắn tắt như sau: mặt cắt ngang ban đầu, sau khi có sự biến đổi của các điều kiện biên, sẽ có sự thay đổi về hình dạng. Trải qua một thời đoạn xác định, một hình dạng mặt cắt cuối cùng sẽ được xác lập với sự biến đổi rất nhỏ theo thời gian. Trong tự nhiên, có thể coi trạng thái cân bằng này là trạng thái cân bằng về mặt động lực của các lực 80 tác dụng, đối với trường sóng ngẫu nhiên và sự biến thiên liên tục của mực nước trong tự nhiên. Bằng cách lấy trung bình hóa các hình dạng mặt cắt trong một thời đoạn xác định, một hình dạng mặt cắt trung bình ở trạng thái cần bằng có thể được xác lập. Trong nghiên cứu của luận án kiến nghị ba phương trình để mô tả mặt cắt ngang cân bằng dựa trên hàm cơ bản, hàm số mũ, hàm logarit lần lượt như sau: Hàm cơ bản có dạng: y(x)= A(x + xs )ρ (3.4) Hàm số mũ Komar và McDougal như sau: y(x)= B(1-e-kx+C) (3.5) Hàm logarit do Lee (1994) đề xuất có dạng: h(x) = D + (1/F)ln(x/ G+1) (3.6) Hệ số G có liên quan đến đường kích hạt trầm tích và F được ước tính bằng cách sử dụng chu kỳ T thông qua mối quan hệ F = 4π2 /gT2 . D được hiểu như tham số xs trong phương trình (3.3) ở trên. Kết quả tính toán các hệ số trong các hàm lý thuyết bởi phương pháp đường cong phù hợp được thể hiện trong Bảng 3.2. Để thấy rõ sự biến đổi của hệ số R (Hệ số tương quan) và RMSE (Sai số trung bình toàn phương). Từ kết quả tính toán sẽ lựa chọn được dạng mặt cắt phù hợp nhất với mặt cắt tự nhiên tại khu vực nghiên cứu (Hình 3.10a, b, c). Bảng 3.2. Hệ số đặc trưng ứng với từng dạng phương trình Dạng hàm h(x)= A (x + xs)ρ (Funtion[1]) h(x)= B(1-exp(-kx+C)) (Funtion[2]) h(x) = D + 1/F.ln(x/G+1) (Funtion[3]) Hệ số 1-  A(m ) xs(m) ρ R RMSE B (m) C k (m-1) R RMSE D(m) F(m-1) MC HH1 -0,012 -1,000 0,568 0,862 0,568 4,032 0,435 MC HH2 -0,174 -1,000 0,472 0,944 0,256 -4,635 -0,070 0,003 0,949 0,245 0,864 0,693 MC HH3 -0,040 -1,000 0,695 0,898 0,484 -5,404 0,147 0,002 0,945 0,354 1,342 0,393 81 Dạng hàm Hệ số G(m) R RMSE MC HH1 30,590 0,940 0,292 MC HH2 27,840 0,963 0,209 MC HH3 101,3 0 0,964 0,373 Hình 3.10a. Các Hàm đặc trưng ứng với mặt cắt HH01 Hình 3.10b. Các Hàm đặc trưng ứng với mặt cắt HH02 Hình 3.10c. Các Hàm đặc trưng ứng với mặt cắt HH03 Giá trị RMSE được tính theo công thức RMSE = ∑ ( − ) , trong đó N là số giá trị, Fi là giá trị thực tế, Oi là giá trị tính theo hàm lựa chọn. Từ cách tính 82 này có thể thấy, nếu sai số giữa thực đo và đường cong tính toán càng lớn thì giá trị RMSE càng lớn. Kết quả tính trong bảng 3.2 cho thấy giá trị của RMSE ứng với hàm Logarit (Funtion[3]) cho giá trị nhỏ hơn so với các hàm tương ứng còn lại. Để có thể thấy rõ hơn sự phù hợp của các hàm (dạng mặt cắt đặc trưng) đối với từng khu vực nghiên cứu tại Hải Hậu, ta xem xét hệ số tương quan R của từng phương trình đối với mỗi khu vực cụ thể. Kết quả được thể hiện ở đồ thị trong Hình 3.11 dưới đây. 1.00 0.96 0.94 Hs - R 0.95 0.96 0.95 0.94 0.95 0.90 0.90 0.86 0.85 0.80 0.75 MC HH01 Funtion [1] MC HH02 Funtion [2] MC HH03 Funtion [3] Hình 3.11. So sánh hệ số tương quan các hàm theo từng mặt cắt Từ hình 3.11 có thể nhận thấy, dạng hàm 3 (Funtion[3]) có hệ số R cao hơn so với hai dạng hàm 1 (Funtion[1]) và dạng hàm 2 (Funtion[2]). Điều này chứng tỏ, việc lựa chọn phương trình đặc trưng cho cả khu vực nghiên cứu nên chọn dạng hàm 3. Vậy lựa chọn dạng phương trình cho các mặt cắt đặc trưng tại từng khu vực nghiên cứu ở Hải Hậu là dạng phương trình logarit (công thức 3.6). 3.2.2.2. Mặt cắt đặc trưng cho từng thời kỳ Dựa trên cơ sở dữ liệu đo đạc qua các thời kỳ được phân chia làm 3 giai đoạn với chu kỳ 5 năm như sau: từ 1985 - 1990; 1990 - 1995 và từ 2005 - 2010. Kết quả phân tích, tính toán mặt cắt đặc trưng theo thời kỳ được thể hiện trong Bảng 3.3 và Hình 3.12 đại diện cho mặt cắt HH02, kết quả với mặt cắt HH01 và HH03 được thể hiện trong Phụ lục 1. 83 Bảng 3.3. Phương trình đặc trưng các mặt cắt tại Hải Hậu theo từng thời kỳ Cao độ (m) Các thời kỳ Thời kì 1985-1990 Thời kì 1990-1995 Thời kì 2005-2010 Thời kì 1985-1990 Thời kì 1990-1995 Thời kì 2005-2010 Thời kì 1985-1990 Thời kì 1990-1995 Thời kì 2005-2010 D (m) 0,4231 -0,2583 0,9407 0,3341 -0,1263 0,7317 0,4231 -0,2583 0,9407 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 F (m-1) 0,5107 0,4692 0,4533 0,6351 0,5671 0,5348 0,4916 0,3822 0,3597 G (m) 118,5 217,6 96,38 202,1 241,2 112,1 101,3 192,1 111,3 R 0,9794 0,9624 0,9619 0,9811 0,9732 0,9813 0,9721 0,9832 0,9601 RMS E 0,2224 0,2449 0,2831 0,2103 0,2301 0,2971 0,2301 0,2105 0,2912 Ghi chú HH01 HH02 HH03 TK 1985-1990 TK 1990-1995 TK 2005-2010 K/c cộng dồn (m) 0 50 100 150 200 Hình 3.12. Mặt cắt HH02 đặc trưng qua các thời kì Khi xem xét hệ số F trong Bảng 3.3 nhận thấy giá trị F giảm dần theo thời gian, có nghĩa là 1/F sẽ tăng theo thời gian đối với cả 3 khu vực. Thời kì 1985 1990, F có giá trị lớn nhất; sau đến thời kì 1990 - 1995 và thời kì 2005 - 2010, F có giá trị nhỏ nhất. Điều này cho thấy, bãi biển bị xói theo thời gian làm tăng độ dốc của bãi, đặc biệt là trong khoảng thời kì từ 1985 - 1995 hệ số F giảm mạnh. Từ giai đoạn 2005 đến nay bãi vẫn xó i, tuy nhiên không mạnh như giai đoạn trước đây. Khi thay các giá trị trong Bảng 3.3 vào công thức (3.6) ta được phương trình mặt cắt đặc trưng (dạng hàm Logarit) theo từng thời kỳ của chuỗi số liệu đo đạc các giai đoạn 1985 - 1990, 1990 - 1995 và 2005 - 2010 đối với 3 mặt cắt: Bắc Hải Hậu (HH01), trung Hải Hậu (HH02) và Nam Hải Hậu (HH03). 84 3.2.2.3. Mặt cắt đặc trưng theo từng khu vực Kết quả phân tích mặt cắt đặc trưng theo từng khu vực được thể hiện trong Bảng 3.4, Hình 3.13 là b iểu diễn đối với chuỗi số liệu đo giai đoạn 2005 - 2010 (đây là chuỗi số liệu mới nhất, đo đồng bộ nhất). Kết quả tính toán đối với các giai đoạn 1985 - 1990 và 1991 - 1995 được thể hiện trong Phụ lục 1. Bảng 3.4. Phương trình đặc trưng các MC theo từng khu vực khác nhau tại Hải Hậu Tê n mặt cắt HH01 HH02 D (m) F (m-1) G (m) 4,032 0,864 0,4351 0,6934 30,59 27,84 R 0,9636 0,9628 RMSE 0,2917 0,2086 HH03 HH01 HH02 HH03 1,342 5,011 1,432 2,012 0,3931 0,5530 0,8010 0,7211 101,3 35,11 28,61 98,01 0,9395 0,9771 0,9529 0,9142 0,3727 0,2177 0,2506 0,3901 HH01 HH02 HH03 5,312 1,507 2,233 0,6121 0,8981 0,7120 40,12 51,03 99,01 0,9789 0,9622 0,9412 0,2004 0,2912 0,3511 Ghi chú TK 2005-2010 TK 1990-1995 TK 1985-1990 Bảng 3.4 là bộ thông số các mặt cắt đặc trưng đại diện cho ba khu vực dọc bờ biển Hải Hậu theo từng giai đoạn, thay các giá trị này vào công thức (3.6) ta sẽ được dạng phương trình mặt cắt đặc trưng. Trong Hình 3.8 thể hiện, tại mặt cắt HH02 bãi sâu hơn so với HH01 và HH03, đặc biệt là khu vực khoảng 300m tính từ bờ trở ra. Điều này cho thấy tại khu vực HH02 hiện tượng xói mạnh nhất. Thực tế tại đây cũng đã diễn ra điều này, vì hiện nay biển đã tiến sát vào chân đê, hầu như ở khu vực này không còn bãi kể cả lúc triều thấp (cuối Hải Triều, đầu Hải Hòa). 4.0 Cao độ (m) 2.0 0.0 -2.0 -4.0 K/c cộng dồn (m) -6.0 0 200 HH01 MCDT(HH01) 400 600 HH02 MCDT(HH02) 800 1000 1200 HH03 MCDT(HH03) Hình 3.13. Mặt cắt đặc trưng từng khu vực từ HH01 đến HH03 dọc ven biển Hải Hậu (giai đoạn 2005 - 2010) 85 3.2.2.4. Mặt cắt đặc trưng theo mùa Nhằm xem xét quá trình diễn biến tổng thể sau một mùa gió, so sánh sự khác nhau của mặt cắt điển hình giữa hai mùa trong năm là mùa gió mùa Tây Nam (tháng 4, kết thúc đợt gió mùa Tây Nam) và gió mùa Đông Bắc (tháng 10 - 11, kết thúc đợt gió mùa Đông Bắc) hàng năm, lựa chọn thời kì 2005 - 2010 để phân tích. Đây là thời kỳ có số liệu đo đạc trong hai mùa điển hình so với hai thời kỳ 1985 - 1990 và 1990 - 1995. Kết quả phân tích được thể hiện trong Bảng 3.5, Hình 3.14 đại diện cho mặt cắt HH02, các mặt cắt HH01 và HH03 được thể hiện trong Phụ lục 1. Bảng 3.5. Phương trình đặc trưng các mặt cắt theo mùa (giai đoạn 2005-2010) MC Mùa Tháng 04 Tháng 10 Tháng 04 Tháng 10 Tháng 04 Tháng 10 HH01 HH02 HH03 -1 D (m) 4,4880 3,7280 1,1430 0,7393 1,2160 1,4290 F (m ) 0,4398 0,4108 0,7451 0,6570 0,4047 0,3683 2.5 1.5 Cao độ (m) 0.5 G (m) 23,4100 41,1400 18,0200 35,4000 120,5000 92,8100 R 0,9786 0,9813 0,9607 0,9657 0,9547 0,9296 RMS E 0,2260 0,2079 0,2127 0,2016 0,3284 0,3964 Tháng 10/2005 Tháng 4/2006 MCDT HH02 T10 MCDT HH02 T04 -0.5 -1.5 -2.5 -3.5 -4.5 K/C cộng dồn (m) -5.5 0 200 400 600 800 1000 1200 Hình 3.14. Mặt cắt đặc trưng hai mùa tại HH02 (giai đoạn 2005-2010) Dựa vào các tham số đã tổng hợp ở Bảng 3.5 cho thấy quy luật biến động bãi theo mùa được thể hiện khá rõ nét. Mùa hè khu vực này bãi thường được bồi, còn mùa đông bãi lại thường bị xó i. 3.2.2.5. Tính toán mặt cắt cân bằng tại khu vực nghiên cứu Mặt cắt cân bằng theo các nghiên cứu của Bruun, Dean, Kriebel, Moore,... là một công cụ hữu hiệu để đánh giá vai trò của vận chuyển bùn cát ngang bờ cho một khu vực nghiên cứu. 86 Theo Kriebel & Dean (1985), Kobayashi (1987) thì mặt cắt bãi được gọi là cân bằng phải thỏa mãn quan hệ kinh nghiệm sau: h(x) = A x2/3 (3.7) với h: Độ sâu tại chỗ, x là khoảng cách từ đường bờ ra biển. Vì A là hằng số kinh nghiệm phụ thuộc vào đặc trưng của bùn cát đáy và chế độ sóng gió tại đây. Hằng số này được mô tả qua độ thô thuỷ lực của chất điểm hạt cát W: (3.8) W 2 1/ 3 ) g A = 2,25x ( Mặt cắt cân bằng Dean 1977: D = Ay 2 3 A = 0,41(d 50 )0,94 (d 50 < 0,4mm) A = 0,23(d 50 )0,32 (0,4 < d 50 < 10,0mm) A = 0,23(d50 )0,28 (10,0 < d50 < 40,0mm) A = 0,23(d 50 )0,32 (d 50 > 40,0mm) Ở đây g: gia tốc trọng trường (Dean: 1977 - 1991) Dựa vào lý thuyết trên, kết hợp với dữ liệu mặt cắt, số liệu thu thập được về giá trị d50 từ năm 1975 đến năm 2010, chọn 3 thời điểm để tính toán mặt cắt cân Cao độ (m)) bằng là năm 1975, 1985 và 2010. Kết quả như trong Hình 3.15. 1.0 Dean 1975 0.0 Dean 1985 -1.0 Dean 2010 -2.0 Tháng 10/2010 -3.0 -4.0 -5.0 K/c cộng dồn (m) -6.0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Hình 3.15. So sánh mặt cắt thực đo và mặt cắt cân bằng tính theo Dean năm 1977 Kết quả tính toán mặt cắt cân bằng với lý thuyết của Dean đối với vùng nghiên cứu cho thấy, trong phạm vi khoảng 600m tính từ chân đê trở ra biển mặt cắt hiện trạng dốc hơn mặt cắt cân bằng, chứng tỏ trong phạm vi này bãi bị xói. Tuy nhiên từ khoảng cách 600m ÷ 800m (tính từ chân đê) trở ra ngoài biển mặt cắt hiện trạng đạt 87 trạng thái cân bằng và có xu thế bồi (mặt cắt cân bằng dốc hơn mặt cắt hiện trạng). Điều này chứng tỏ có dòng vận chuyển bùn cát ngang bờ từ ngoài khơi vào trong bờ. Để thấy rõ điều này, ta đem so sánh mặt cắt đặc trưng với các kết quả tính mặt cắt cân bằng theo Dean 1977 (Hình 3.16). Cao độ (m) 1.0 Dean 1975 0.0 Dean 1985 -1.0 Dean 2010 HH02 Total -2.0 MCDT HH02 -3.0 -4.0 -5.0 K/c cộng dồn (m) -6.0 0 200 400 600 800 1000 Hình 3.16. So sánh mặt cắt đặc trưng và kết quả tính toán theo Dean năm 1977 Căn cứ vào dữ liệu đo đạc biến động mặt cắt nhiều năm và qua phân tích ta nhận thấy, tại khu vực nghiên cứu vùng bị xói lở thường là bãi triều rộng khoảng 600m ÷ 800m tính từ chân đê trở ra biển (tại điểm có độ sâu khoảng 4,0m). Ở ngoài khu vực này thường có xu hướng ổn định. Qua đó cũng có thể nhận định độ sâu hoạt động mạnh của trầm tích (depth closure) tại khu vực nghiên cứu nằm ở có độ sâu khoảng 4,0m trở lại. Với kết quả tính toán theo lý thuyết mặt cắt cân bằng của Dean ở trên cho thấy có dòng vận chuyển bùn cát ngang bờ từ ngoài khơi vào trong bờ, gây bồi bãi tại khu vực nghiên cứu. Tuy nhiên, tại khu vực khoảng 600m ÷ 800m t ính từ chân đê trở ra, nơi nhận định là khu vực có sự hoạt động mạnh của bùn cát lại vẫn bị xói lở. Điều này cho thấy tại khu vực nghiên cứu, mà ở đó dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ đóng vai trò chính thì mặc dù theo mặt cắt cân bằng sẽ xảy ra vận chuyển bùn cát ngang bờ có hướng vào bờ (gây bồi) nhưng trong thực tế vùng đó vẫn bị xói do vận chuyển bùn cát dọc bờ lớn hơn. Mặt khác, dòng vận chuyển bùn cát ngang bờ chỉ là một thành phần của dòng vận chuyển bùn cát tổng cộng. Nhìn chung, kết quả ứng dụng theo lý thuyết mặt cắt cân bằng của Dean đề xuất, kết hợp với số liệu thực đo diễn biến bãi và phân tích chế độ động lực vùng 88 ven bờ cho chúng ta đánh giá được xu thế biến động của mặt cắt theo từng vị trí, khu vực đối với mặt cắt ngang bãi biển tại Hải Hậu. 3.3. XÁC ĐỊNH NGUYÊN NHÂN G Y MẤT ỔN ĐỊNH CHO BỜ BÃI BIỂN HẢI HẬU-NAM ĐỊNH 3.3.1. Xác định một số nguyên nhân chung 1) Theo kết luận của các chuyên gia địa chất: Nguyên nhân chủ yếu của xói lở bờ là do thiếu hụt trầm tích gây bởi xây đập hồ chứa thủy điện ở thượng lưu và sự suy tàn sông Sò. Trong bối cảnh thiếu hụt trầm tích thì vận động sụt lún hiện đại đóng vai trò cường hóa và thúc đẩy quá trình xói lở. Như vậy quan điểm chung của các nhà địa chất là: ảnh hưởng của vai trò sụt lún tân kiến tạo đến quá trình xói lở tại bờ biển Hải Hậu là tương đối nhỏ và mờ nhạt so với nguyên nhân ngoại sinh [15], [22], [33], [37]. 