Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án này là mô phỏng và xác định trường sóng quanh vùng bờ đảo theo các mùa gió thịnh hành, cũng như phân tích sự tương tác của trường sóng với đảo thông qua các hiện tượng như nhiễu xạ, khúc xạ và phản xạ Ngoài ra, luận án cũng đề xuất các giải pháp nhằm giảm thiểu tác động của sóng vào đường bờ đảo, từ đó tăng cường ổn định bờ và khôi phục bãi ven đảo, phục vụ cho công tác phòng chống thiên tai và phát triển bền vững kinh tế - xã hội của khu vực.
Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu này áp dụng bốn phương pháp tiếp cận chính: tiếp cận hệ thống, tiếp cận tổng hợp, tiếp cận bền vững và tiếp cận hiện đại Tiếp cận tổng hợp chú trọng đến việc xem xét toàn diện các yếu tố kinh tế, kỹ thuật và xã hội Tiếp cận bền vững nhấn mạnh tầm quan trọng của việc dự báo sự thay đổi của các điều kiện biên trong tương lai, bao gồm biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế - xã hội Cuối cùng, tiếp cận hiện đại tập trung vào việc áp dụng các lý thuyết và phương pháp tính toán tiên tiến, đáng tin cậy để giải quyết các vấn đề nghiên cứu.
Luận án áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu, bao gồm phương pháp kế thừa, phân tích và xử lý số liệu, sử dụng ảnh viễn thám và GIS, cùng với phương pháp mô hình toán.
Các công cụ mô hình toán và phần mềm chuyên sâu, như bộ mô hình MIKE (SW và BW), được sử dụng để tính toán cụ thể cho các trường hợp nghiên cứu và mô phỏng sự tương tác trong các hệ thống nước.
4 tương tác của sóng biển lên vùng bờ biển quanh đảo Phú Quý và tương tác sóng với công trình giảm sóng (đê phá sóng).
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ứng dụng phương pháp giải đoán đường bờ bằng ảnh viễn thám giúp phân tích biến động đường bờ, từ đó nghiên cứu và đề xuất các giải pháp bảo vệ bờ đảo hiệu quả.
Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp tính toán mô phỏng trường sóng quanh đảo là bước quan trọng để lựa chọn các điều kiện biên phù hợp trong việc tính toán các giải pháp bảo vệ bờ đảo.
Dựa trên tính toán và phân tích, đã xác định được khu vực dễ bị xâm thực nhất tại bờ đảo Phú Quý Đề xuất giải pháp công trình hợp lý nhằm giảm tác động của sóng, góp phần ổn định bờ đảo và cải thiện bãi biển xung quanh, phục vụ cho nhu cầu dân sinh, kinh tế, đồng thời đảm bảo an ninh và quốc phòng.
Cấu trúc của luận án
Ngoài phần Mở đầu và Kết luận, luận án bao gồm 4 chương chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu tương tác giữa sóng và bờ đảo
Chương 2: Nghiên cứu đánh giá hiện trạng biến động đường bờ dưới tác dụng của trường sóng quanh đảo Phú Quý
Chương 3: Cở sở khoa học mô phỏng sóng lan truyền vào vùng bờ đảo và tương tác sóng với đảo Phú Quý
Chương 4: Mô phỏng sóng trong bão thiết kế tương tác với đảo Phú Quý và đề xuất giải pháp giảm sóng phù hợp
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA SÓNG VÀ BỜ ĐẢO 5
Tổng quan về sóng biển và các quá trình lan truyền sóng
1.1.1 Sự hình thành sóng biển và các thuật ngữ liên quan
Sóng biển chủ yếu hình thành do tác động của gió lên mặt nước, bắt nguồn từ quá trình cộng hưởng lực phức tạp tại bề mặt Quá trình này tạo ra các sóng với chiều cao, chiều dài và chu kỳ khác nhau, di chuyển theo nhiều hướng khác nhau.
Hình 1-1: Sự tạo ra sóng và phân tán sóng biển
Trong khu vực bão, năng lượng sóng tần số cao bị tiêu tán và chuyển sang tần số thấp hơn, dẫn đến sự thay đổi trạng thái biển khi các sóng với tần số khác nhau di chuyển với tốc độ khác nhau Sóng tần số thấp di chuyển nhanh hơn, tạo ra trạng thái biển lừng trái ngược với điều kiện biển bão Quá trình này gọi là sự phân tán, khiến sóng gió trở nên không đều, với đỉnh ngắn và dốc, trong khi sóng lừng lại có đặc điểm đều đặn hơn, với đỉnh dài và không dốc lắm.
Sóng biên độ nhỏ là loại sóng có độ cao nhỏ so với bước sóng và độ sâu của nước Lý thuyết sóng Airy, được Airy phát triển vào năm 1845, là mô tả toán học đầu tiên về sóng tuyến tính Sóng Airy được hình thành từ các khái niệm về dòng chất lỏng lý tưởng hai chiều, là cơ sở lý thuyết cho sóng biển, ít bị ảnh hưởng bởi độ nhớt, sức căng bề mặt hay sự nhiễu loạn Hình 1-2 minh họa một sóng hình sin với bước sóng L, chiều cao H và chu kỳ T, lan truyền trên mặt nước có độ sâu h không bị xáo trộn Sự thay đổi độ cao bề mặt theo thời gian từ mực nước tĩnh được ký hiệu là η.