2) Hiện tượng xói lở xảy ra thường xuyên trong cả năm, nhưng mạnh hơn vào mùa đông. Vào mùa đông, khi biển động, nước dâng sóng kết hợp với triều cường giúp sóng tấn công trực tiếp vào thân đê, gây xói lở bãi và ảnh hưởng tới sự ổn định của đê (phá hoại mái và xói chân đê). Đặc biệt, trong thời gian có bão lớn, sóng do bão gây ra có thể phá hoại đê biển và gây xói lở bãi nghiêm trọng [3], [7], [36]. 3) Vận tốc dòng ven dọc bờ do sóng tại Hải Hậu tương đối lớn trong gió mùa Đông Bắc, nhất là thời kỳ nước rươi (tháng 10 - 12 hàng năm). Trị số lớn nhất đã đo được ngày 29/11/1985 là 112cm/s, vận tốc trung bình của dòng ven đo được khi gió vừa (cấp 5 - 6) từ 8  12m/s đạt trị số khá cao (từ 60cm/s  120 cm/s) [35], [38], [39]. Như vậy, trong bão hoặc gió mùa Đông Bắc nếu gặp lúc triều kém dòng ven sẽ gây xói bãi, nếu gặp thời điểm triều cường, nước lớn chúng sẽ trực tiếp tham gia quá trình xói lở đê, kè biển. Vì vậy dòng chảy ven bờ do sóng có ảnh hưởng quyết định đến sự xói lở vùng bãi, đê kè tại vùng biển nghiên cứu. 4) Phần lớn các kết quả tính toán vận chuyển bùn cát tại đoạn bờ từ cửa Hà Lạn đến Hải Thịnh lượng bùn cát bị mang đi nhiều hơn mang đến khoảng từ 600.000  800.000m3 /năm [34], [60]. Do vậy, đặc biệt tại khu vực Hải Hậu xảy ra hiện tượng mất cân bằng bùn cát nghiêm trọng. Đường kính trung bình hạt cát tại 89 khu vực Hải Hậu bị “thô hóa” so với thời kỳ 1975 rất nhiều, điều này chứng tỏ rằng khu vực này không có lượng bùn cát bù đắp từ các cửa sông đến như các thời kỳ trước đây. 3.3.2. Biến động hình thái cửa Ba Lạt ảnh hưởng đến quá trình xói lở bờ biển của khu vực nghiên cứu 1) Từ khi dòng chính sông Hồng chuyển về cửa Ba Lạt, sông Sò bị thu hẹp (thời kỳ “Ba Lạt phá hội”), từ thời điểm này trở đi khu vực ven biển Hải Hậu chuyển sang chế độ bồi tụ - xói lở mới [1], [26], [54]. Đó là chế độ thống trị của biển với tác động của sóng là chủ yếu lúc này đã bắt đầu thời kỳ xói lở nhỏ lẻ xen kẽ. Có thể nói nếu “Ba Lạt phá hội” dẫn đến chu kỳ xói lở thứ nhất, thì sau lũ 1971 với sự thay đổi dòng chính tại cửa Ba Lạt và tiếp theo sông Sò là một nhánh cả sông Hồng bị đắp lại bằng cống Ngô Đồng (cuối những năm 50 thế kỷ XX) làm mất nguồn bùn cát từ sông Hồng cung cấp trực tiếp cho bờ biển Hải Hậu gây trầm trọng thêm sự mất cân bằng bùn cát, bắt đầu một chu kỳ xói lở bãi trầm trọng thứ hai tại đây. 2) Về mặt vĩ mô biến đổi địa hình cửa Ba Lạt [34], [36], [54]: Dựa vào phân tích lịch sử biến động hình thái những thập kỷ gần đây tại cửa Ba Lạt: do bồi tụ mạnh hình thành các bãi bồi tiến về phía biển như một mỏ hàn tự nhiên. Theo giả thiết này quá trình xói lở trong khoảng trên 50 năm gần đây tại bờ biển Hải Hậu là hiệu ứng phía khuất gió của mỏ hàn tự nhiên trên xảy ra (bóng động lực) do tác động của dòng năng lượng sóng hướng Đông Bắc (NE) cùng với sự tiến ra phía biển của mỏ hàn tự nhiên vùng xói lở chạy dần từ Bắc xuống Nam (từ Hải Lý đến Hải Thịnh). Qui luật trên đã được thực tế minh chứng: Nhìn chung, giai đoạn từ 1970 đến nay xói lở bãi, đê kè biển tại Hải Hậu phát triển dần về phía Nam theo các tài liệu đã thu thập được: - Từ 19121935: nhìn chung bờ biển được bồi không có chỗ xói đáng kể. - Từ 19351965: xói phát triển tại bờ biển từ Hải Đông đến Hải Triều. - Từ 19651990: xói phát triển tại bờ biển từ Hải Ch ính đến Hải Hòa. - Từ 19902005: xói phát triển tại bờ biển từ Hải Ch ính đến Thịnh Long. 90 3) Hiện tượng suy thoái rừng, hoạt động của hồ chứa Hòa Bình làm giảm lượng bùn cát, lưu lượng bùn cát biến đổi như sau [48], [54]: - Trước khi có hồ Hòa Bình lưu lượng bùn cát hàng năm tại Sơn Tây là: 113,6 x106 tấn/ năm (1958 - 1988) - Sau khi có hồ Hòa Bình lưu luợng bùn cát hàng năm tại Sơn Tây là: 57,3 x106 tấn/năm (1989 - 2001). - Tại cửa Ba Lạt, so sánh trước và sau khi có hệ thống hồ chứa, tổng lượng bùn cát giảm từ 21,41 triệu tấn xuống 7,95 triệu tấn (giảm 62,9%), còn tại cửa Lạch Giang từ 5,17 triệu tấn xuống 1,99 triệu tấn (giảm 61,5%) [47]. 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Những số liệu thực đo về diễn biến bãi, bờ biển (mặt cắt, bình đồ) theo thời gian là những bằng chứng xác thực và vô cùng có ý nghĩa trong công tác nghiên cứu khoa học, nhất là ở Việt Nam. Luận án đã thu thập được nguồn dữ liệu đo đạc diễn biến bãi trong khoảng 25 năm trở lại đây và các tài liệu lịch sử đối với vùng biển Nam Định là điều rất qúy giá. Từ các kết quả phân tích ở trên, bước đầu có thể đưa ra những nhận xét về một số quy luật biến động bãi và dạng mặt cắt đặc trưng tại khu vực Hải Hậu như sau: - Quy luật chung về diễn biến bãi tại Hải Hậu là bãi thường bị xói vào mùa Đông (gió mùa Đông Bắc) và bồi vào mùa Hè (gió mùa Tây Nam), mức độ xói lớn hơn bồi trở lại, do đó tại Hải Hậu vẫn diễn ra quá trình xói bãi, biển tiến vào đất liền. - Chiều dài bờ biển xói mòn kéo dài từ cửa Hà Lạn đến cửa Lạch Giang, tại khu vực này xảy ra sự mất cân bằng bùn cát nghiêm trọng. Đường kính trung bình hạt cát tại khu vực Hải Hậu bị “thô hoá” so với thời kỳ trước (năm 1975), điều đó cho thấy khu vực này lượng bùn cát bù đắp từ các sông đến ngày càng ít đi. - Những năm 1970 xó i lở xảy ra ở xung quanh khu vực Hải Lý, những năm 1980 - 2000 tiến xuống khu vực từ Hải Chính, Hải Triều và từ 1995 đến nay xói bãi đã lan đến đến Hải Thịnh, tức là có xu thế lan xuống phía Nam. - Phương trình mặt cắt đặc trưng cho khu vực Hải Hậu có dạng hàm logarit: h(x) = D+ 1/F.ln(x/ G+1). Từ các chuỗi số liệu thực đo diễn biến mặt cắt bãi từ năm 1985 đến nay ta có thể xây dựng được các phương trình ứng với những hệ số đại 91 diện cho từng khu vực dọc ven biển Hải Hậu. Đây là những tham số thống kê, đặc trưng cho tính địa phương tại khu vực này. Bên cạnh đó, với các chuỗi số liệu đo đạc ở từng thời kỳ và từng mùa khác nhau ta cũng xây dựng được dạng phương trình mặt cắt đặc trưng theo thời kỳ, theo mùa. - Kết quả tính toán khi áp dụng lý thuyết mặt cắt cân bằng của Dean (1977), kết hợp với số liệu thực đo diễn biến bãi và phân tích chế độ động lực vùng ven bờ cho chúng ta đánh giá được xu thế biến động của mặt cắt theo từng vị trí, khu vực đối với mặt cắt ngang bãi biển tại Hải Hậu. Kết quả cũng minh chứng thêm cho việc nhận định ở khu vực Hải Hậu dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ có tính quyết định đến quá trình xói lở, diễn biến bờ, bãi. Ngoài ra, qua phân tích số liệu đo đạc đã thu thập, tác giả chỉ ra được các nguyên nhân dẫn đến sự mất ổn định đối với khu vực bờ, bãi biển Hải Hậu là do: thiếu hụt nguồn bùn cát bổ sung; Vào mùa đông, khi biển động, nước dâng sóng kết hợp với triều cường giúp sóng tấn công trực tiếp vào thân đê, gây xói lở bãi và ảnh hưởng tới sự ổn định của đê (phá hoại mái và xó i chân đê) và càng nghiêm trọng hơn khi có bão; Vận tốc dòng ven dọc bờ do sóng tại Hải Hậu tương đối lớn trong gió mùa Đông Bắc, nhất là thời kỳ tháng 10 ÷ 12 hàng năm (mùa nước rươi). Vì vậy dòng chảy ven bờ do sóng có ảnh hưởng quyết định đến sự xói lở vùng bãi, đê kè tại vùng biển nghiên cứu. Một nguyên nhân nữa dẫn đến quá trình mất ổn định bờ biển Hải Hậu đó là sự ảnh hưởng bởi biến động hình thái cửa Ba Lạt, bởi từ thời kỳ “Ba Lạt phá hội” khu vực ven biển Hải Hậu chuyển sang chế độ bồi tụ - xói lở mới với tác động của sóng là chủ yếu. Sau lũ 1971, sông Sò bị đắp lại bằng cống Ngô Đồng làm mất nguồn bùn cát từ sông Hồng cung cấp trực tiếp cho bờ biển Hải Hậu gây trầm trọng thêm sự mất cân bằng bùn cát. Như vậy, trong số ba nguyên nhân (nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh) gây mất ổn định vùng bờ biển Hải Hậu thì nguyên nhân ngoại sinh đóng vai trò chủ yếu. Căn cứ vào một số quy luật diễn biến, các nguyên nhân gây mất ổn định vùng bờ biển Hải Hậu và hình dạng mặt cắt bãi đặc trưng để có cơ sở đề xuất các phương án công trình hợp lý nhằm ổn định cho từng khu vực dọc ven bờ Hải Hậu. Các nghiên cứu, tính toán về phương án công trình được thể hiện trong chương 4. 92 CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ VÀ MÔ PHỎNG SỐ TRỊ VỀ CÁC THAM SỐ KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH ĐÊ NGẦM BẢO VỆ BỜ VÀ DIỄN BIẾN HÌNH THÁI KHU VỰC HẢI HẬU 4.1. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ Luận án tiến hành thí nghiệm trên mô hình vật lý để nhằm tìm ra hệ số suy giảm độ cao sóng (Kt ) qua đê ngầm khi thay đổi các tham số như: cao trình đỉnh đê (∆), bề rộng đỉnh (B) và hệ số mái dốc (m). Các thông số của đê ngầm được mô tả như trong hình 4.1 và hệ số Kt được tính toán theo công thức (4.1) dưới đây. Hst Hsi B -Rc h m1 m2 d Rc d50 Hình 4.1. Mô tả các thông sốquá trình lan truyền sóng qua đê ngầm Kt  Với H st H si Hsi - Độ cao sóng ở trước đê ngầm; Hst - Độ cao sóng ở sau đê ngầm; h- Độ sâu tổng cộng tại vị trí đặt đê ngầm; d- Độ sâu tương đối tính từ đỉnh đến chân đê ngầm; B- Bề rộng đỉnh đê ngầm; ∆- Cao trình đỉnh đê ngầm; m1 , m2 - hệ số mái dốc của đê ngầm; Rc- Khoảng lưu không (Rc = d - h). (4.1) 93 Các giá trị Kt này, ngoài việc nhằm đánh giá hiệu quả của đê ngầm, chúng còn được lựa chọn để đưa vào phục vụ quá trình tính toán trong mô hình toán. Việc phân tích các kết quả thí nghiệm mô hình vật lý dựa trên độ dày các seri thí nghiệm (số liệu đã thí nghiệm), kết hợp với tham khảo kết quả của các công trình tương tự trên thế giới và kế thừa những kết quả nghiên cứu của các đề tài trước đây đã nghiên cứu tại khu vực Hải Hậu. Luận án không đi sâu vào việc khảo sát các hàm tương quan, tìm ra giới hạn và điều kiện của các công thức, vì thực tế vấn đề này đã được các nhà khoa học trên thế giới tiến hành. Các kết quả thí nghiệm ở đây có thể cho thấy được quy luật chung nhất, sẽ đúng nhất với từng tổ hợp thí nghiệm đã chọn, còn những tổ hợp trung gian sẽ được nội suy dựa vào các hàm tương quan được xác lập. Để có được hệ số tương quan tốt nhất nếu như chuỗi số liệu thí nghiệm thưa có thể sử dụng dạng hàm tuyến tính. Tuy nhiên, căn cứ vào chuỗi số liệu đã thí nghiệm trong luận án, nhằm phản ánh tính sát thực và đúng với quy luật, tác giả đã lựa chọn dạng hàm tương quan là các hàm bậc 2. 