Trong đó: x là khoảng cách đo dọc theo trục hoành và t là thời gian Vận tốc của sóng chuyển động theo phương x được cho bởi công thức c = L / T
Hình 1-2: Mô tả định nghĩa một sóng hình sin
Phương trình (1.1) mô tả nghiệm bề mặt của sóng Airy, bắt nguồn từ phương trình Laplace liên quan đến chuyển động của chất lỏng lý tưởng.
1.1.3 Các quá trình biến đổi và suy giảm năng lượng sóng
Khi sóng tiến gần bờ, chiều cao và bước sóng của chúng thay đổi do khúc xạ và chuyển động, trước khi vỡ vào bờ Sau khi sóng vỡ, chúng đi vào vùng sóng vỡ, nơi diễn ra nhiều quá trình biến đổi và suy giảm phức tạp.
Quá trình tạo ra các dòng chảy ngang và dọc bờ, thiết lập mực nước trung bình và vận chuyển trầm tích mạnh mẽ của vật liệu bãi biển là những yếu tố quan trọng trong kỹ thuật ven biển Tại những khu vực có công trình ven biển, sóng có thể bị nhiễu xạ và phản xạ, gây ra sự phức tạp trong chuyển động của sóng Hình 1-3 minh họa khái niệm về quá trình biến đổi và suy giảm sóng mà các kỹ sư ven biển cần xem xét khi thiết kế các giải pháp bảo vệ bờ biển.
Sự hiện diện của các nhóm sóng tạo ra các sóng thứ cấp với tần số và biên độ thấp hơn, gọi là sóng dài liên kết Trong vùng sóng vỡ, những sóng này tách ra khỏi sóng 'ngắn' và có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình vận chuyển trầm tích cũng như hình thái bãi biển, dẫn đến sự hình thành các biến thể dài và xuyên bờ trong điều kiện sóng của vùng sóng vỡ.
Hình 1-3: Các quá trình biến đổi và suy giảm sóng chính
Sóng nước sâu Phổâ sóng nước sâu ẹieồm soỏ lieọu maóu
Taàn soá (f) Soỏ lieọu maóu
Công trình được thieỏt keỏ trong ủieàu kiện cực đoan
Vận chuyển bùn cát, bãi
Kh ỳc xa ù, h iệ u ứn g nư ớc no õng , m a sa ựt
Tốc độ lan truyền sóng c và bước sóng L có mối liên hệ chặt chẽ với chu kỳ sóng, trong đó chu kỳ sóng là tham số duy nhất không thay đổi đối với mỗi sóng riêng lẻ.
Để xác định gia tốc sóng và bước sóng tại độ sâu h bất kỳ, cần giải đồng thời hai phương trình Điều kiện cần đảm bảo là c < c0 và L < L0 khi h < h0, trong đó chỉ số “o” đại diện cho điều kiện nước sâu.
Khi xét sóng nước sâu tiến tới giới hạn độ sâu chuyển tiếp (h/L0 = 0,5), sóng truyền từ A đến B (trong vùng nước sâu) di chuyển một khoảng cách L0 trong một chu kỳ sóng T Ngược lại, sóng từ C đến D chỉ truyền được khoảng cách nhỏ hơn, L, trong cùng thời gian do nằm trong vùng sâu chuyển tiếp Kết quả là mặt trước sóng mới BD đã xoay so với AC Đặt góc α là góc của mặt trước sóng so với đường đẳng sâu, ta có sinα = L/BC và sinα0 = L0/BC.
Khi c < c0, α sẽ nhỏ hơn α0, cho thấy sóng tiếp cận bờ biển theo góc xiên, với các mặt trước của sóng tự sắp xếp theo các đường đẳng sâu Hình 1-4b minh họa sự biến thiên của tỷ lệ c/c0 và α/α0 theo h/L0, trong đó trường hợp α/α0 được xác định cho các đường đẳng sâu song song Đại lượng L0 thường được sử dụng hơn L vì nó là một giá trị cố định cho mỗi con sóng, trong khi L lại thay đổi trong quá trình truyền sóng.
Hình 1-4: (a)Mô tả sự khúc xạ sóng; (b) Sự thay đổi của tốc độ lan truyền sóng và góc sóng tới theo độ sâu nước
30 45 60 90 c/C 0 a (d egr ee s) a 0 (d eg re es )
Sóng tới thường gặp các công trình thẳng đứng cứng như tường bến cảng và tường biển sẽ bị phản xạ, tạo ra sóng phản xạ có cùng pha nhưng ngược hướng và biên độ tương tự Điều này thỏa mãn điều kiện biên với vận tốc ngang bằng không, dẫn đến sự hình thành sóng đứng Sự phản xạ cũng có thể xảy ra khi sóng xâm nhập vào bến cảng hoặc cửa sông, có khả năng gây ra hiện tượng cộng hưởng khi sóng được khuếch đại.
Tại các điểm nút sóng, không có chuyển động thẳng đứng theo thời gian, trong khi các đỉnh, cạnh và bụng sóng xuất hiện xen kẽ Ở vùng nước nông, khi sóng lớn và sóng phản xạ có biên độ tương tự, các đỉnh sóng tiến và lùi va chạm mạnh mẽ, tạo thành chùm tia, thường thấy ở các bức tường biển Sóng đứng có thể gây thiệt hại nghiêm trọng cho các công trình biển và dẫn đến xói mòn đáy đáng kể.
Hình 1-5: Mô tả sóng đứng
Sóng đứng Sóng tói và sóng phản xạ
Vận tốc phần tử nước tại bụng sóngVận tốc phần tử nước tại nút sóng
Sóng đứng được quan sát tại bờ biển, trong khi nhiễu xạ sóng là quá trình mà sóng bẻ cong xung quanh các vật cản tròn do bức xạ năng lượng Hình 1-7 minh họa sự lan truyền sóng xiên tại đầu đê chắn sóng, với ba vùng riêng biệt được xác định.
+ Vùng bóng tối diễn ra hiện tượng nhiễu xạ - Vùng (1)
+ Vùng sóng đỉnh ngắn trong đó sóng tới và sóng phản xạ tương tác với nhau – Vùng (2) + Một vùng sóng tới không bị ảnh hưởng – Vùng (3)
Trong vùng (1), sóng nhiễu xạ tạo thành các cung tròn với tâm tại điểm đầu đê chắn sóng, dẫn đến sự giảm dần độ cao của sóng do năng lượng lan truyền trong khu vực Tuy nhiên, thực tế phức tạp hơn so với mô tả trong Hình 1-7, khi các sóng phản xạ trong vùng (2) nhiễu xạ vào vùng (3), kéo dài vùng sóng đỉnh ngắn vào khu vực này.
Hình 1-7: Sự nhiễu xạ sóng lý tưởng xung quanh một đê chắn sóng không thấm nước
Sóng nhiễu xạ Đập phá sóng
Sóng phản xạSóng tới
Tổng quan về tình hình nghiên cứu tương tác giữa sóng và bờ đảo trên thế giới 12
Nghiên cứu về sự tương tác giữa sóng biển và đảo ngoài khơi đã được thực hiện từ nhiều thập kỷ trước (Arthur, 1946 [1]& 1951 [2]) Khi sóng tiến vào bờ, vận tốc của chúng giảm đáng kể ở độ sâu khoảng một nửa chiều dài sóng Theo Harrison (1848) [3], các đỉnh sóng khi tiếp cận bãi biển thường di chuyển song song với đường bờ biển, bất kể hướng đến từ vùng nước sâu.
Vận tốc của phần đầu tiên chạm vào vùng cạn sẽ giảm, làm cho toàn bộ bánh xe sóng quay tròn và gãy gần như vuông góc trên bãi biển Theo D W Johnson (1919), quá trình này được gọi là "khúc xạ m-ave" bởi William Morris Davis Chiều cao sóng bị ảnh hưởng bởi sự khúc xạ do những thay đổi trong định hướng của đỉnh sóng liên quan đến sự hội tụ và phân kỳ năng lượng dọc theo đỉnh sóng.
Hiệu ứng định lượng từ giản đồ khúc xạ cho thấy các đường biểu diễn hướng của đỉnh sóng, tạo thành một mạng lưới trực giao vuông góc với đỉnh sóng Nếu năng lượng sóng giữa hai trực giao được coi là không đổi, sự hội tụ và phân kỳ của năng lượng dọc theo các đỉnh sẽ phụ thuộc vào sự hội tụ và phân kỳ của các trực giao Mặc dù giả thiết không vận chuyển năng lượng qua các trực giao chỉ có giá trị gần đúng, nhưng nó có thể chính xác khi sự hội tụ hoặc phân kỳ tương đối nhỏ Một số vùng trong các ví dụ khúc xạ cho thấy sự hội tụ hoặc phân kỳ lớn của các trực giao, dẫn đến tổn thất nhiễu xạ.
Việc xây dựng biểu đồ khúc xạ dựa trên Định luật Snell đã được O'Brien và Mason (1940) cùng các tác giả khác thảo luận, tuy nhiên, các phương pháp này có thể tốn thời gian và thiếu chính xác khi xác định sự khúc xạ của sóng bởi một hòn đảo Đặc biệt, sự thiếu chính xác này gây khó khăn trong việc phân tích khúc xạ năng lượng sóng lên Để cải thiện, các giải pháp phân tích cho các đảo lý tưởng hóa với độ sâu được biểu diễn dưới dạng hàm giải tích đã được đề xuất, cho phép xác định chính xác hiệu ứng khúc xạ và hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của các thông số Các giải pháp này dựa trên nguyên lý Fermat về thời gian ít nhất cho khúc xạ qua các đường bao đáy tròn đồng tâm, đã được thảo luận trong các nghiên cứu trước đây và có liên quan đến chủ đề hiện tại.
Năng lượng sóng được truyền vào sóng của một hàng rào đảo thông qua hiện tượng nhiễu xạ, tương tự như nhiễu xạ quang học Penney và Price (1944) đã chỉ ra rằng giải pháp Sommerfeld cổ điển cho quang học cũng áp dụng cho bài toán nhiễu xạ sóng nước Vấn đề nghiên cứu là nhiễu xạ bởi một rào cản mặt phẳng bán vô hạn trong nước sâu đồng nhất, với giả định rằng thành phần pháp tuyến của vận tốc chất lỏng tại rào cản là không Putnam và Arthur (1948) đã phát triển phép tính gần đúng để đơn giản hóa việc áp dụng giải pháp lý thuyết và so sánh với kết quả thu được từ thí nghiệm Giải pháp này được sử dụng để ước tính hiệu ứng nhiễu xạ ngoài hàng rào đảo, mặc dù việc ước tính có thể gặp khó khăn do hòn đảo không tạo thành rào cản bán vô hạn, nhưng kết quả vẫn có giá trị, đặc biệt khi hòn đảo gây gián đoạn tàu sóng trong khoảng cách có nhiều độ dài sóng.