4.1.1. Thí nghiệm lựa chọn cao trình đỉnh đê ngầm Tiến hành thí nghiệm với đê ngầm có bề rộng đỉnh đê cố định B = 5,0m (trên mô hình, BMH =25cm), mái dốc m = 1:2 (cho cả hai phía), có thể thay đổi độ cao khác nhau. Các tổ hợp về cấp mực nước (5 cấp mực nước, bảng 4.1) và cấp sóng để đưa vào thí nghiệm như đã lựa chọn với tham số đầu vào (bảng 2.2 và 2.3, chương 2). Kết quả thí nghiệm với tổng cộng 39 kịch bản được thể hiện trong bảng 4.1. Bảng 4.1. Kết quả thí nghiệm quá trình suy giảm độ cao sóng qua đê ngầm với các cao trình đỉnh khác nhau S TT MN(m) B(m) 1 4,00 5,0 2 4,00 5,0 3 4,00 5,0 4 4,00 5,0 5 4,00 5,0 6 4,00 5,0 7 4,00 5,0 8 4,00 5,0 9 4,00 5,0 10 3,67 5,0 11 3,67 5,0 12 3,67 5,0 h(m) 4,85 4,85 4,85 4,85 4,85 4,85 4,85 4,85 4,85 4,52 4,52 4,52 d(m) 2,91 2,91 2,91 3,40 3,40 3,40 3,88 3,88 3,88 2,65 2,65 3,09 d/h 0,60 0,60 0,60 0,70 0,70 0,70 0,80 0,80 0,80 0,60 0,60 0,70 Hsi (m) 1,91 1,35 1,18 1,86 1,02 0,98 1,83 0,85 0,72 1,81 1,41 1,34 Ts (s) 7,63 6,48 6,36 7,32 5,89 6,00 7,12 5,53 5,43 7,12 6,55 6,66 Ls (m) 34,02 31,54 31,37 32,40 30,67 30,84 31,33 30,07 29,90 31,01 27,55 27,66 Kt 0,698 0,720 0,760 0,652 0,670 0,700 0,598 0,620 0,610 0,662 0,719 0,550 94 S TT MN(m) B(m) 13 3,67 5,0 14 3,67 5,0 15 3,67 5,0 16 3,67 5,0 17 3,67 5,0 18 3,67 5,0 19 3,67 5,0 20 3,50 5,0 21 3,50 5,0 22 3,50 5,0 23 3,50 5,0 24 3,50 5,0 25 3,50 5,0 26 3,00 5,0 27 3,00 5,0 28 3,00 5,0 29 3,00 5,0 30 3,00 5,0 31 3,00 5,0 32 2,62 5,0 33 2,62 5,0 34 2,62 5,0 35 2,62 5,0 36 2,62 5,0 37 2,62 5,0 38 2,62 5,0 39 2,62 5,0 h(m) 4,52 4,52 4,52 4,52 4,52 4,52 4,52 4,35 4,35 4,35 4,35 4,35 4,35 3,85 3,85 3,85 3,85 3,85 3,85 3,47 3,47 3,47 3,47 3,47 3,47 3,47 3,47 d(m) 3,54 3,98 3,98 2,65 3,09 3,54 3,98 2,56 2,56 2,98 2,98 3,46 3,46 2,31 2,31 2,70 2,70 3,08 3,08 2,08 2,43 2,78 3,12 2,08 2,43 2,78 3,12 Ghi chú: MN: Mực nước thí nghiệm; d/h 0,80 0,90 0,90 0,60 0,70 0,80 0,90 0,60 0,60 0,70 0,70 0,80 0,80 0,60 0,60 0,70 0,70 0,80 0,80 0,60 0,70 0,80 0,90 0,60 0,70 0,80 0,90 Hsi (m) 1,32 1,83 1,05 0,89 0,74 0,72 0,68 1,43 1,31 1,30 1,25 0,92 0,74 1,42 1,32 1,28 1,13 0,91 0,71 1,45 1,31 1,28 1,25 0,93 0,84 0,72 0,71 Ts (s) 6,39 7,41 6,17 5,59 5,51 5,19 5,37 6,55 6,64 6,34 6,54 5,64 5,51 6,55 6,64 6,33 6,30 5,65 5,40 6,63 6,59 6,36 6,48 5,72 5,69 5,25 5,37 Ls (m) 27,39 32,52 27,16 26,47 26,36 25,92 26,18 26,88 26,96 26,68 26,87 25,92 25,76 22,04 22,09 21,93 21,91 21,49 21,29 18,38 18,37 18,31 18,35 18,09 18,08 17,87 17,93 Kt 0,500 0,320 0,350 0,620 0,560 0,470 0,310 0,606 0,707 0,604 0,523 0,462 0,424 0,606 0,627 0,524 0,545 0,451 0,398 0,596 0,480 0,450 0,290 0,580 0,450 0,390 0,210 Ts: Chu kỳ sóng tới; Ls : Độ dài sóng tới. Từ các kết quả thí nghiệm trên bảng 4.1 ta có thể đưa ra được đồ thị về quan hệ giữa hệ số suy giảm (Kt ) và độ cao tương đối của đê ngầm (d/h) ứng với từng cấp mực nước khác nhau (hình 4.2). Ký hiệu X là khoảng cách tương đối từ đê ngầm đến đường mép nước, L0 là độ dài sóng tại vùng nước sâu. Từ các công thức lý thuyết và kết quả thí nghiệm có thể rút ra được một số kết luận sau: - Sóng càng dốc, tác dụng giảm sóng của đê ngầm càng giảm tức là Hsi /L0 càng lớn thì Hst /Hsi càng lớn. 95 - Độ cao tương đối của đê ngầm càng tăng thì tác dụng giảm sóng của đê ngầm càng tăng tức là (d/h) tăng thì Hst /Hsi giảm. - Độ sâu mực nước tương đối càng giảm thì tác dụng giảm sóng của đê ngầm càng tăng tức d/L0 giảm thì Hst /Hsi giảm. - Tác dụng giảm sóng của đê ngầm thay đổi ít khi khoảng cách X từ đê tới đường mép nước thay đổi từ L0  2L0 . Như vậy, đê ngầm càng cao thì càng có khả năng giảm sóng. Từ đường quan hệ có thể rút ra kết luận: Muốn đê ngầm phát huy tác dụng thì trong thực tế người ta thường phải lấy: d  0 ,5 vì hệ số Kt mới đạt giá trị trung bình khoảng Kt = 0,7 ÷ 0,8, h tức là độ cao sóng giảm được tối thiểu từ 20% đến 30%. 1.00 Hệ số giảm sóng (Kt) 0.90 0.80 0.70 MN = 4,00m 0.60 MN = 3,67m 0.50 MN = 3,50m 0.40 MN = 3,00m 0.30 MN = 2,62m 0.20 0.10 0.00 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 Tỷ số d/h Hình 4.2. Quan hệ giữa Kt và d/h tại các mực nước thí nghiệm Cũng từ kết quả trên, thấy rằng nếu chọn X thích hợp thì đê ngầm sẽ phát huy tác dụng tốt nhất. Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm của nhiều nước, có thể lấy X = L0 . Hoặc theo B.A.Pưskin thì nên đặt đê ngầm ở vị trí có mực nước h = 1,6Hsi (Chiều cao sóng tới). Nếu đê ngầm có d 0,5 x 4,0m = 2,0m. Vậy cao trình đỉnh đê ngầm nên chọn là ∆ > 2,0 - 1,0 = 1,0m + 0,3m = +1,30m (khi tính thêm dự trữ lún), luận án đề xuất chọn d/h = 0,6 ↔ ∆ = +1,40m. Đây là giá trị gần như nhỏ nhất, nếu như điều kiện kinh phí cho phép cũng như mục đích cần giảm sóng tốt hơn nữa của đê ngầm thì có thể tăng cao trình đỉnh đê lên. - Bề rộng đê ngầm: Bề rộng đê ngầm thường lấy lớn hơn độ sâu của mực nước trung bình tại vị trí đặt công trình. Độ sâu của mực nước trung bình tại vị trí đặt công trình là h tb = 1,86m + 1,0m = 2,86m. Theo kết quả thí nghiệm mô hình vật lý ở trên đối với khu 111 vực nghiên cứu, dựa vào tính khả thi trong điều kiện Việt Nam, luận án đề xuất nên lựa chọn bề rộng đê ngầm từ B = 3,0 ÷ 5,0m để thi công. - Ước tính chiều dài bãi bồi lớn nhất: Chiều dài lớn nhất của bãi bồi sau đê chắn sóng tính từ bờ ys được ước tính theo hệ thức của Suh và Dalrymple (1987): y s  14 ,8 X  GX exp  2 ,83 L2 ( GX ) / L 2  Thay các giá trị tương ứng: X = (120 ÷ 170)m, G = (90 ÷ 110)m, L = (200 ÷ 300)m vào ta được: - Với X = 120m, G = 90m, L = 200m, ta được: y s  14, 8  120    90  120 exp  2 ,83 ( 90  120 ) / 200 2  110 , 2 m 2 200 - Với X = 170m, G = 110m, L = 290m ta được: y s  14 ,8  170    110  170 exp  2, 83 (110  170 ) / 290 2  147 ,3 m 2 290 ys = (110,2 ÷ 147,3) m cho thấy đê ngầm có tác dụng tạo nên phần bãi bồi thể doi cát nhọn (salient), không phát triển đến sát đê ngầm và như vậy đê ngầm sẽ không chặn mà vẫn duy trì được dòng ven, duy trì cung cấp cát, phù sa cho đoạn bờ biển phía dưới. Từ các tính toán trên ta có thể lựa chọn công trình đê ngầm phá sóng, gây bồi bãi đối với khu vực Hải Hậu như trong Bảng 4.5 dưới đây. Bảng 4.5. Các thông số kỹ thuật đề xuất của công trình đê ngầm phá sóng đối với khu vực Hải Hậu Ghi chú Các thông số kỹ thuật Giá trị đề xuất Khoảng cách từ bờ đến đê ngầm (X) (120 ÷ 170)m Luận án đề xuất X = 150m Chiều dài đê ngầm (L) (200 ÷ 300)m Luận án đề xuất L = 200m Khoảng cách giữa các đê ngầm (G) (90 ÷ 110)m Luận án đề xuất G = 110m Bề rộng đỉnh đê ngầm (B) (3,0 ÷ 5,0)m LA mô phỏng với B = 5m Cao trình đỉnh đê ngầm (∆) > +1,30m Hai mái đê ngầm (m1 , m2 ) 1:2 Luận án đề xuất ∆ = +1,40m Đê có mái cả hai phía 112 4.2.4. Tính toán chế độ thủy thạch động lực với cụm công trình đề xuất chỉnh trị đối với khu vực nghiên cứu 4.2.4.1. Kết quả tính toán diễn biến bãi và dự báo diễn biến đường bờ khi không có công trình chỉnh trị (bãi tự nhiên) 1. Tính toán diễn biến bãi: Các kết quả tính toán ở các Hình 4.14(a, b, c) và 4.15(a, b, c) dưới đây cho thấy: Trong gió mùa Đông Bắc, dưới tác động của gió mùa với cường độ mạnh và duy trì ở tần suất đều đã gây quá trình xói bãi tại ven biển Hải Hậu, bãi bị biến động mạnh nhất trong khoảng 800m - 1000m tính từ chân đê trở ra (đến độ sâu khoảng 3,0 đến -4,0m). Độ sâu xói trung bình trong gió mùa Đông Bắc khoảng 0,35m, khu vực ven bờ bị biến động mạnh nhất, càng ra xa cường độ sẽ càng giảm hơn. Ngược lại, đến mùa gió Tây Nam, bãi tại khu vực Hải Hậu lại có xu thế bồi, tuy nhiên lượng bồi nhẹ, trung bình khoảng 0,2m. Hình 4.14a. Phân bố trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Đông Bắc, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 450 ) 113 Hình 4.14b. Phân bố trường dòng chảy sóng khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Đông Bắc, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 450 ) Hình 4.14c. Kết quả tính diễn biến hình thái khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Đông Bắc, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 450 ) 114 Hình 4.15a. Phân bố trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Tây Nam, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 1350 ) Hình 4.15b. Phân bố trường dòng chảy sóng khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Tây Nam, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 1350 ) 115 Hình 4.15c. Kết quả tính diễn biến hình thái khu vực ven biển Hải Hậu trong gió mùa Tây Nam, điều kiện địa hình bãi tự nhiên (Hướng sóng 1350 ) Từ kết quả tính toán vận chuyển trầm tích (ứng với mỗi một phương án tính sóng là một kết quả tính toán vận chuyển trầm tích) cho vùng ven biển Hải Hậu. Tiến hành trích xuất mặt cắt ngang tại khu vực Hải Triều - Hải Hòa (Khoảng vị trí mặt cắt HH02), lấy tổng trên toàn bộ độ dài mặt cắt và tổng theo thời gian 20 năm sẽ được lượng vận chuyển qua mặt cắt trong thời gian đó. Kết quả tính vận chuyển trầm tích tương ứng với các phương án trên (22 PA) trong thời gian 20 năm được thể hiện như trong hình 4.16. Vì vậy, tổng hợp các phương án tính trên, cho ra lượng vận chuyển dọc bờ qua một mặt cắt vuông góc với bờ: Q = a1 *Q1 +a2*Q2 +… a22*Q22 ; trong đó: a1 , a2 , a3 .. a22 là tần suất xuất hiện trong khoảng thời gian 20 năm được xét; Q1 , Q2 , . . . Q22 là lượng vận chyển dọc bờ tương ứng với 22 phương án. 116 Giá trị dương (+): Vận chuyển xuống phía Nam Giá trị âm (-): Vận chuyển lên phía Bắc 6.00E+06 m3/năm 5.00E+06 4.00E+06 3.00E+06 2.00E+06 1.00E+06 0.00E+00 -1.00E+06 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Các phương án Hình 4.16. Lượng vận chuyển trong các phương án tính toán (xét với 20 nă m) Lấy trung bình từng năm để đưa ra cán cân cân bằng trầm tích dọc bờ trong 1 năm, kết quả được thể hiện trong hình 4.17 dưới đây. Hình 4.17. Tổng lượng đến và đi trong 1 năm theo tính toán với địa hình tự nhiên, không có công trình với số liệu sóng đại diện cho 20 năm tại khu vực Hải Hậu Từ bảng phân bố sóng trong các phương án tính toán có thể nhận thấy tồn tại sự bất đối xứng về trường sóng truyền từ hai phía Đông Bắc và Đông Nam. Điều này gây lên dòng vận chuyển xuống phía Nam chiếm ưu thế. Các kết quả tính toán cho thấy, ở khu vực Hải Hậu nói chung dòng vận chuyển trầm tích có xu hướng xuống phía Nam. 117 Nhìn chung, tổng lượng bồi/xói trung bình trong một năm tại vùng ven biển Hải Hậu là có xu thế bãi bị xói, theo tính toán đối với khu vực Hải Triều - Hải Hòa (khu vực bãi biển đang diễn ra quá trình xói mạnh), trong một năm bãi biển tại đây lượng bùn cát bị mất đi khoảng 105.103 m3 /năm. Việc bãi biển Hải Hậu vẫn diễn ra quá trình biển tiến, bãi bị xói mạnh trong các năm gần đây cho thấy cần phải có hệ thống công trình chỉnh trị nhằm ngăn chặn vấn đề trên, bảo vệ tuyến đê biển phòng hộ cho cư dân đang sinh sống ở phía trong cũng như an sinh xã hội của người dân nơi đây là điều rất cần thiết. 