Mức độ lan truyền của sóng ra ngoài một hòn đảo phụ thuộc vào sự thay đổi hướng di chuyển của sóng Khi hướng sóng thay đổi nhiều hơn, kích thước vùng được che chở sẽ giảm dần Sự biến đổi này chủ yếu do gió tạo ra Mặc dù sóng chủ đạo thường chạy theo hướng gió trung bình, nhưng khi quan sát kỹ khu vực phát sinh, ta sẽ thấy một mô hình phức tạp hơn.
14 sóng đỉnh ngắn với các sóng có độ cao đáng kể di chuyển không chỉ theo hướng gió trung bình mà còn theo các hướng khác
Nghiên cứu của Arthur (1951) chỉ ra rằng sự xâm nhập của năng lượng sóng vào vùng khuất bên ngoài một hòn đảo phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khúc xạ bởi địa hình dưới nước, khúc xạ bởi dòng chảy, nhiễu xạ và biến thiên hướng sóng Khúc xạ do địa hình dưới nước là yếu tố quan trọng, đặc biệt khi có vùng nước nông ở rìa đảo, và sự phân bố năng lượng sóng khúc xạ trong vùng khuất rất nhạy cảm với độ dốc của đáy Mặc dù khúc xạ do dòng chảy bán nội tại thường không đáng kể, các dòng thủy triều mạnh có thể tạo ra hiệu ứng khúc xạ quan trọng Năng lượng sóng ít được truyền vào vùng khuất qua nhiễu xạ, và sự thay đổi hướng sóng là yếu tố quyết định mức độ lan truyền ra ngoài đảo, với sự giảm sút theo chiều dài đà gió và khoảng cách phân tán.
Nghiên cứu tác động của sóng lên bờ biển, bờ đảo và công trình biển đã có từ thế kỷ 18,
Sau chiến tranh thế giới thứ hai, nghiên cứu về sóng đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt với sự đóng góp của nhà hải dương học Mỹ Pierson vào cuối thập kỷ 1950, khi ông áp dụng lý thuyết phân tích phổ để xem xét sóng và gió như những quá trình ngẫu nhiên Tại Liên Xô cũ, Zenkovish đã nghiên cứu tác động của sóng đến biến động đường bờ và bãi biển, mở đường cho nhiều công trình của các nhà khoa học như Loginov, Leontriev, B.A Popov và A.C Ionhin Gần đây, nghiên cứu về xói lở bờ biển đã chuyển sang phân tích năng lượng mà sóng mang lại, với các công trình tiêu biểu của N.B.Yesin, M.T.Savin và A.P.Zhinlyev trong thập niên 1980-1990 Năm 1951, Chính phủ Mỹ đã thành lập Beach Erosion Board (BEB) để chuyên nghiên cứu về vận chuyển bùn cát và xâm thực bãi biển, dưới sự lãnh đạo của J.Spender.
Smith và BEB nghiên cứu các biện pháp hiệu quả để chống lại xâm thực bờ biển do sóng và dòng chảy tại các vùng ven biển Mỹ BEB đã có những đóng góp quan trọng trong phát triển kỹ thuật công trình ven biển và nghiên cứu động lực học ven bờ Nghiên cứu nổi bật về ảnh hưởng của sóng lên bờ biển và công trình ven biển đến từ Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Bờ biển (CERC) của quân đội Mỹ Bộ cẩm nang kỹ thuật Shore Protection Manual (SPM), với các lần sửa đổi vào các năm 1975, 1977, và 1984, được CERC phát hành và hiện nay đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới.
Ngày nay, nghiên cứu sóng tương tác với bờ biển và bờ đảo đang được thực hiện thông qua các mô hình toán hiện đại Các nhà khoa học sử dụng những mô hình này để phân tích tác động của yếu tố khí tượng thủy văn biển đối với công trình, đảo và đất liền, đồng thời tìm kiếm giải pháp chống lại những tác động này Họ thường tập trung vào việc nghiên cứu ảnh hưởng của sóng đến bờ biển, các công trình và đảo, cũng như các yếu tố khác như vận chuyển bùn cát và dòng ven bờ, gây ra sự thay đổi đường bờ và xâm thực bờ, bãi biển Một số dạng mô hình có thể được áp dụng trong nghiên cứu này.
Nghiên cứu tính toán sóng ven bờ đã có những bước tiến quan trọng từ năm 1985, khi Trung tâm kỹ thuật bờ biển quân đội Mỹ (CERC) phát triển mô hình RCPWAVE dựa trên phương trình Mild slope Equation của Bekhoff (1972) Bên cạnh đó, nhiều mô hình khác cũng được phát triển bởi các viện nghiên cứu hàng đầu thế giới, bao gồm mô hình HINDWAVE của Viện Thuỷ lực Wallingford (Anh) chuyên tính toán truyền sóng trong vùng nước nông và cảng; mô hình Mike-21 của Viện Thuỷ lực Đan Mạch, một hệ thống phần mềm đa năng không chỉ tính sóng mà còn xử lý dòng chảy, sa bồi và nước dâng; và mô hình Phatos, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn của Kostensen (1986) để tính sóng phản xạ, sóng nước nông và sóng vỡ.
Nghiên cứu ổn định bờ và đáy biển được chia thành hai nhóm chính: (i) Mô hình biến động đường bờ, có khả năng tính toán nhanh nhưng không phù hợp cho dự báo biến đổi đáy; và (ii) Mô hình biến động đáy, thường là mô hình 3D với phạm vi ứng dụng rộng hơn nhưng yêu cầu thời gian tính toán lớn hơn Việc áp dụng các mô hình này cần được kiểm chứng cẩn thận, đặc biệt trong các dự báo dài hạn.
Các mô hình tính toán biến động đường bờ phổ biến bao gồm: (i) Mô hình GENESIS, được phát triển vào năm 1989 bởi trung tâm nghiên cứu công nghệ bờ biển của Hải quân Mỹ và trường Đại học Lund Thụy Điển.
The UNIBEST model was introduced by the Delf Hydraulic Institute in the Netherlands in 1990 In 1991, the LIPACK model was published by the Danish Hydraulic Institute Additionally, the Nearshore Profile Model (NPM) was developed by the Wallingford Hydraulic Institute in the United Kingdom.
Chao và nnk (2006) đã tiến hành nghiên cứu sự tương tác giữa đảo san hô Dongsha ở Bắc biển Đông, tập trung vào phản xạ và nhiễu xạ sóng đơn chế độ thứ nhất và thứ hai bởi một hòn đảo tròn Nghiên cứu sử dụng mô hình số thủy tĩnh ba chiều với một hòn đảo có đường kính 15km nằm trong lòng đại dương sâu 300m Do vấn đề này hiếm gặp trong tài liệu tham khảo, các tác giả đã quyết định bỏ qua các yếu tố như biến đổi địa hình đáy, đặc điểm thủy triều và dòng chảy xung quanh để đạt được tính tổng quát, nhằm cung cấp giải pháp hữu ích cho các bối cảnh tương tự.
Tổng quan các nghiên cứu về sóng tác động lên vùng bờ biển bờ đảo biến động đường bờ đảo tại Việt Nam và công trình bảo vệ bờ biển bờ đảo
1.3.1 Các nghiên cứu về sóng
Việt Nam có bờ biển và hải đảo dài trên 3.260 km, do đó, sự tương tác giữa các yếu tố thủy hải văn biển ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế xã hội của các vùng ven biển Nghiên cứu tác động của các yếu tố này đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều đề tài ứng dụng thực tiễn hiệu quả, giải quyết các vấn đề bức xúc trong xã hội Các nghiên cứu tập trung vào việc tính toán chế độ sóng ven bờ để thiết kế công trình bảo vệ bãi biển, kiểm soát sóng bằng các công trình như đê phá sóng, và đánh giá tác động của sóng đến các công trình ven biển Những nghiên cứu này được thực hiện tại các cơ sở như Viện Nghiên cứu Biển thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Hải dương học Nha Trang, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường Đại Thủy lợi, và Trường Đại học Xây dựng.
Viện Khí tượng Thủy Văn đã áp dụng nhiều phương pháp tính toán và mô hình từ nước ngoài cũng như tự xây dựng để nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên Một số mô hình tiêu biểu bao gồm: (i) Mô hình toán về trường sóng và chuyển động bùn cát tại cửa sông Nam Triệu, Phan Thiết, Soài Rạp và các vùng ven biển Thuận An, Hòa Duân do GS.TS Lương Phương Hậu và nhóm nghiên cứu thực hiện năm 1992; (ii) Các mô hình số trị về trường khúc xạ sóng và chuyển động bùn cát trong đề tài phòng chống sa bồi luồng tàu tại Cảng Hải Phòng do PGS.TSKH Nguyễn Văn Cư chủ trì; (iii) Mô hình toán về trường phân bố sóng ven bờ và vận chuyển bùn cát do PGS TS Đinh Văn Ưu và TS Nguyễn Thọ Sáo thực hiện trong đề tài KT-03-14 (1991-1995); (iv) Mô hình tính toán các tham số sóng, dòng chảy và biến động đường bờ để thiết kế công trình biển, thuộc đề tài KHCN.06.10 (1996-2000) do GS TSKH Phạm Văn Ninh và TS Nguyễn Mạnh Hùng chủ trì.
Nghiên cứu về đảo và quần đảo ở Việt Nam vẫn chưa được chú trọng, mặc dù số lượng đảo và quần đảo khá lớn và có vai trò chiến lược quan trọng Trong bối cảnh biển Đông trở thành vấn đề chiến lược quốc gia, dự kiến sẽ có nhiều nghiên cứu hơn về các đảo và quần đảo Trong vài thập kỷ qua, một số nghiên cứu chuyên biệt và tổng quát đã được thực hiện nhằm phục vụ phát triển kinh tế và quốc phòng cho các đảo, điển hình là luận chứng khoa học về mô hình kinh tế sinh thái tại một số đảo và cụm đảo thuộc vùng biển Việt Nam, thuộc đề tài KC09-12 (2001).
Năm 2005, GS Lê Đức Tố đã chủ trì đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình kinh tế sinh thái nhằm phát triển kinh tế xã hội cho một số đảo lớn ở Việt Nam, tập trung vào khía cạnh kinh tế sinh thái hơn là kỹ thuật biển Đồng thời, từ năm 2000 đến 2001, ông cũng dẫn dắt một đề tài độc lập nghiên cứu hệ thống đảo ven biển Vịnh Bắc Bộ, với mục tiêu phục vụ cho phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ chủ quyền, lợi ích quốc gia trên biển Đề tài này đã khảo sát các đặc trưng khí tượng thủy văn biển cho cụm đảo ở Vịnh Bắc.
Bộ và quy hoạch các mô hình phát triển kinh tế sinh thái cho vùng đảo đã được nghiên cứu và triển khai Trong giai đoạn 1995-2005, GS.TS Nguyễn Hoa Thịnh, PGS.TS Hoàng Xuân Lượng cùng các cộng sự tại Học viện Kỹ thuật Quân sự đã thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu nhằm tìm ra các giải pháp chống xói lở cho các đảo thuộc quần đảo Trường Sa.