2. Tính toán dự báo biến động đường bờ trong điều kiện tự nhiên: Hình 4.18 dưới đây là kết quả tính toán dự báo biến động đường bờ khu vực Hải Hậu trong 10 năm tới (2009 - 2020). Số liệu sóng đầu vào được trích xuất từ mô hình Mike 21 tại biên O(1)(XO(1), YO(1)) của miền lưới lớn trong Genesis, sau đó tính lặp lại trong các năm liên tiếp từ thời gian bắt đầu năm 2009 và tiếp tục kéo dài đến năm 2020. Kết quả tính toán dự báo xu thế biến động đường bờ tự nhiên đến năm 2020 của khu vực Hải Hậu cho thấy, biến động đường bờ lớn nhất dao động trong khoảng +/- 250 m, thể hiện xu thế bồi tụ và xói lở xen kẽ trên các đoạn đường bờ từ cửa Hà Lạn (km0) đến cửa Lạch Giang (km25), nhưng cán cân bồi - xói chủ yếu vẫn thiên về xói. Đoạn đường bờ từ cửa Hà Lạn (từ Km0 đến Km4) không thể hiện xu thế biến động rõ rệt, khá ổn định. Khu vực đường bờ thuộc địa phận từ xã Hải Lý đến xã Hải Triều có mức biến động xói lở mạnh nhất trên toàn tuyến Hải Hậu, với mức độ biến động đến 170m trong thời gian dự báo 10 năm. Khu vực Hải Hòa (Km17), Hải Thịnh (Km20) có xu thế bị xó i lở nhưng với cường độ nhỏ hơn so với tại khu vực Hải Lý - Hải Triều. Nhìn chung, theo tính toán dự báo trong 10 năm tiếp theo (2009 - 2020), đường bờ tự nhiên tại Hải Hậu vẫn có xu thế tiếp tục diễn ra quá trình xói lở, biển tiến, mức độ tùy thuộc vào từng khu vực đường bờ, bãi khác nhau. 118 Hình 4.18. Kết quả tính toán dự báo biến động đường bờ khu vực Hải Hậu - Nam Định giai đoạn 2009 - 2020 Kết quả tính toán của mô hình Genesis cũng thể hiện một điều: Dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ chiếm ưu thế nên gây ra quá trình biến động đường bờ, mà chủ yếu là gây xói lở, phù hợp với thực tế tại Hải Hậu. Vì đây là mô hình tính toán diễn biến đường bờ dài hạn do dòng vận chuyển dọc bờ gây ra, không tính đến dòng ngang bờ (giả thiết mô hình đã nêu). Mặt khác, dữ liệu đường kính hạt cát trung 119 bình d50 = 0,14mm đưa vào làm đầu vào tính toán của mô hình là giá trị phân tích từ thực đo, độc lập và không liên quan đến nguồn bùn cát từ các cửa sông (mô hình không xét đến nguồn bùn cát từ cửa sông). Kết hợp với hình ảnh phân bố hoa gió tại các trạm Bạch Long Vĩ, Cồn Cỏ trong 20 năm (xem hình 2.29 và 2.30), và bảng phân bố sóng trong các phương án tính toán (bảng 2.7) có thể nhận thấy tồn tại sự bất đối xứng về trường sóng truyền từ hai phía Đông Bắc và Đông Nam (các hướng có ảnh hưởng tới khu vực Hải Hậu), thì các sóng truyền từ hướng Đông Bắc, Đông chiếm ưu thế vượt trội. Tất cả những điều phân tích này để minh chứng và khẳng định cho kết luận rằng dòng chảy ven bờ do sóng có ảnh hưởng quyết định đến sự xói lở vùng bãi, đê kè tại vùng biển Hải Hậu (nhất là trong gió mùa Đông Bắc) không chỉ dựa vào số liệu đo đạc thực tế về sóng, dòng chảy ven và diễn biến bờ - bãi, mà còn được minh chứng qua mô hình tính toán diễn biến đường bờ dài hạn do dòng vận chuyển dọc bờ gây ra, đó là mô hình Genesis. 4.2.4.2. Tính toán với PA chỉnh trị khu vực Hải Triều - Hải Hòa 1. Tính toán diễn biến bãi khi có hệ thống công trình chỉnh trị: Khu vực đề xuất hệ thống công trình phức hợp chỉnh trị trên bãi là khu vực có tuyến đê biển xung yếu nhất (thuộc xã Hải Triều - Hải Hòa) của huyện Hải Hậu (khoảng Km17 - Km22), tại đây biển đã tiến sát chân đê và sóng vỗ trực tiếp vào đê biển ngay cả những lúc triều kiệt. Với PA đề xuất gồm 07 mỏ hàn chữ T kết hợp với 05 đê ngầm phá sóng, đặt ở vị trí cách bờ 150m, tại cao trình đáy khoảng -1,0m. Hệ thống công trình này có tác dụng giảm sóng, ngăn dòng bùn cát dọc bờ và tạo bồi bãi, bờ biển. Để xem xét sự biến động bãi khi có hệ thống công trình bố trí và tính hiệu quả trong việc giảm sóng, tạo bồi, tiến hành tính toán với các trường hợp sóng trong gió mùa Đông Bắc, Tây Nam với các hướng bất lợi (22 PA) và trong Bão (Damrey, 2005). Kết quả tính toán thể hiện trong các hình từ 4.19(a, b,c) ÷ 4.22(a, b,c) dưới đây đại diện cho các PA sóng xiên góc, vuông góc với bờ và trong bão (Damrey, 2005), các PA còn lại trong tổng số 22 PA đã đưa ra được thể hiện trong Phụ lục 3. 120 Hình 4.19a. Phân bố trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA4 - hướng sóng 450 ) Hình 4.19b. Phân bố trường dòng chảy sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA4 - hướng sóng 450 ) Hình 4.19c. Kết quả tính diễn biến hình thái khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA4 - hướng sóng 450 ) 121 Hình 4.20a. Phân bố trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA11 - hướng sóng 900 ) Hình 4.20b. Phân bố trường dòng chảy sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA11 - hướng sóng 900 ) Hình 4.20c. Kết quả tính diễn biến hình thái khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA11 - hướng sóng 900 ) 122 Hình 4.21a. Phân bố trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA21 - hướng sóng 1350 ) Hình 4.21b. Phân bố trường dòng chảy sóng khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA21 - hướng sóng 1350 ) Hình 4.21c. Kết quả tính diễn biến hình thái khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình (PA21 - hướng sóng 1350 ) 123 Hình 4.22a. Phân bố trường sóng trong bão (Damrey 2005) khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình Hình 4.22b. Phân bố trường dòng chảy sóng trong bão (Damrey 2005) khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình Hình 4.22c. Kết quả tính toán diễn biến hình thái trong bão (Damrey 2005) khu vực ven biển Hải Hậu, điều kiện địa hình bãi có công trình 124 Từ các kết quả tính toán cho thấy, hệ thống công trình đã có tác dụng giảm sóng, tạo bồi trong tất cả các trường hợp gió mùa. Trong bão với hệ thống công trình này cũng đã hạn chế được rất nhiều sự tác động của sóng trong bão đối với hệ thống đê biển, làm giảm năng lượng của sóng khi đi qua công trình chỉnh trị. Mặt khác, các mỏ hàn chữ T còn có tác dụng ngăn dòng bùn cát dọc bờ, vì ven bờ biển Hải Hậu dòng bùn cát dọc bờ chiếm ưu thế và dòng luôn có xu hướng mang nguồn bùn cát xuống phía Nam nhiều hơn nên gây xói bãi, thiếu nguồn bùn cát. Chính các hệ thống mỏ chữ T đã có tác dụng ngăn chặn vấn đề mất bùn cát và gây bồi như trên hình vẽ đã thể hiện. Mặc dù vậy xung quanh các đầu mỏ hàn, đê ngầm vẫn xảy ra hiện tượng xói chân công trình, điều này cho thấy phải có lựa chọn để gia cố về chân đê và mái đê ngầm cho phù hợp. Việc này cần có sự kết hợp với thí nghiệm trên mô hình vật lý về giải pháp và vật liệu thiết kế công trình. Với kết quả tính toán ở trên, cho thấy hệ thống công trình đã ngăn được khoảng 40% lượng bùn cát mất đi, gây bồi phía trong công trình đó là một hiệu quả đáng kể. Tổng lượng bùn cát tính toán với phương án công trình đã thể hiện điều đó (xem Hình 4.23). Hình 4.23. Tổng lượng đến và đi trong 1 năm theo tính toán với địa hình bãi có công trình với số liệu sóng đại diện cho 20 năm tại khu vực Hải Hậu Như vậy, một lượng bùn cát được giữ lại để gây bồi khu vực phía trong công trình còn lại vẫn có một lượng bùn cát di chuyển xuống phía Nam để không làm thiếu lượng bùn cát ở phía Nam của Hải Hậu. 125 2. Kết quả tính toán biến động đường bờ sau khi có công trình chỉnh trị: Hình 4.24 bên dưới là kết quả tính toán dự báo biến động đường bờ khu vực Hải Hòa - Hải Triều, Hải Hậu cho các giai đoạn 5 năm (2012 - 2017) và 10 năm (2012 - 2022) tới sau khi có hệ thống công trình chỉnh trị trên bãi. Số liệu sóng đầu vào được trích xuất từ mô hình Mike 21 tại biên O(2) (XO(2 ), YO(2 )) của lưới miền tính nhỏ trong Genesis, sau đó tính lặp lại trong các năm liên tiếp từ thời gian bắt đầu năm 2012 và tiếp tục kéo dài đến các năm 2017 và 2022. Kết quả tính toán cho thấy việc bố trí hệ thống công trình đề xuất đã gây bồi, tạo cho bãi biển ổn định hơn. Hình 4.24. Tính toán biến động đường bờ khu vực Hải Hậu khi bãi có công trình 126 Vùng bãi của 5/7 mỏ hàn chữ T có xu hướng được bồi mạnh sau công trình. Các mỏ chữ T ở khu vực phía Nam có xu hướng được bồi trước và bồi mạnh hơn các mỏ chữ T ở phía Bắc. Tại hai mỏ chữ T phía Nam HT6 và HT7 sự bồi tụ diễn ra mạnh, phía sau mỏ HT7 mức độ bồi là 100m/10 năm, còn tại HT6 mức độ bồi giảm còn khoảng 80m/10 năm. Tại hai mỏ HT4 và HT5 chỉ có hiện tượng bồi tụ nhẹ sau công trình, nhưng bờ biển lại giữ được sự ổn định, không bị xói. Tại vị trí của cả 3 mỏ chữ T ở phía Bắc bãi đều được bồi khá mạnh, nhất là tại vị trí của mỏ HT1. Tại khu vực các đê ngầm, đường bờ vẫn có xu hướng hình thành bãi bồi, đối với HN1 giá trị bồi khoảng 40m/10 năm còn đối với HN2 giá trị bồi tụ nhỏ hơn, khoảng 20m/10 năm. Tại ba đê ngầm phía Nam gồm HN3, HN4 và HN5 chỉ có sự bồi nhẹ nhưng bãi đã được bảo vệ, không bị xói. 4.2.4.3. Nhận xét chung: 1) Với phương án công trình hệ thống mỏ hàn chữ T kết hợp đê ngầm phá sóng bố trí từ Hải Triều tới Hải Hòa (Km17 - Km22), kết quả tính toán cho thấy: hệ thống công trình góp phần ổn định bãi, khu vực bồi mạnh nhất là khu vực bờ sau các mỏ chữ T: HT7 và HT6 giá trị bồi tụ khoảng 100m/10 năm ứng với HT7 và 80m/10 năm ứng với HT6, các mỏ chữ T khác mức độ bồi tụ nhỏ hơn hoặc không có nhưng bờ biển về cơ bản đã được bảo vệ, không còn hiện tượng xói. Tại các đê ngầm HN1 và HN2 có xuất hiện hình thái bồi tụ khá mạnh, giá trị bồi tụ khoảng 40m/10 năm ứng với HN1 và 20m/10 năm ứng với HN2, các vị trí đê ngầm khác tuy không có sự bồi tụ mạnh bằng, nhưng bãi đã được ổn định, không có hiện tượng xó i lở. Nhìn chung, hệ thống công trình phát huy hiệu quả tăng sự ổn định của bãi và bảo vệ hệ thông đê kè biển tại đây. 2) Từ cửa Hà Lạn tới Lạch Giang ta thấy ứng với trường hợp bãi tự nhiên cán cân bồi xói thiên xói là -0,34 trong khi đó ứng với trường hợp bãi có công trình là 0,24. Tương tự như vậy khi tính diễn biến bãi và tính lượng vận chuyển bùn cát đối với khu vực Hải Hậu và so sánh trong trường hợp tự nhiên với bãi có công trình đã cho thấy được hiệu quả của hệ thống công trình trên bãi. Điều này cho thấy, hệ 127 thống công trình đã bảo vệ tốt vùng bờ phía sau công trình và làm giảm được mức độ xói, giữ được khoảng 40% lượng bùn cát tại khu vực công trình. 4.3. ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG XÓI LỞ VÀ BẢO VỆ BÃI, ĐÊ BIỂN HẢI HẬU 4.3.1. Đánh giá hiệu quả các biện pháp công trình giảm sóng, tạo bồi trên bãi biển đã thực hiện tại Hải Hậu 4.3.1.1. Các loại công trình giảm sóng tạo bồi trên bãi Hải Hậu Công trình ngăn cát giảm sóng (NCGS): Ngoài công trình chủ yếu là gia cố mái, có một số đoạn đã sử dụng hệ thống công trình ngăn cát giảm sóng. Hệ thống 5 mỏ hàn chữ T (MCT) xây dựng từ năm 2005 tại khu vực thôn Tân Thịnh, Tân Anh xã Hải Thịnh, chiều dài thân mỏ 45m, cánh dài 60m, khoảng cách giữa các mỏ là 140m [9], [58]. MCT cấu tạo từ các ống buy bê tông cốt thép (BTCT) cắm sâu vào đệm đá. Hệ thống 9 bẫy cát biển (BCB) được xây dựng năm 2011 tại khu vực Kiên Chính, chủ yếu dùng khối Tetrapod xếp với nhau tạo thành hệ thống [58]. 4.3.1.2. Phân tích chung về hiệu quả công trình Về công trình mỏ hàn biển (MHB), MCT, BCB: Trước năm 2005 đã có một số công trình được xây dựng như: hệ thống mỏ hàn Hải Lý (1977 - 1982), hệ thống mỏ hàn Hải Thịnh 2. Kết cấu chung của loại mỏ hàn này là bằng ống buy kết hợp đá đổ và các khối bêtông. Các mỏ hàn này thường ngắn, cao trình đỉnh thấp, bố trí chưa khoa học nên hầu như không đạt hiệu quả như mong muốn. Sau năm 2005, đã bắt đầu thử nghiệm một số loại công trình MCT, BCB để giảm sóng, gây bồi bãi. Các công trình này đã có nhiều cải tiến trong kết cấu so với mỏ hàn ống buy, ứng dụng các khối Tetrapod phá sóng. Mặc dù qua nghiên cứu ban đầu cho thấy hiệu quả giảm sóng, tạo bồi ở một số công trình như hệ thống công trình Kiên Chính, nhưng do việc thiết kế phần lớn là dạng thử nghiệm, lại chưa trải qua thử thách trong các điều kiện cực hạn thiết kế nên việc đánh giá đầy đủ hiệu quả các loại công trình này cần phải tiếp tục nghiên cứu thử thách với thời gian dài hơn. Tuy nhiên, bước đầu có thể sơ bộ đánh giá được hiệu quả cũng như những tồn tại của loại công trình này. 128 4.3.1.3. Hiệu quả công trình Cho đến nay, các trường hợp sử dụng MCT đều cho hiệu quả chưa lớn, nhưng có thể nói là khả quan. Đáng kể nhất là công trình Hải Thịnh 2 có tác dụng gây bồi theo mùa nhưng tạm thời và rất hạn chế, công trình bị một số hư hỏng khi chịu tác động của sóng bão lớn. - Gây bồi khu vực trong công trình: Sau khi xây dựng công trình đến nay, bãi tại khu Hải Thịnh 2 được bồi cao bình quân từ (0,5 - 1,6) m; chiều rộng từ chân đê trở ra khoảng (50 - 60)m. Hiệu quả gây bồi nhanh chóng thể hiện rõ ở BCB Kiên Chính xây dựng năm 2011. - Giảm sóng: Sóng biển qua ĐGS sẽ giảm độ cao, từ đó giảm độ cao sóng leo và tác động xung kích lên mái kè. Từ đó suy luận ra sẽ tránh được tình trạng sóng tràn qua đỉnh đê và phá hoại kết cấu đê và mái kè như đã xảy ra vào năm 2005. Hình 4.25. Hiệu quả gây bồi của BCB 4.3.1.4. Những vấn đề tồn tại - Về mỏ hàn chữ T: + Kích thước mặt bằng vẫn chưa tuân thủ hoàn toàn theo chỉ dẫn của 14TCN130 - 2002. Phần thân chưa vươn ra dải sóng vỡ, phần cánh còn ngắn (Hải Thịnh 2), nên sóng vẫn xô vào tận bờ và gốc MCT, lượng cát bồi tụ ít. + Cao trình đỉnh MCT còn chưa đạt đến mực nước trung bình, hạn chế hiệu quả ngăn cát, giảm sóng khi mực nước cao và sóng lớn. 129 + Kết cấu phần cánh sử dụng kết cấu ống buy, hiệu quả giảm sóng rất hạn chế, đồng thời gây ra hiệu ứng sóng đứng, dẫn đến xói chân, bất lợi cho ổn định của công trình. - Về công trình hỗn hợp bẫy cát biển (BCB): + Vị trí đặt ĐGS (đê giảm sóng - thân) quá gần bờ và cao trình còn thấp, chưa phát huy được hiệu quả giảm sóng và ngăn cát. Theo chỉ dẫn, vị trí từ đường bờ đến tim ĐGS bằng (1,0 ÷ 1,5) lần độ dài sóng nước sâu. Do vậy hiệu quả giảm sóng của đê không cao. + Chiều dài ĐGS (cánh), theo chỉ dẫn lấy bằng (1,5 ÷ 3,0) lần khoảng cách từ bờ đến ĐGS, thiết kế của BCB lấy bằng 1,0 lần là còn thiên nhỏ. 4.3.1.5. Lựa chọn giải pháp cho đoạn bờ cần chỉnh trị Từ những phân tích đánh giá ở trên cho thấy, đối với vùng biển Hải Hậu dạng mỏ hàn biển vuông góc với bờ kết hợp với đê giảm sóng sẽ cho hiệu quả cả về giảm sóng, ngăn cát và gây bồi bãi, bảo vệ bờ - đê biển. Những lựa chọn này được dựa trên các căn cứ và tiêu chí sau: - Những mỏ hàn thẳng đã từng được xây dựng ở một số nơi ven biển Nam Định trước năm 2005 như: Mỏ hàn bằng đá đổ ở Văn Lý, mỏ hàn ống Buy ở Đông Tây cống Thanh Niên, Cổ Vậy, đều đã thất bại, không đem lại hiệu quả. - Các dạng mỏ hàn chữ T, đê giảm sóng, bẫy cát biển được bố trí ở những khu vực như: Đông - Tây cống Thanh Niên, Kiên Chính, Hải Thịnh II, Nghĩa Phúc,… Tuy chỉ là những nghiên cứu, bố trí dưới dạng thử nghiệm nhưng đã cho hiệu quả tích cực. Mặc dù vẫn còn tồn tại một số vấn đề cần phải khắc phục để đạt hiệu quả cao hơn nữa. - Đê giảm sóng là đối tượng chủ động tương tác với sóng, chúng sẽ có tác dụng làm suy giảm chiều cao sóng khi đi qua hệ thống công trình do đó sẽ làm g iảm năng lượng sóng, giảm được tác động xung kích của sóng lên bãi, đê - kè ven biển Hải Hậu. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy đê giảm sóng có tác dụng gây bồi bãi biển rất tốt nếu như lựa chọn được các thông số kỹ thuật và bố trí mặt bằng hợp lý với khu vực cần chỉnh trị. 130 - Mỏ hàn biển vuông góc với bờ sẽ có tác dụng ngăn dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ đối với những vùng biển có dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ chiếm ưu thế, điều này rất phù hợp với Hải Hậu. - Tuy nhiên chỉ sử dụng mỗi mỏ hàn thẳng hay chỉ mỗi đê giảm sóng sẽ không mang lại hiệu quả tốt nhất. Do đó cần phải có sự kết hợp giữa hai dạng công trình này để tạo thành dạng công trình phức hợp. Có thể tạo thành dạng chữ T, dạng BCB hoặc có thể xen kẽ lẫn nhau để vừa tạo được hiệu quả, tránh sự lãng phí và tốn kém. - Theo các sách chỉ dẫn, kết quả và kinh nghiệm của thế giới đều khuyến nghị rằng: Trong điều kiện thủy hải văn phức tạp, chế độ sóng diễn biến theo mùa, nhiều bão, bồi xói biến động theo thời gian và không gian, có thể sử dụng giải pháp kết hợp MHB và ĐGS, tạo thành công trình dạng chữ T [58], [59], (xem [83]). - Theo [59], dựa vào đặc điểm địa hình, hình dạng mặt cắt bãi biển đặc trưng và chế độ thủy thạch động lực của vùng Bắc Bộ (trong đó có Hải Hậu). Kết hợp với các nghiên cứu, tiêu chuẩn trong và ngoài nước các tác giả cũng đã đưa ra “Nguyên tắc bố trí không gian hợp lý công trình ngăn cát, giảm sóng bảo vệ đê biển và bờ biển” đối với khu vực nghiên cứu trong đó có dạng mỏ chữ T và đê giảm sóng. Như vậy, từ thực tế các công trình ngăn cát, giảm sóng đã xây dựng (mặc dù mang tính thử nghiệm) đối với khu vực Hải Hậu nhưng cũng đã cho các kết quả rất khả quan. Mặt khác, với những kết quả thí nghiệm, tính toán mô phỏng để nhằm lựa chọn các thông số công trình cũng như đánh giá hiệu quả của công trình ở trên, cho thấy hệ thống công trình đề xuất gồm 07 mỏ chữ T kết hợp với 05 đê giảm sóng đối với khu vực bãi Hải Triều - Hải Hòa, Hải Hậu là có cơ sở khoa học và cho hiệu quả tốt. Khi tiến hành bố trí mặt bằng và tính toán các thông số công trình thiết kế hệ thống công trình phức hợp này cần phải lưu ý các hạn chế của các dạng công trình đã nêu ở trên để nhằm đạt hiệu quả cao. 4.3.2. Đề xuất giải pháp chỉnh trị cho khu vực nghiên cứu 4.3.2.1. Quy hoạch tuyến và khu vực cần chỉnh trị đối với vùng ven biển Hải Hậu Đối với khu vực bờ, đê biển Hải Hậu có thể chia theo 03 cấp độ khác nhau với các giải pháp phù hợp như sau: a- Tuyến nguy hiểm: Hải Lý, Hải Chính, Hải Triều, Hải Hòa, Hải Thịnh. 131 b- Khu vực rất nguy hiểm: Hải Triều, Cồn Tròn - Hải Hòa, kè Hải Thịnh. c- Tuyến ít nguy hiểm: Tuyến đê biển 2 và khu vực cửa Hà Lạn. - Tại những khu vực (b) và tuyến (a) này thì phương án khả thi để tồn tại trong điều kiện đủ chống được sóng, mực nước theo tần suất thiết kế cần có biện pháp giảm thiểu chiều cao sóng tác động lên mái đê và sóng leo, tràn bằng công trình phá sóng ngầm trước đê và giải pháp thay đổi mặt cắt mái kè biển như làm cơ đê nhằm giảm sóng leo và tràn. Việc phối hợp giữa công trình ngầm phá sóng, mỏ hàn và mỏ chữ T nhằm giữ bãi, gây bồi và giảm sóng leo bằng cơ đê ngoài sẽ khắc phục được sự bất cập hiện nay giữa yêu cầu chống được sóng lớn triều cường nhưng không tăng quá mức cao trình đỉnh của hệ thống đê biển hiện tại. - Bố trí đê 2 tuyến ở những nơi địa hình thuận lợi, tuyến I cho phép tràn nên được bảo vệ cả 3 mặt bằng kè lát mái. 4.3.2.2. Đề xuất giải pháp Dựa vào phân tích quy luật biến động đường bờ, bãi biển và kết quả nghiên cứu giảm sóng bằng hệ thống đê ngầm, mỏ hàn chữ T đã đề xuất phương án công trình đối với khu vực Hải Triều - Hải Hòa: Lựa chọn bố trí công trình giảm sóng giữ bãi là hệ thống mỏ chữ T kết hợp với đê ngầm giảm sóng, gồm có 07 mỏ hàn chữ T kết hợp với 05 đê ngầm phá sóng (Hình 4.24), cấu tạo như sau: a) Thân mỏ hàn: - Chiều dài thân: 150,0m - Cao trình đỉnh thân: + Đoạn 1 (đoạn ven bờ): 1,75m + Đoạn 2 (đoạn giữa): thay đổi theo độ dốc bãi + Đoạn 3 (đoạn phía biển): -1,00m - Cao trình đáy thân mỏ hàn thay đổi, giảm dần ra phía biển. - Khoảng cách giữa các thân: 310,0m - Kết cấu thân: Các cấu kiện Reef Balls và đá hộc b) Cánh mỏ hàn: - Chiều dài cánh: 200,0m - Cao trình đỉnh cánh: +1,40m 132 - Cao trình đáy cánh: -1,0m - Khoảng cách giữa các cánh: 110,0m. - Kết cấu cánh: Geotubes và tetrapod. h¶ IT RI W ÒU N E cèng H¹ T R¹I S h ¶ IH ß A KM19 +2.0 KM18 + 2.0 + 2.0 KM20 KM21 +2.0 KM22 +2.0 h IT ¶ H IN H + 2.0 KM23 + 2.0 tû lÖ gèc Hình 4.26. Phương án bố trí hệ thống công trình bảo vệ bờ và tạo bãi khu vực Hải Hòa - Hải Triều 4.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 Từ kết quả thí nghiệm mô hình vật lý đã lựa chọn, đề xuất được bộ thông số công trình đê ngầm phá sóng rất quan trọng cho khu vực Hải Hậu: cao trình đỉnh đê ngầm (∆ = +1,4m, hoặc có thể cao hơn tùy vào mục đích và khả năng đầu tư), chiều rộng đỉnh đê ngầm (B = 3,0 ÷ 5,0m), mái đê (m = 1:2) cho cả hai phía. Đây là những thông số luôn gặp rất nhiều khó khăn khi tính toán với mô hình số trị. 133 Từ kết quả thí nghiệm trên mô hình vật lý về tương tác sóng - công trình, dựa vào điều kiện đầu vào tính toán thực tế của mô hình GENESIS mà trong luận án đã đề ra. Tiến hành trích xuất các giá trị hệ số suy giảm sóng Kt tương ứng với các tham số và vị trí công trình tại cấp mực nước thí nghiệm, để đưa vào phục vụ tính toán mô phỏng diễn biến đường bờ khi có công trình giảm sóng bằng mô hình Genesis (xem bảng 4.4). Ngược lại, mô hình số trị đã cho được những lựa chọn rất hữu ích về kích thước các công trình (dài, ngắn), vị trí bố trí công trình (xa, gần) cũng như tổ hợp các công trình. Bên cạnh đó, từ kết quả tính toán mô phỏng đã đánh giá được hiệu quả của các phương án công trình khi bố trí trên bãi. Mặt khác, với kết quả tính toán diễn biến đường bờ trong điều kiện tự nhiên tại Hải Hậu bằng mô hình Genesis đã minh chứng cho kết luận về một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự mất ổn định, gây xói lở bờ Hải Hậu là do dòng chảy dọc ven bờ, bởi đây là mô hình tính toán biến động đường bờ do dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ gây ra, không tính đến dòng ngang bờ. Sự bổ sung của phương pháp nghiên cứu này sẽ hỗ trợ cho phương pháp kia và ngược lại, kết hợp hai phương pháp nghiên cứu trên mô hình vật lý và mô hình số trị sẽ cho những lựa chọn về hình dạng, kích thước và các thông số kỹ thuật tốt nhất của công trình đê ngầm phá sóng, gây bồi trên bãi Hải Hậu. Cao trình đỉnh đê ngầm đề xuất trong luận án (∆ = +1,40m) tương ứng với mực nước thiết kế tần suất 5% + nước dâng 0,8m, có h = 2,2 + 0,8 = 3,0m (phù hợp với đê biển hiện trạng theo Quyết định số 58/QĐ-TTg ký ngày 14/3/2006 của Thủ tướng Chính phủ). Ứng với mực nước này, theo kết quả thí nghiệm thì đê ngầm đã có tác dụng làm suy giảm được trung bình tối thiểu 30% độ cao sóng. Mặc dù khu vực nghiên cứu có biên độ dao động mực nước thủy triều khá lớn (hơn 4,0m) và điều này cũng phần nào ảnh hưởng đến hiệu quả của công trình. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên, cao trình đỉnh đê ngầm có thể được nâng cao hơn nữa, tùy vào mục đích sử dụng, khả năng đầu tư xây dựng và định hướng quy hoạch đối với khu vực nghiên cứu. 