Trong thời gian qua, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã thực hiện nhiều đề tài và dự án khoa học phục vụ quốc phòng và khai thác dầu khí tại biển Đông Các dự án bao gồm khảo sát các đặc trưng khí tượng hải văn tại quần đảo Trường Sa (1994-1995) do PGS.TS Trịnh Việt An chủ trì, nghiên cứu tác động của sóng lên phương tiện vận chuyển dàn khoan DK (1995-1996) cũng do PGS.TS Trịnh Việt An chủ trì, và nghiên cứu đánh giá biến động khí tượng thủy văn biển cùng giải pháp phòng tránh cho các đảo đông dân cư miền Trung (2013-2015) do TS Kiều Xuân Tuyển chủ trì.
Nghiên cứu về đảo và quần đảo ở Việt Nam đang trong giai đoạn khởi đầu, với số lượng và chiều sâu nghiên cứu còn hạn chế Tuy nhiên, khi chiến lược biển được triển khai nhằm phát triển kinh tế và đảm bảo an ninh quốc phòng, lĩnh vực nghiên cứu về đảo và hải đảo sẽ có cơ hội mở rộng và nâng cao chất lượng.
1.3.2 Nghiên cứu quá trình giảm sóng khi tương tác với công trình đê phá sóng
Sóng đến truyền vuông góc với bờ qua công trình đê phá sóng, dẫn đến sự suy giảm năng lượng sóng, chủ yếu thể hiện qua chiều cao sóng Quá trình tiêu hao năng lượng này xảy ra thông qua các hiện tượng như sóng vỡ, phản xạ và ma sát khi sóng đi qua thân đê Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tiêu hao năng lượng sóng bao gồm đặc trưng của sóng tới, độ sâu nước tại vị trí công trình, cùng với các tham số hình học và cấu trúc vật liệu của công trình đê phá sóng.
Hình 1-11: Sơ họa các quá trình sóng tương tác với công trình đê phá sóng
Khi phân tích các quá trình tiêu hao năng lượng sóng khi tương tác với đê, quá trình sóng vỡ trên đỉnh đê đóng vai trò quan trọng nhất, tiếp theo là sóng phản xạ trở lại biển và ma sát với thân đê Một phần nhỏ năng lượng sóng cũng được tiêu tán do sóng chuyển hóa thành dòng chảy qua thân đê, được gọi là hấp thụ sóng.
Nghiên cứu về quá trình giảm sóng qua đê và hiệu quả của các công trình trên thế giới chủ yếu dựa vào mô hình thí nghiệm vật lý như máng sóng và bể sóng tỉ lệ nhỏ Gần đây, máng sóng số đã trở thành một phương pháp ứng dụng tiềm năng Tuy nhiên, khi nghiên cứu bằng máng sóng vật lý và số (bài toán phẳng), không thể xem xét ảnh hưởng của các nhóm sóng xiên, sóng thứ cấp do phản xạ, cũng như hiện tượng nhiễu xạ và khúc xạ tại đê Để mô phỏng vấn đề này, có thể sử dụng các mô hình toán học như sóng phân giải pha và mô phỏng sóng Bussineq với độ phân giải lưới chi tiết, yêu cầu hệ thống máy tính cấu hình cao để thực hiện.
1.3.3 Các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển bờ đảo đã áp dụng ở Việt Nam
Công trình bảo vệ bờ biển và bờ đảo đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người dân Những công trình này giúp ngăn chặn sự xói mòn bờ biển do sóng và dòng chảy, bảo vệ nhà cửa, đê điều và các công trình ven biển khỏi thiệt hại lớn về tài sản và cơ sở hạ tầng của Nhà nước.
Công tác bảo vệ bờ biển và bờ đảo là nhiệm vụ quan trọng và cấp thiết đối với Việt Nam, quốc gia có bờ biển dài hơn 3.260 km Việc nghiên cứu, quy hoạch, thiết kế và xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển cần được thực hiện một cách bền vững và ổn định, nhằm đáp ứng những thách thức thực tiễn mà đất nước đang đối mặt.
Việc cải tạo và xây dựng vùng ven biển không chỉ bảo vệ bờ biển mà còn phục vụ cho sản xuất và đời sống của người dân Cần thiết phải phát triển các khu du lịch ven biển thông qua việc tạo bãi, xây dựng bãi tắm, làm đẹp bờ biển, và xây dựng các bến du thuyền, cảng du lịch Những công trình này sẽ đáp ứng nhu cầu nghỉ ngơi, giải trí và du lịch biển, góp phần thúc đẩy ngành du lịch và phát triển kinh tế địa phương.
Ngoài những tác động tiêu cực gây thiệt hại về người và cơ sở vật chất, thiên tai còn mang lại nhiều tài nguyên quý giá cho con người và đất nước, đặc biệt là trong lĩnh vực du lịch, nếu chúng ta biết cách khai thác và vận dụng hiệu quả.
Công trình bảo vệ bờ biển được xây dựng bằng nhiều phương pháp và cấu trúc khác nhau, chủ yếu chia thành hai loại: bảo vệ chủ động và bảo vệ bị động.