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ A. KẾT LUẬN 1. Luận án đã bước đầu xác định được một số quy luật, quan hệ biến đổi mặt cắt ngang bãi biển dưới tác động của các chế độ động lực, nhất là sóng biển dựa trên chuỗi số liệu thực đo dài hạn các điều kiện chế độ gió, sóng trong mùa gió Đông Bắc, Tây Nam tại vùng nghiên cứu. Từ các số liệu đo đạc diễn biến mặt cắt ngang bãi nhiều năm đại diện cho từng khu vực dọc ven bờ Hải Hậu, thống kê phân tích và đề xuất ứng dụng dạng phương trình đặc trưng cho khu vực này là dạng hàm Logarit (phương trình 3.6), các bộ tham số trong phương trình là những tham số đại diện cho địa phương và thể hiện cho quy luật biến động bãi của khu vực đó. 2. Xác định nguyên nhân gây bồi, xó i và mất ổn định vùng bờ, bãi biển Hải Hậu làm căn cứ đưa ra phương án chỉnh trị cho từng khu vực dọc bờ biển nghiên cứu dựa trên các tài liệu lịch sử, tài liệu viễn thám, số liệu đo đạc,… sau đó tiến hành chập bản đồ các giai đoạn, phân tích biến động hình thái các cửa sông và thống kê, phân tích các dữ liệu đo đạc. 3. Kết quả nghiên cứu trên mô hình vật lý cho thấy, với hệ thống đê ngầm phá sóng đạt tiêu chuẩn d  0 ,5 thì hệ số giảm sóng Kt đạt giá trị trung bình khoảng từ h 0,7 ÷ 0,8 tương ứng với độ cao sóng đã giảm được tối thiểu từ 20% ÷ 30% sau công trình. Đối với khu vực Hải Hậu, luận án đề xuất cao trình đỉnh đê ngầm ứng với mực nước thiết kế tần suất P = 5% (MN = 2,2m), cộng nước dâng 0,8m là d  0,6 h (hoặc có thể lớn hơn, tùy vào mục đích và khả năng đầu tư), cao trình đỉnh đê sẽ là ∆ = +1,40m, bề rộng đỉnh đê B = (3,0÷5,0)m, mái đê (m1 , m2 ) = 1:2. Khi đó đê ngầm sẽ làm suy giảm được tối thiểu khoảng 25% ÷ 45% độ cao sóng sau đê (tùy vào mực nước cao hay thấp). Cũng từ kết quả thí nghiệm sẽ lựa chọn được các hệ số suy giảm sóng Kt tương ứng với cấp mực nước, để làm đầu vào phục vụ các kịch bản tính toán mô hình biến đổi đường bờ GENESIS tại Hải Hậu khi có hệ thống công trình giảm sóng, tạo bồi trên bãi. 135 4. Kết quả nghiên cứu mô phỏng trên mô hình số trị đánh giá được ảnh hưởng của công trình đến diễn biến đường bờ tại Hải Hậu với các phương án khác nhau về vị trí (bố trí xa, gần so với bờ), kích thước (dài, ngắn), và khoảng cách khe hở giữa các công trình. Từ đó có cơ sở lựa chọn kích thước, vị trí để đặt công trình trên bãi nâng cao được hiệu quả của công trình. 5. Luận án đã đề xuất cụm công trình nhằm giảm sóng, tạo bồi và ổn định bờ, bãi biển nghiên cứu tại trọng điểm xói lở thuộc địa phận xã Hải Triều - Hải Hòa, huyện Hải Hậu. Đó là cụm công trình phức hợp gồm 05 đê ngầm phá sóng, kết hợp với 07 mỏ hàn chữ T. B. KIẾN NGHỊ Kết quả nghiên cứu của luận án có tính khoa học và thực tiễn, đã cung cấp cơ sở khoa học cho lựa chọn, xây dựng giải pháp công trình giảm sóng, tạo bồi trên bãi nhằm phòng chống, giảm nhẹ thiên tai và bảo vệ bãi, bờ biển đối với khu vực Hải Hậu. Tuy nhiên, do lĩnh vực nghiên cứu rộng và phức tạp, một số vấn đề vẫn còn để mở như: ảnh hưởng của dòng chảy trong sông đối với vùng nghiên cứu, loại vật liệu sử dụng để đắp đê ngầm, dạng khối phủ cho đê ngầm, các phương án gia cố chân đê,... cần được tiếp tục nghiên cứu để khi áp dụng vào thực tế sẽ phát huy tốt nhất hiệu quả của công trình. 136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 1. Doãn Tiến Hà, Nguyễn Tuấn Anh (2013), Nghiên cứu quá trình lan truyền sóng tại khu vực cửa Ba Lạt và cửa Lạch Giang theo các kịch bản bãi bồi và công trình chỉnh trị. Tạp chí Nông nghiệp & Phát triển nông thôn, số 17-2013, tr. 51-57; 2. Doãn Tiến Hà, Mạc Văn Dân (2013), Ứng dụng mô hình CEDAS để tính toán, dự báo diễn biến đường bờ biển khu vực Sầm Sơn-Thanh Hóa. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi, số 13-2013, tr. 34-43; 3. Trương Văn Bốn, Vũ Văn Ngọc, Doãn Tiến Hà (2013), Kết quả tính toán thủy triều và vận chuyển bùn cát ven bờ từ cửa Lấp đến cửa Lộc An, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu bằng mô hình toán. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi, số 13-2013, tr. 2-6; 4. Doãn Tiến Hà (2013), Nghiên cứu, mô phỏng sự ảnh hưởng của địa hình và các công trình chỉnh trị trên bãi tại một số cửa sông, ven biển tỉnh Nam Định đến cơ chế lan truyền và suy giảm chiều cao sóng. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi, số 18-2013, tr. 61-68; 5. Nguyễn Khắc Nghĩa, Doãn Tiến Hà (2013), Ảnh hưởng của biến động hình thái vùng cửa Ba Lạt đến sạt lở bờ biển Nam Định và các giải pháp chỉnh trị ổn định. Tạp chí Địa kỹ thuật, số 2 - 2013, tr.3 - 11; 6. Doãn Tiến Hà, Trần Hồng Thái, Trương Văn Bốn, Mạc Văn Dân (2015), Biến động mặt cắt ngang bãi biển tại Hải Hậu theo một số thời kỳ và theo chế độ mùa. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi, số 25, 2 - 2015, tr. 61 - 67; 7. Doãn Tiến Hà, Trần Hồng Thái, Trương Văn Bốn (2015), Nghiên cứu đề xuất các tham số của công trình giảm sóng gây bồi đối với khu vực Hải Hậu, Nam Định. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thủy lợi, số 25, 2 - 2015, tr. 100 - 110. 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu trong nước: [1] Quản Ngọc An, Trịnh Việt An, Nguyễn Khắc Nghĩa (1999), Nghiên cứu thoát lũ các cửa sông vùng ĐBBB, Đề tài cấp bộ-Viện KHTL, Hà Nội. [2] Trịnh Việt An và nnk (2008), “Nghiên cứu sử dụng mô hình LITPACK trong nghiên cứu dự báo biến động xói lở bờ biển phục vụ cho quy hoạch chiến lược bờ biển ở nước ta”, Đề tài cấp cơ sở-Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Hà Nộ i. [3] Bản đồ địa chất và khoáng sản Việt Nam, tỷ lệ 1:50,000, 1:200,000, nhóm tờ Nam Định-Thái Bình. [4] Bộ NN&PTNT (2002), Hướng dẫn Thiết kế đê biển, Tiêu chuẩn Ngành 14 TCN 130-2002. [5] Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (2012), Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển. [6] Trương Văn Bốn và nnk (2012), Nguyên nhân xói mòn, bồi lắng và biến đổi luồng lạch tại khu vực cửa Lấp và cửa Lộc An (Bà Rịa-Vũng Tàu) dựa trên dữ liệu đo đạc thực tế và mô phỏng bằng mô hình số”, Tạp chí KHCN Thủy lợi số 16, tháng 8/2012, Hà Nội. [7] Vũ Thanh Ca, Nguyễn Quốc Trinh (2006), Nghiên cứu về nguyên nhân xói lở bờ biển Nam Định, Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT, Hà Nội. [8] Vũ Minh Cát, Vũ M inh Anh (2006), Mô phỏng chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát khi xây dựng cảng Lạch Huyện, Tạp chí KHCN trường ĐH Thủy lợi, Hà Nội. [9] Chi cục PCLBC-QLĐ Nam Định (2006), Đánh giá sự ổn định công trình, tác động gây bồi và bảo vệ đê của hệ thống kè mỏ hàn Hải Thịnh II (Hải Hậu), Nghĩa Phúc (Nghĩa Hưng) - Kiến nghị các giải pháp hoàn thiện công trình, Đề tài nghiên cứu cấp tỉnh. [10] Nguyễn Quang Chiến (2008), Genesis-Mô hình số trị mô tả biến đổi đường bờ, Giáo trình giảng dạy, Trường Đại học Thủy lợi, Hà Nội. [11] Công ty cổ phần tư vấn XD Nông nghiệp & PTNT Nam Định (2008), Hiện trạng, nguyên nhân xói, bồi và cơ chế phá hoại đê, kè vùng bờ biển tỉnh Nam Định”, Báo cáo Tham luận tại hội thảo khoa học 8/2008, Hà Nội. [12] Dự án (2011), Quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên vùng ven biển tỉnh Sóc Trăng, Sóc Trăng. [13] Dự án qui hoạch (2012), Rà soát, xác định tuyến, cấp đê, vị trí và qui mô các công trình trên đê biển Nam Định có tính tới biến đổi khí hậu và kết hợp giao thông, Bộ Nông nghiệp và PTNT, Hà Nội. 138 [14] Dự án VS/RDE-03 (2004-2011), Chương trình hợp tác nghiên cứu Việt NamThụy Điển 2004-2011. [15] Đỗ Minh Đức (2004), Nghiên cứu sự hình thành và biến đổi quá trình bồi bụxói lở ở đới ven biển Thái Bình-Nam Định, Luận án Tiến sỹ, Đại học Mỏ-Địa chất, Hà Nội. [16] Phạm Văn Giáp, Lương Phương Hậu (1994), Chỉnh trị sông ven biển, Nxb. Xây dựng Hà Nội. [17] Phạm Văn Giáp, Nguyễn Hữu Đẩu, Nguyễn Ngọc Huệ (1998), Công trình bến cảng, NXB Xây dựng, Hà Nội. [18] Doãn Tiến Hà (2010), Tính toán các đặc trưng sóng phục vụ thiết kế công trình đê biển tại một số khu vực ven biển Giao Thủy-Hải Hậu, Nam Định, Luận văn thạc sĩ khoa học, trường ĐH Khoa học Tự nhiên-ĐHQGHN. [19] Lương Phương Hậu (1999), Công trình bảo vệ bờ biển và hải đảo, Tủ sách trường ĐH Xây dựng, Hà Nội. [20] Lương Phương Hậu, Trần Đình Hợi (2003), Lý thuyết thí nghiệm công trình thủy, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội. [21] Lương Phương Hậu, Trịnh Việt An, Lương Phương Hợp (2002), Diễn biến cửa sông vùng đồng bằng Bắc Bộ, Nhà xuất bản xây dựng, Hà Nội. [22] Nguyễn Hoàn và nnk (2002), Tiến hóa trầm tích - Địa mạo - Địa hóa vùng cửa sông Ba Lạt, Dự án Châu thổ Sông Hồng, thuộc chương trình Biến đổi môi trường toàn cầu hợp tác với Hà Lan. [23] Hội Cảng-Đường thủy-Thềm lục địa Việt Nam (2004), Tiêu chuẩn kỹ thuật và chú giải đối với các công trình cảng ở Nhật Bản, Hà Nội. [24] Nguyễn Mạnh Hùng (2010), Biến động bờ biển và cửa sông Việt Nam, NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội. [25] Nguyễn Mạnh Hùng, Dương Công Điển, Nguyễn Vũ Thắng (2011), Tính toán biến động bờ biển khu vực ven biển Hải Hậu Nam Định và châu thổ sông Hồng dưới tác động đồng thời của trường sóng và mực nước, Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần V, Hà Nội. [26] Huyện ủy - Ủy ban nhân dân huyện Hải Hậu (2009), Địa chí Hải Hậu. [27] Vũ Công Hữu (2010), Nghiên cứu chế độ sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích vùng nước biển ven bờ Nam Định, Luận văn thạc sĩ khoa học, trường ĐH Khoa học Tự nhiên-ĐHQGHN. [28] Doãn Đình Lâm (2002), Lịch sử tiến hóa trầm tích Holocen châu thổ sông Hồng, Luận án Tiến sỹ, Đại học KHTN, Hà Nội. [29] Luận chứng kinh tế kỹ thuật bảo vệ đê biển Hải Hậu, năm 1988. 139 [30] Đinh Văn Mạnh và nnk (2008), Nghiên cứu để cập nhật, chi tiết hóa bộ số liệu cơ bản về triều, nước dâng dọc bờ biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam phục vụ tính toán thiết kế, củng cố nâng cấp đê biển, Đề tài trọng điểm cấp Bộ NN&PTNT, Hà Nội. [31] Phạm Thành Nam, Hocine Oumeraci, Magnus Larson và Hans Hanson (2008), Sử dụng một phương trình bậc cao để giải phương trình bảo toàn khối lượng trầm tích, Hà Nội. [32] Nguyễn Thanh Ngà, Quản Ngọc An, Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk (1995), Hiện trạng và nguyên nhân xói lở bờ biển Việt Nam-Đề xuất các biện pháp KHKT bảo vệ và khai thác vùng đất ven biển, Báo cáo kết quả đề tài KT-03-14. [33] Chu Văn Ngợi, Nguyễn Văn Vượng, Đỗ Minh Đức và nnk (2009), Nghiên cứu, đánh giá điều kiện địa công trình và địa môi trường khu vực cửa sông ven biển tỉnh Nam Định phục vụ quy hoạch sử dụng hợp lý lãnh thổ và giảm thiểu tai biến, Đề tài khoa học trọng điểm cấp Đại hoc Quốc gia, Mã số: QGTĐ,07,06. [34] Phạm Văn Ninh (2003), Nghiên cứu cơ chế bồi xói bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Trung tâm KHTN & CNQG, Viện Cơ học, Hà Nội. [35] Phạm Văn Ninh, Đỗ Ngọc Quỳnh, Nguyễn Mạnh Hùng, Đinh Văn Mạnh, Nguyễn Thị Việt Liên (2006), Một số kết quả nghiên cứu về thuỷ thạch động lực và biến đổi đường bờ vùng biển Nam Định, Báo cáo tại Hội thảo về phòng chống thiên tai và bảo vệ bờ biển, Nam Định. [36] Mai Trọng Nhuận và nnk (1996), Nghiên cứu và lập bản đồ địa chất môi trường đới biển nông ven bờ Nga Sơn, Hải Phòng (0 - 30 m nước), tỷ lệ 1/500.000. [37] Trần Nghi, Chu Văn Ngợi và nnk (2000), Tiến hóa trầm tích Kainozoi bồn trũng Sông Hồng trong mối quan hệ với hoạt động kiến tạo, Tạp chí Các khoa học về trái đất 22/4: 290-305, Hà Nội. [38] Nguyễn Khắc Nghĩa (1977 và 1986-1995), Báo cáo đặc điểm khí tượng hải văn vùng ven bờ biển Hải Hậu - Nam Định, Viện Khoa học Thủy Lợi. [39] Nguyễn Khắc Nghĩa (1989), Bản chất hiện tượng xói lở đê, kè biển trong mùa "Nước Rươi" ở ven biển đồng bằng Bắc Bộ. Tuyển tập công trình nghiên cứu khoa học: Sông ngòi-Cửa sông ven biển và công trình chỉnh trị. Viện Khoa học Thủy Lợi, Hà Nội. [40] Nguyễn Khắc Nghĩa (1991), Báo cáo kết quả điều tra khảo sát tổng hợp ven biển Ba lạt-Ninh Cơ, Phối hợp 2 dự án do UNDP tài trợ VIE/80/021 và VIE /87/020. Hà Nội. [41] Nguyễn Khắc Nghĩa (2004), Điều tra cơ bản Biến động hình thái dải ven biển Bắc Bộ và Trung bộ, Dự án ĐTCB từ năm 1999- 2004, Hà Nội. [42] Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk (2005), Nghiên cứu tổng hợp công nghệ dự báo phòng chống xói lở bờ biển, Đề tài cấp cơ sở-Viện Khoa học Thủy lợi, Hà Nộ i. 140 [43] Nguyễn Khắc Nghĩa (2007), Xác định chiều cao sóng trong tính toán thiết kế đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam, Đề tài cấp Bộ NN&PTNT. [44] Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk (2008), Nghiên cứu giải pháp KHCN xây dựng đê biển chống được bão cấp 12, triều cường (từ Quảng Ninh đến Ninh Bình), Kết quả Đề tài cấp Bộ NN&PTNT 2006-2008, Hà Nội. [45] Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk (2010), Theo dõi diễn biến xói lở vùng cửa sông, ven biển Nam Định, Kết quả dự án ĐTCB giai đoạn 2005-2010, Hà Nộ i. [46] Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk (2010), Nghiên cứu bước đầu qui luật cân bằng động của mặt cắt bãi biển và ảnh hưởng của chúng đến ổn định bờ, bãi biển trong điều kiện Việt Nam, Đề tài cấp cơ sở-Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Hà Nội. [47] Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk (2013), Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp tổng thể để ổn định vùng bờ biển Nam Định từ cửa Ba Lạt đến cửa Đáy, Đề tài độc lập cấp Nhà nước mã số ĐTĐL,2010T/28, Hà Nội. [48] Vũ Văn Phái, Nguyễn Xuân Trường (1992), Lịch sử phát triển bờ biển rìa Delta sông Hồng trong thời gian gần đây, Tạp chí các khoa học về Trái đất 6-1992. [49] Trần Minh Quang (1993), Sóng và Công trình chắn sóng, NXB giao thông vận tải. [50] Trần Minh Quang (2007), Công trình Biển, NXB giao thông vận tải. [51] Nguyễn Bá Quỳ (2008), Tuyến đê biển và yêu cấu tuyến đê biển nhằm phát triển bền vững kinh tế, xã hội ở Nam Định, Tuyển tập hội thảo khoa học về đê biển Nam Định, Hà Nội. [52] Nguyễn Thọ Sáo (2004), Động lực học cát biển, Giáo trình trường Đại học khoa học Tự nhiên-ĐH QGHN. [53] Nguyễn Thọ Sáo và nnk (2010), Đánh giá tác động công trình đến bức tranh thủy động lực khu vực cửa sông ven bờ Bến Hải, Quảng Trị, Tạp chí Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S, Đại học QGHN, Hà Nội). [54] Phạm Quang Sơn (2004), Nghiên cứu biến động vùng ven biển cửa sông Hồng - sông Thái Bình trên cơ sở ứng dụng thông tin viễn thám và hệ thông tin địa lý phục vụ khai thác sử dụng hợp lý lãnh thổ, bảo vệ tài nguyên và môi trường, Luận án Tiến sỹ, Đại học KHTN, Hà Nội. [55] Sở Nông nghiệp & PTNT t ỉnh Nam Định (2006), Dự án TKKT đê biển Nam Định, Chương trình xây dựng, nâng cấp và củng cố tuyến đê biển Nam Định, Nam Định. [56] Tiêu chuẩn Việt Nam (2013), TCVN 9901:2013, Công trình Thủy lợi - Yêu cầu thiết kế đê biển. [57] Trần Thanh Tùng, Jan van de Graaff (2008), Hình thái bờ biển, Tài liệu giảng dạy trường Đại học Thuỷ lợi, Hà Nội. 141 [58] Nguyễn Thành Trung, Lương Phương Hậu (2013), Nghiên cứu phân tích hiệu quả của các công trình bảo vệ bờ sông, bờ biển khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, Dự án Quản lý rủi ro thiên tai WB4, Hà Nội. [59] Nguyễn Thành Trung (2013), Nghiên cứu thực nghiệm xác định nguyên tắc bố trí không gian hợp lý công trình ngăn cát, giảm sóng bảo vệ đê biển và bờ biển khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ, Hà Nội. [60] Đinh Văn Ưu và nnk (1996), Hiện trạng và nguyên nhân xói lở bờ biển Việt Nam. Đề xuất các biện pháp KHKT bảo vệ và khai thác vùng đất ven biển, Báo cáo kết quả tính mô hình toán đề tài KT- 03-14, Viện khoa học Thuỷ lợi, Hà Nội. Tài liệu nước ngoài: [61] Ahrens J.P (1987), Characteristics of reef breakwaters, Technical report CERC87-17. [62] B. Mutlu Sumer, JØrgen FredsØe (2002), The Mechanics of scour in the marine environment, Advanced Series on Ocean Engineering-Volume 17. [63] CEDAS Version 4.03, Copyright 1999-2011, Veri-Tech, Inc. [64] CERC (1984), Shore Protection Manual, Volu me 1, 2. [65] Charles K, Sollitt, RH, Cross (1972), Wave transmission through permeable breakwaters, Coastal Engineering, Chapter 103. [66] Dalrymple R.A (1985), Physical Modelling in Coastal Engineering. [67] Davies B. L, Kriebel, D. L (1992), Model testing of wave transmission past low crested breakwaters, Coastal Engineering, Chapter 84. [68] Flanders Hydraulics Research (2003), Wflume-UserGuide, Ministry of Flanders, Belgium. [69] Goda (1969), Modelling of Waves and Currents around Submerged Breakwaters, Report of the Port and Harbou research institute, Vol.8.No3, Sept 1969. [70] Hanson H, Kraus N.C (2001), Chronic Beach Erosion Adjacent to Inlets and Remediation by Composite (T-Head) Groins, ERDC/CHL CHETN-IV-36. [71] Horton .D.F (1950), Design and construction a groin. [72] J.W Kanpluis, M.J Paul and A.Brebner (1972), Similarity of Equibrium beach profile, Proc.13th conference on Coastal Engineering - Volu me II. [73] LUONG. G.V, M.Sc thesis, UNESCO-IHE Delft, the Netherlands (2003), Coastal Morphology-A case study in Province of Nam Dinh, Red River Delta, Vietnam. 142 [74] MIKE 21HD FM (2008), Hydrodynamic Module-Scientific Documentation, DHI Software. [75] MIKE 21 ST FM (2008), Sand Transport Module-Scientific Documentation, DHI Software. [76] MIKE 21 SW FM (2008), Spectral Wave Module-Scientific Documentation, DHI Software. [77] MIKE 21/3 Coupled Model FM (2008), User Guide, DHI Software. [78] NGUYEN Viet Thanh, ZHENG Jin-hai, ZHANG Chi (2012), Beach Profiles Characteristics Along Giao Thuy and Hai Hau Coasts, Vietnam, China Ocean Eng., Vo l. 26, No. 4, pp. 699-712. [79] Noble R. M (1978), Coastal structures' effects on shorelines, Coastal structures and related problems, Part III. Chapter 125. [80] Pilarczyk K.W, Zeidler R.B (1996), Offshore breakwaters and shore evolution control, A.A. Balkerma, Rotterdam, The Netherlands. [81] PRUSZAK, Z., SZM YTKIEWICZ, M., NINH, P. V. and HUNG, N. M. (2001), Coastal Processes in the Red River Delta Area, Vietnam, Internal report, Institute of Mechanics, National Center for Natural Science and Technology of Vietnam, Hanoi, Vietnam. [82] Sanasira S.A (2007), Laboratory wave simulation measurement and analysis, NPTEL. [83] USACE (U.S. Army Corps of Engineers) (1984), Shore Protection Manual (SPM), Washington: U.S. Government Printing Office. [84] USA CE (2002), Coastal Engineering Manual (CEM), Part II, Chapter 2 Washington: U.S. Government Printing Office. [85] U.S.Army Corp (1992), Coastal groins and nearshore breakwaters, Engineer Manual EM 1110-2-1617. [86] Steven A Hughes (1993), Physical Models and Laboratory Techniques in Coastal Engineering, World Scientific 568pp. 1 PHỤC LỤC PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ P HÂN TÍCH DIỄN BIẾN MẶT CẮT 2.0 1.5 4/1986 Cao độ (m) 1.0 11/1986 0.5 8/1987 0.0 -0.5 8/1988 -1.0 9/1989 -1.5 1/1990 K/c cộng dồn (m) -2.0 0 50 100 150 200 Cao độ (m) Hình 1.1. Diễn biến mặt cắt HH01 thời kì 1985 – 1990 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 1/1985 1/1986 4/1986 11/1986 8/1987 8/1988 1/1989 1/1990 K/c cộng dồn (m) 0 50 100 150 200 Cao độ (m) Hình 1.2. Diễn biến mặt cắt HH03 thời kì 1985 – 1990 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 10/1991 12/1992 10/1993 12/1993 6/1994 11/1994 K/c cộng dồn (m) 0 50 100 150 200 250 Hình 1.3. Diễn biến mặt cắt HH01 thời kì 1990 – 1995 2 4.0 12/1992 3.0 10/1993 Cao độ (m) 2.0 1.0 12/1993 0.0 6/1994 -1.0 11/1994 K/c cộng dồn (m) -2.0 0 50 100 150 200 250 Hình 1.4. Diễn biến mặt cắt HH03 thời kì 1990 – 1995 2.0 10/2005 4/2006 10/2006 4/2007 10/2007 4/2008 10/2008 4/2009 10/2009 4/2010 10/2010 1.0 Cao độ (m) 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 K/c cộng dồn(m) -5.0 0 200 400 600 800 1000 1200 Hình 1.5. Diễn biến mặt cắt HH01 thời kì 2005 – 2010 2.0 10/2005 4/2006 10/2006 4/2007 10/2007 4/2008 10/2008 4/2009 10/2009 4/2010 10/2010 1.0 Cao độ (m) 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 -5.0 K/c cộng dồn (m) -6.0 0 200 400 600 800 1000 1200 Hình 1.6. Diễn biến mặt cắt HH03 thời kì 2005 – 2010 3 1.0 2005-2010 0.5 0.0 1985-1990 Cao độ (m) -0.5 1990-1995 -1.0 -1.5 MCDT(20052010) -2.0 MCDT(19851990) -2.5 -3.0 MCDT(19901995) K/c cộng dồn(m) -3.5 0 100 200 300 400 500 Hình 1.7. Mặt cắt HH01 đặc trưng qua các thời kì 5.0 TK 1985-1990 Cao độ (m) 4.0 3.0 TK 1990-1995 2.0 TK 2005-2010 1.0 0.0 -1.0 -2.0 K/c cộng dồn(m) -3.0 0 50 100 150 200 250 300 Hình 1.8. Mặt cắt HH03 đặc trưng qua các thời kì 2.5 HH 01 Cao độ (m) 2.0 1.5 HH 02 1.0 HH 03 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 K/c cộng dồn(m) -2.0 0 50 100 150 200 Hình 1.9. Mặt cắt đặc trưng từng khu vực từ HH01 đến HH03 dọc ven biển Hải Hậu (giai đoạn 1985-1990) Cao độ (m) 4 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 HH 01 HH 02 HH 03 K/c cộng dồn (m) 0 50 100 150 200 250 Hình 1.10. Mặt cắt đặc trưng từng khu vực từ HH01 đến HH03 dọc ven biển Hải Hậu (giai đoạn 1990-1995) 2.0 Tháng 4 1.0 Tháng 10 MCDT(Tháng 4) Cao độ (m) 0.0 MCDT(Tháng 10) -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 K/c cộng dồn (m ) -5.0 0 200 400 600 800 1000 1200 Hình 1.11. Mặt cắt đặc trưng hai mùa tại HH01 (giai đoạn 2005-2010) 4.00 Tháng 10 3.00 Tháng 4 Cao độ (m) 2.00 1.00 MCDT (Tháng 10) 0.00 MCDT (Thang 04) -1.00 -2.00 -3.00 -4.00 K/c Cộng dồn (m) -5.00 -6.00 0 200 400 600 800 1000 1200 Hình 1.12. Mặt cắt đặc trưng hai mùa tại HH03 (giai đoạn 2005-2010) 5 PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ HÌNH STWAVE 2.1. Thiết lập phạm vi và lưới tính toán: Sử dụng đúng lưới tính miền nhỏ của mô hình GENESIS, lưới vuông, cạnh mỗi ô lưới 5m x 5m theo cả hai trục X và Y. Lưới quay một góc 321.32o so với hướng Bắc, gốc tọa độ X0 = 636854.46; Y0 = 2218407.36 (xem Hình 2.1). 2.2. Kiểm định mô hình: Số liệu sóng đưa vào kiểm định mô hình là chuỗi số liệu thực đo 7 ngày tại trạm đo ven biển Hải Hậu có tọa độ (200 03' 1.08"N; 1060 16' 22.80"E, sâu khoảng 6,0m), tiến hành đo từ 19h-21/ 7/2010 đến 19h-27/7/2010. Bảng 2.1. Kết quả so sánh chiều cao, hướng và chu kỳ sóng giữa tính toán và thực đo vào thời kì tháng 7/2010 tại ven biển Hải Hậu, Nam Định Ngày tháng 21/07/2010 22/07/2010 23/07/2010 24/07/2010 25/07/2010 26/07/2010 27/07/2010 Giờ 19 1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 Hs (m) 0,37 0,42 0,49 0,46 0,28 0,27 0,28 0,16 0,18 0,12 0,08 0,18 0,88 1,07 1,31 1,15 0,90 0,94 1,09 1,00 0,74 0,37 0,34 0,57 0,53 0,64 0,61 0,24 Thực đo Tz (s) Hướng (độ) 3,75 131,46 3,86 125,13 3,94 131,65 4,12 246,99 3,68 132,22 3,75 124,71 4,06 127,62 4,87 125,67 4,18 106,82 4,01 121,03 4,79 124,47 5,50 124,17 4,65 145,74 4,06 142,57 4,88 129,34 5,05 136,65 4,87 127,48 4,09 130,31 4,12 119,55 4,59 185,00 4,12 120,90 3,99 142,11 4,16 129,00 4,37 124,36 4,42 143,64 4,26 121,01 4,67 114,52 4,00 126,91 Hs (m) 0,44 0,55 0,51 0,49 0,23 0,30 0,20 0,20 0,20 0,21 0,11 0,39 0,83 1,04 1,27 1,03 0,85 1,02 1,12 1,05 0,89 0,46 0,27 0,41 0,47 0,58 0,55 0,34 Tính toán Tz (s) Hướng (độ) 3,92 142,32 3,72 117,75 3,77 147,45 4,12 217,27 3,96 143,83 3,71 120,05 3,94 144,19 4,68 100,04 4,39 119,06 4,16 121,02 4,75 141,38 5,22 102,83 4,68 158,00 4,28 145,64 5,00 145,94 4,89 116,58 4,61 139,13 4,21 132,57 4,36 135,40 4,67 162,20 3,83 131,80 3,88 140,28 4,26 144,23 4,67 96,91 4,34 154,18 4,02 114,89 4,60 129,73 4,19 96,37 6 Kết quả tính toán kiểm định độ cao sóng Độ cao sóng Hs(m) 1.4 1.2 Thực đo 1.0 Tính toán 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 19 1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 19 1 7 13 21/07/2010 22/07/2010 23/07/2010 24/07/2010 25/07/2010 26/07/201027/07/2010 Thời gian Hình 2.2. So sánh độ cao sóng tính toán và thực đo tại Hải Hậu 300.00 6.00 250.00 5.00 200.00 4.00 150.00 3.00 100.00 2.00 50.00 1.00 Thời gian 0.00 Chu kì sóng (s) Hướng sóng (độ) Hình 2.1. Trường sóng khu vực ven biển Hải Hậu-STWAVE 0.00 Chu kỳ sóng thực đo Chu kỳ sóng tính toán 28 Hướng sóng tính toán 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Hướng sóng thực đo Hình 2.3. Kết quả kiểm định sóng ven biển Hải Hậu (số liệu tháng 7/2010) Bảng 2.2. Kết quả tính toán hệ số Nash theo các tham số sóng tương ứng TT 1 2 3 Nội dung kiểm định Độ cao sóng Chu kỳ sóng Hướng sóng Nash 0,92 0,47 0,59 2.3. Tính toán so sánh với thí nghiệm trên máng sóng: Số liệu sóng, mực nước đưa vào tính toán và trích xuất để so sánh với số liệu thí nghiệm được thể hiện trong bảng 2.3. 7 Bảng 2.3. Kết quả thí nghiệm mô hình vật lý được sử dụng để so sánh với kết quả tính mô hình STWAVE Thủy lực MÔ HÌNH File Name Δt MN Sóng THỰC TẾ Wave 2 Wave 3 Wave 4 Wave 2 Wave 3 Wave 4 H H H H H H T T T T T T 4,00 C12 MN4,0_C12 20-100 0,12 1,69 0,11 1,72 0,10 1,49 2,48 7,56 2,14 7,68 2,04 6,65 4,00 C10 MN4,0_C10 30-160 0,12 1,49 0,10 1,47 0,09 1,44 2,32 6,66 1,92 6,57 1,81 6,45 4,00 C08 MN4,0_C08 30-120 0,08 2,50 C12 MN2,5_C12 20-120 0,10 1,44 0,08 1,32 0,08 1,25 1,94 6,42 1,64 5,88 1,64 5,59 2,50 C10 MN2,5_C10 20-130 0,01 2,50 C08 MN2,5_C08 70-145 0,08 0,12 0,07 1,06 0,08 1,03 1,62 0,52 1,48 4,73 1,54 4,58 1,20 C12 MN1,2_C12 85-175 0,10 1,44 0,08 1,32 0,08 1,25 1,90 6,42 1,62 5,88 1,58 5,59 1,20 C10 MN1,2_C10 20-120 0,07 0,91 0,06 1,02 0,05 0,88 1,34 4,07 1,16 4,55 1,06 3,95 1,20 C08 MN1,2_C08 20-155 0,07 1,09 0,06 0,86 0,06 0,93 1,48 4,88 1,16 3,83 1,28 4,15 1,03 1,40 0,08 1,09 0,08 1,23 0,08 0,09 1,16 1,30 1,64 0,20 1.40 Chiều cao sóng (m) 4,60 6,26 1,60 4,89 1,62 5,17 1,62 5,48 1,74 5,79 MHVL 1.20 MHT 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 0.00 Hình 2.4. Đồ thị so sánh giá trị chiều cao sóng giữa mô hình toán và mô hình vật lí tại 3 điểm đo sóng ven bờ trong các trường hợp thí nghiệm và tính toán MN1.86m W4 MN1.86m W3 MN1.86m W2 MN1.86m W4 MN1.86m W3 MN1.86m W2 MN1.86m W4 MN1.86m W3 MN1.86m W2 MN2.5m W4 MN2.5m W3 MN2.5m W2 MN2.5m W4 MN2.5m W3 MN2.5m W2 MN2.5m W4 MN2.5m W3 MN2.5m W2 MN4.0m W4 MN4.0m W3 MN4.0m W2 MN4.0m W4 MN4.0m W3 MN4.0m W2 MN4.0m W4 MN4.0m W3 MN4.0m W2 CÁC TRƯỜNG HỢP THÍ NGHIỆM 8 1.4 Chiều cao sóng(m) 1.2 1.0 0.8 MHVL 0.6 MHT 0.4 0.2 0.0 0 1 W2 W3 2 W43 4 5 Hình 2.5. So sánh kết quả thí nghiệm và tính toán tại từng đầu đo 1.4 R² = 0.9068 Giá trị mô hình toán (m) 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Giá trị mô hình vật lí (m) Hình 2.6. Tương quan giữa kết quả tính mô hình toán và kết quả thí nghiệm trên mô hình vật lí 9 2.4. Xem xét ảnh hưởng của các tham số công trình đến diễn biến trường sóng ven bờ bằng mô hình STWAVE Điều kiện đầu vào chung cho các trường hợp tính toán khảo sát như sau: - Điều kiện mực nước và sóng đầu vào tại biên: mực nước lấy bằng +1,86m; sóng tại biên nước sâu: Hs = 1,90m, Ts = 9,0s. Khi đó độ cao sóng lan truyền đến khu vực công trình (cách chân đê ngầm khoảng 1/2 lần bước sóng nước sâu) sẽ đạt giá trị khoảng 1,10m. - Cao trình đỉnh đê cố định (∆ = +1,40m), đê ngầm được đặt tại vị trí cách bờ khoảng X = 150m, ở cao trình đáy khoảng -1,0m. 1. Trường hợp bề rộng đỉnh đê ngầm (B) thay đổi: Cố định chiều dài đê ngầm (L = 200m), các trường hợp thay đổi bề rộng đỉnh đê ngầm (B) lần lượt là: B = 5m, B = 10m và B = 15m. Bề rộng B= 5m Bề rộng B= 10m Bề rộng B= 15m Thang chiều cao sóng (m) Hình 2.7. Diễn biến trường sóng tại khu vực công trình ứng với bề rộng (B) đỉnh thay đổi khác nhau, mực nước +1,86m 2. Trường hợp chiều dài đê ngầm (L) thay đổi: Cố định bề rộng đỉnh đê ngầm (B = 5m), các trường hợp thay đổi chiều dài đê ngầm (L) lần lượt là: L = 50m, L = 100m và L = 200m. 10 L = 50m L = 100m L = 200m Thang chiều cao sóng (m) Hình 2.8. Diễn biến trường sóng tại khu vực công trình ứng với chiều dài (L) của đê ngầm thay đổi khác nhau, mực nước +1,86m 3. Trường hợp độ rộng khe hở giữa các đê ngầm (G) thay đổi: Cố định bề rộng đỉnh đê ngầm (B = 5m), chiều dài mỗi đê ngầm (L = 200m), tính với hệ thống mặt bằng bố trí hai đê ngầm. Các trường hợp thay đổi độ rộng khe (G) giữa hai đê ngầm lần lượt là: G = 25m, G = 50m, G = 80m và G = 150m. a) G = 25m b) G = 50m 11 d) Bãi có tường G = 150m c) G = 80m Thang chiều cao sóng (m) Hình 2.9. Diễn biến trường sóng tại khu vực công trình ứng với khe hở giữa các đê ngầm (G) thay đổi khác nhau, mực nước +1,86m 4. Trường hợp khoảng cách từ đường bờ tới đê ngầm (X) thay đổi: Cố định bề rộng đỉnh đê ngầm (B = 5m), chiều dài đê lựa chọn (L = 200m), các trường hợp thay đổi khoảng cách từ đường bờ ban đầu đến đê ngầm (X) lần lượt là: X = 50m, X = 80, X = 100m và X = 200m. Riêng trường hợp X= 150m đã tính với chiều dài (L) thay đổi ở trên. a) X = 50m b) X = 80m 12 d) X = 200m c) X = 100m Thang chiều cao sóng (m) Hình 2.10. Diễn biến trường sóng tại khu vực công trình ứng với khoảng cách từ bờ đến đê ngầm (X) thay đổi khác nhau, mực nước +1,86m PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN DIỄN BIẾN BÃI KHI CÓ CÔNG TRÌNH CHỈNH TRỊ THEO CÁC PHƯƠNG ÁN ĐẦU VÀO KHÁC NHAU Hình 3.1. Kết quả tính toán với phương án 1 13 Hình 3.2. Kết quả tính toán với phương án 2 Hình 3.3. Kết quả tính toán với phương án 3 14 Hình 3.4. Kết quả tính toán với phương án 5 Hình 3.5. Kết quả tính toán với phương án 6 15 Hình 3.6. Kết quả tính toán với phương án 7 Hình 3.7. Kết quả tính toán với phương án 8 16 Hình 3.8. Kết quả tính toán với phương án 9 Hình 3.9. Kết quả tính toán với phương án 10 17 Hình 3.10. Kết quả tính toán với phương án 12 Hình 3.11. Kết quả tính toán với phương án 13 18 Hình 3.12. Kết quả tính toán với phương án 14 Hình 3.13. Kết quả tính toán với phương án 15 19 Hình 3.14. Kết quả tính toán với phương án 16 Hình 3.15. Kết quả tính toán với phương án 17 20 Hình 3.16. Kết quả tính toán với phương án 18 Hình 3.17. Kết quả tính toán với phương án 19 21 Hình 3.18. Kết quả tính toán với phương án 20 Hình 3.19. Kết quả tính toán với phương án 22 22 PHỤ LỤC 4: MỘT SỐ HÌNH ẢNH QUÁ TRÌNH THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH VẬT LÝ CỦA LUẬN ÁN Hình 4.2. Quá trình tiến hành tạo mặt bằng, xây dựng mô hình Hình 4.1. Chuẩn bị máy móc để xây dựng mặt cắt bãi trên mô hình Hình 4.3. Lắp đặt các đầu đo sóng trên mô hình Hình 4.4. Phương pháp kiểm định ướt đầu đo sóng 23 Hình 4.5. Điều chỉnh mực nước theo thước nước đã được gắn cao độ Hình 4.6. Thí nghiệm với bãi tự nhiên chưa có công trình Hình 4.7. Sóng vỡ trước công trình trường hợp mực nước MN = +1,8m, sóng tại biên 1,8 m Hình 4.8. Sóng vượt qua đê phá sóng trường hợp MN kiệt = +1,2m, mái dốc đê phá sóng m = 4 Hình 4.9. Kiểm tra, xem xét quá trình thí nghiệm 24 Hình 4.10. Thu thập, phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm a) Cửa sổ chính phần mềm cài đặt, điều khiển và tạo sóng (WLWave) b) Cửa sổ chính của phần mềm thu thập dữ liệu (Measure) c) Cửa sổ chính của phần mềm phân tích dữ liệu (ANASYS) d) Thể hiện kết quả thí nghiệm Hình 4.11. Tổng quan quá trình xử lí dữ liệu sóng bằng phần mềm [...]... cỏt bin khu vc Kiờn Chớnh-Hi Hu -Nam nh Phũng c) H thng 05 m hn ch T ti Hi Thnh-Hi Hu -Nam nh d) H thng m hn thng ti khu vc ven bin Cm Nhng-H Tnh e) Khu vc b bin Hi Dng-TT Hu f) H thng m hn bin phớa Nam b sau khi xõy dng ờ gim súng (3/2014) bin khu vc Cn Gi-TP H Chớ Minh Hỡnh 1 H thng cỏc cụng trỡnh chnh tr trờn bói ó c xõy dng ti dc ven bin mt s ni nc ta (Ngun: GoogleEarth) Xut phỏt t nhng lý do ó nờu... toỏn bin ng b bin khu vc ven bin Hi Hu - Nam nh v chõu th sụng Hng di tỏc ng ng thi ca trng súng v mc nc c cụng b nm 2011, nghiờn cu ó s dng hai b mụ hỡnh mụ phng quỏ trỡnh din bin b bin Hi Hu v chõu th sụng Hng ú l mụ hỡnh súng SWAN (tớnh cho ton b Bin ụng) v mụ hỡnh STWAVE (tớnh cho khu vc a phng) Dũng chy s dng mụ hỡnh ADCIRC (tớnh cho ton vựng tõy vnh Bc B) v CMS-M2D (tớnh cho khu vc a phng) Mụ... bói do tỏc ng ca cụng trỡnh gim súng, to bi cho khu vc Hi Hu - Nam nh s úng gúp mt phn vo gii quyt cỏc yờu cu thc tin trong cụng tỏc xõy dng cụng trỡnh bo v, chnh tr b bin cng nh trong qun lý, quy hoch nhm n nh b bin phc v phỏt trin kinh t - xó hi, bo v ti nguyờn, mụi trng v an ninh quc phũng ven bin Vit Nam 4 cú th ng dng thc t cng nh tp trung phõn tớch vi cỏc iu kin thy thch ng lc c trng cho khu. .. Hi Hu - Nam nh lm trng im nghiờn cu Kt qu ca lun ỏn cú ý ngha thit thc i vi khu vc Hi Hu núi riờng v cỏc khu vc khỏc trờn ton vựng bin Vit Nam núi chung B bin Hi Hu t ca sụng Sũ n ca sụng Ninh C cú tuyn ờ bin di 33,32km õy l on b xúi l di nht, nghiờm trng nht ven b bin chõu th sụng Hng v Bc Vit Nam Ton b bin Hi Hu b xú i l trờn chiu di 17,2km, tc xúi l trung bỡnh 14,5m/nm, ln nht t 20,5m/nm Do nh hng... Nghiờn cu v nguyờn nhõn xúi l b bin Nam nh Kt qu nghiờn cu da vo vic s dng mụ hỡnh tớnh lan truyn súng trong vựng ven b v dũng vn chuyn bựn cỏt dc b Nghiờn cu i vi vựng b bin Nam nh, cỏc tớnh toỏn cho thy ch cú súng vi cao ln hn 0,75 m mi cú kh nng gõy vn chuyn cỏt mt cỏch ỏng k Kt qu nghiờn cu cú th s b kt lun rng hin tng xúi l vựng b bin tnh Nam nh l do thiu ht bựn cỏt do dũng vn chuyn bựn cỏt dc b gõy... kinh nghim cho khu vc bói bin ng 14 Hi Phũng v Cnh Dng-Qung Bỡnh, cú so sỏnh vi dng ti hn ca mt ct cõn bng do Dean xut nm 1977 [46] + Tỏc gi Nguyn Khc Ngha v nnk vi ti Nghiờn cu tng hp cụng ngh d bỏo phũng chng xúi l b bin, ti cp c s Vin Khoa hc Thy li nm 2005 Trong ti ny, cỏc tỏc gi ó ng dng mụ hỡnh nng lng v mụ hỡnh thụng lng tớnh toỏn sut vn chuyn bựn cỏt dc b cho khu vc Hi Hu, 19 Nam nh Kt... a hỡnh t nhiờn, khụng cú cụng trỡnh vi s liu súng i din cho 20 nm ti khu vc Hi Hu 116 Hỡnh 4.18 Kt qu tớnh toỏn d bỏo bin ng ng b khu vc Hi Hu - Nam nh giai on 2009 - 2020 118 Hỡnh 4.19a Phõn b trng súng khu vc ven bin Hi Hu, iu kin a hỡnh bói cú cụng trỡnh (PA4 - hng súng 450 ) 120 Hỡnh 4.19b Phõn b trng dũng chy súng khu vc ven bin Hi Hu, iu kin a hỡnh bói cú cụng trỡnh (PA4... Hỡnh 4.15a Phõn b trng súng khu vc ven bin Hi Hu trong giú mựa Tõy Nam, iu kin a hỡnh bói t nhiờn (Hng súng 1350 ) 114 Hỡnh 4.15b Phõn b trng dũng chy súng khu vc ven bin Hi Hu trong giú mựa Tõy Nam, iu kin a hỡnh bói t nhiờn (Hng súng 1350 ) 114 Hỡnh 4.15c Kt qu tớnh din bin hỡnh thỏi khu vc ven bin Hi Hu trong giú mựa Tõy Nam, iu kin a hỡnh bói t nhiờn (Hng súng 1350 ) 115 Hỡnh 4.16 Lng... sụng Vit Nam õy l cun sỏch chuyờn kho a ra cỏc thụng tin chung v cỏc quỏ trỡnh ven b, ca sụng c cụng b nm 2010 Nhng c s khoa hc v cỏc quỏ trỡnh bin ng b bin, ca sụng v mt s kt qu bc u v nghiờn cu c im bin ng b bin, ca sụng Vit Nam, trong ú cú cp n khu vc ven bin Hi Hu, Nam nh Cun sỏch c biờn tp ch yu da vo kt qu nghiờn 20 cu ca cỏc d ỏn VS/RDE-03 v 41/RF2 ca Chng trỡnh hp tỏc nghiờn cu Vit Nam - Thy... trong bóo (Damrey 2005) khu vc ven bin Hi Hu, iu kin a hỡnh bói cú cụng trỡnh 123 Hỡnh 4.22c Kt qu tớnh toỏn din bin hỡnh thỏi trong bóo (Damrey 2005) khu vc ven bin Hi Hu, iu kin a hỡnh bói cú cụng trỡnh 123 Hỡnh 4.23 Tng lng n v i trong 1 nm theo tớnh toỏn vi a hỡnh bói cú cụng trỡnh vi s liu súng i din cho 20 nm ti khu vc Hi Hu 124 Hỡnh 4.24 Tớnh toỏn bin ng ng b khu vc Hi Hu khi bói ... biển nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Tác động sóng biển ảnh hưởng cơng trình giảm sóng, tạo bồi đến biến động bãi, bờ biển khu vực Hải Hậu Phạm vi nghiên cứu: Diễn biến. .. ĐÀO TẠO BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU DỖN TI ẾN HÀ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG BÃI DO TÁC ĐỘNG CỦA CƠNG TRÌNH GIẢM SĨNG, TẠO BỒI CHO KHU VỰC HẢI HẬU - NAM. .. tài luận án Nghiên cứu biến động bãi tác động cơng trình giảm sóng, tạo bồi cho khu vực Hải Hậu - Nam Định đóng góp phần vào giải u cầu thực tiễn cơng tác xây dựng cơng trình bảo vệ, chỉnh