Các nghiên cứu liên quan đến vùng ven và bờ đảo Phú Quý
1.4.1 Các thống kê về thiệt hại do sóng gây ra với đảo Phú Quý
Trong những năm gần đây, sóng từ biển đã gây ra hiện tượng xói lở và bồi tụ bờ quanh đảo, đặc biệt là tại huyện đảo Phú Quý, khiến vấn đề xói lở bờ ngày càng nghiêm trọng Chính phủ và Ủy ban Nhân dân tỉnh Bình Thuận đã quan tâm và đầu tư một số công trình bảo vệ bờ đảo, nhưng chỉ mang tính cục bộ Theo số liệu thống kê từ phòng kinh tế hạ tầng huyện Phú Quý, thiệt hại do biển xâm thực gây ra dọc bờ biển là rất nặng nề Tại khu vực Thôn 4 và Thôn 5 xã Tam Thanh, trước đây có một con đường giao thông dài khoảng 2km và nhiều nhà cửa nằm sát bờ biển, nhưng từ năm 1978 đến nay, xâm thực của biển đã làm mất đi 3 dãy nhà của người dân.
24 với tổng cộng hơn 100 nhà và toàn bộ con đường này đã bị sụp đổ xuống biển Năm
2003 sạt lở bờ biển ảnh hưởng tới 6000 hạng mục công trình Năm 2006 bão số 9 làm
Bão lốc và thiên tai đã gây ra thiệt hại nặng nề, làm 25 người chết, 3.090 căn nhà bị sập hoặc tốc mái, và 104 phòng học cùng 10 công trình công cộng bị phá hỏng Ngoài ra, 4 tấn lương thực bị ướt, 180 ha cây công nghiệp lâu năm và 12 ha hoa màu bị phá hủy, cùng với 739 chiếc tàu và 476 ha thủy sản bị thiệt hại Bờ biển cũng không thoát khỏi ảnh hưởng khi 700 mét bị phá hủy Năm 2007, lốc xoáy và bão khiến 2 người mất tích và 1 chiếc tàu bị chìm Năm 2010, mưa lũ làm 1 người chết, 178 căn nhà và 1 công trình phúc lợi bị sập Hạn hán cũng gây thiệt hại cho 712 ha hoa màu.
6 năm 2011 lốc xoáy làm 2 người bị thương, 37 căn nhà bị tốc mái
Sạt lở bờ đảo Phú Quý đang gia tăng với quy mô lớn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống của người dân tại thôn 2, thôn 3 xã Ngũ Phụng, thôn 4, thôn 5, 6 xã Tam Thanh, và thôn 9, 10 xã Long Hải Tổng chiều dài sạt lở trên toàn đảo lên tới 5.688m, chiếm 1/4 chu vi của đảo, khiến người dân lo lắng về việc nhà cửa bị sụp đổ hoặc phải di dời nhiều lần Đất đai trên đảo hạn chế, không thể di dời mãi do hàng năm có hàng chục héc ta đất bị xâm thực, sạt lở, trong khi đất đai không tái tạo được như các vùng cửa sông ven biển.
Sóng biển tác động mạnh mẽ lên đảo, gây sạt lở và thay đổi đường bờ, đặc biệt tại khu vực Đông Bắc và Đông đảo Phú Quý Sạt lở bờ không chỉ giới hạn trong một phạm vi nhỏ mà còn lan rộng, làm mất đi nhiều diện tích đất quý giá Nếu không có giải pháp công trình hiệu quả để giảm thiểu xâm thực, tình trạng này sẽ tiếp tục tồi tệ, đe dọa nhà cửa, hạ tầng ven bờ và các công trình nuôi hải sản, bảo vệ bờ, neo đậu tàu thuyền cùng các cơ sở quân sự Hệ quả là đời sống người dân Phú Quý sẽ gặp nhiều khó khăn, ảnh hưởng đến phát triển kinh tế xã hội và an ninh quốc phòng của huyện đảo.
Sóng tác động lên bờ đảo Phú Quý gây ra hiện tượng xâm thực sạt lở, làm thu hẹp diện tích bờ đảo qua các giai đoạn khác nhau Dự báo trong 20 năm tới, tổng diện tích đất bị mất sẽ là 0,740 km², chiếm 4,4% tổng diện tích đảo, với nước biển xâm thực lấn sâu 5,8m vào đất liền Sau 30 năm, diện tích mất mát sẽ tăng lên 0,745 km², tương đương 4,43% tổng diện tích, với nước biển lấn sâu 8,5m Đến 50 năm, tổng diện tích đất bị mất đạt 0,754 km², chiếm 4,49%, và nước biển lấn sâu tới 15,8m Cuối cùng, sau 100 năm, tổng diện tích đất mất sẽ là 0,81 km², tương đương 4,82% tổng diện tích, với nước biển xâm thực lấn sâu đến 47,5m.
1.4.2 Các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển Phú Quý đã và đang áp dụng
Trước thiệt hại do sóng biển gây ra, huyện đảo Phú Quý đã nhận được sự quan tâm từ Đảng và chính quyền các cấp, dẫn đến việc đầu tư xây dựng nhiều công trình giao thông, thủy lợi và hạ tầng kỹ thuật nhằm phục vụ nhu cầu đời sống của nhân dân và phát triển kinh tế gắn với an ninh quốc phòng Trong những năm qua, các công trình bảo vệ bờ biển kết hợp với phát triển giao thông biển và kinh tế biển đã được đầu tư, trong đó có dự án Kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú Quý – Giai đoạn 1.
Kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú Quý – Giai đoạn 1, do UBND huyện Phú Quý làm chủ đầu tư, được thực hiện từ năm 2008 và hoàn thành vào năm 2010 Dự án bao gồm 02 phân đoạn kè với tổng chiều dài 1.443m, trong đó đoạn kè bảo vệ khu dân cư thôn 5 xã Tam Thanh dài 395m và đoạn kè bảo vệ khu dân cư Bãi Lăng dài 1.038m Kết cấu chính của mái kè bao gồm cấu kiện lát TSC178 liên kết mảng mềm dày 33cm, lớp đá dăm đệm 1x2 và lớp vải địa kỹ thuật Kết cấu chân khay kè được thiết kế với 02 hàng ống buy lục lăng bê tông bên trong đổ đá hộc và đá hộc hộ chân bên ngoài, trong khi tường đỉnh kè được xây dựng bằng bê tông cốt thép để hắt sóng.
M300, mặt đường kè rộng 5m kết cấu bê tông M250 Tổng mức đầu tư cho giai đoạn 1 của dự án là 107 tỉ đồng
Dự án nhằm mục tiêu xây dựng công trình chắn sóng để bảo vệ khu dân cư tại bờ biển Bãi Lăng, xã Ngũ Phụng và thôn 5 xã Tam Thanh khỏi tác động của sóng lớn, gió mạnh, triều cường và bão Công trình không chỉ bảo vệ đất đai huyện đảo Phú Quý mà còn góp phần đảm bảo an ninh quốc phòng và chủ quyền quốc gia trong vùng lãnh hải và vùng đặc quyền kinh tế.
Mặt cắt ngang đại diện của kè chống xâm thực tại bờ biển Phú Quý - Giai đoạn 1 cho thấy hiệu quả trong việc ổn định bờ biển Đánh giá sơ bộ cho thấy công trình có nhiều ưu điểm như giảm thiểu xói mòn và bảo vệ tài nguyên ven biển, tuy nhiên cũng tồn tại một số nhược điểm cần được khắc phục để nâng cao hiệu quả sử dụng trong tương lai.
Dự án đã hoàn thành và đưa vào sử dụng, mang lại hiệu quả rõ rệt trong việc bảo vệ khu dân cư khỏi tác động của sóng lớn, gió mạnh và triều cường Công trình góp phần chắn sóng, giảm thiểu thiệt hại cho khu vực bờ biển cần được bảo vệ, thực hiện tốt mục tiêu và nhiệm vụ ban đầu đã đề ra.
Giải pháp mặt cắt kết cấu tuyến kè đã thể hiện tính ổn định qua hơn 10 năm hoạt động Mặc dù thiết kế và thi công diễn ra trước năm 2010, khi các tiêu chuẩn về thiết kế công trình đê kè biển chưa hoàn thiện, nhưng phương án thiết kế đã được cập nhật để đối phó với các yếu tố bất lợi dự kiến trong tương lai Hiện tại, sau khi đối chiếu với các yêu cầu trong tiêu chuẩn thiết kế hiện hành (TCVN 9901:2014), đặc biệt là tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu, công trình vẫn đáp ứng được các tiêu chí cần thiết.
Công trình hiện tại đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và vẫn phù hợp để áp dụng cho các dự án bảo vệ bờ biển tại huyện đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận và trên toàn quốc Về mặt kinh tế, phương án thiết kế này có chi phí đầu tư tương đối thấp so với các giải pháp bảo vệ bờ biển khác như xây dựng đê phá sóng.
Dự án kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú Quý – Giai đoạn 2 có nhược điểm là thiết kế công trình bảo vệ trực tiếp bờ biển, không cho phép khai thác đa mục tiêu như tạo khu neo đậu cho tàu thuyền trú bão, đồng thời có thể phá vỡ bãi tắm và ảnh hưởng đến cảnh quan du lịch.
Giai đoạn 2 của dự án kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú Quý, do UBND huyện Phú Quý làm chủ đầu tư, được khởi động từ năm 2012 và hoàn thành vào năm 2020 với tổng chiều dài 2.532,99m Dự án bao gồm 04 phân đoạn kè: kè lạch ông Bền dài 264,09m, kè khu dân cư Hội An dài 397,53m, kè từ chùa Thạch Lâm đến UBND huyện dài 891,37m, và kè tiếp giáp với kè Bãi Lăng dài 980m, cùng với 02 tuyến đê bảo vệ bờ dài 1.097,7m Kết cấu mái kè được thiết kế với lớp lát TSC178 dày 33cm, lớp đá dăm và vải địa kỹ thuật Phần chân khay kè sử dụng ống buy lục lăng bê tông và đá hộc, trong khi tường đỉnh kè là bê tông cốt thép M300, với mặt đường rộng 5m Hai tuyến đê chắn sóng có lõi đê bằng đá và khối phá sóng Tetrapod 3T Tổng mức đầu tư cho giai đoạn này là 596 tỉ đồng.
Dự án nhằm mục tiêu xây dựng công trình chắn sóng để bảo vệ khu dân cư khỏi tác động của sóng lớn, gió mạnh, triều cường và bão tại huyện Phú Quý, nơi đang chịu ảnh hưởng của hiện tượng sạt lở bờ biển Đồng thời, dự án cũng sẽ hình thành khu neo đậu an toàn cho tàu cá nhỏ của người dân huyện đảo Phú Quý và các khu vực lân cận, góp phần đảm bảo an toàn cho hoạt động đánh bắt và sinh hoạt của cộng đồng.
Hình 1-14: Mặt bằng tổng thể khu neo đậu dự án Kè chống xâm thực ổn định bờ biển
Hình 1-15: Mặt cắt ngang mẫu tuyến kè - Kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú
Tổng quan về cơ chế tác động của trường sóng tới biến động hình thái vùng
1.5.1 Các cơ chế tương tác thủy động lực ảnh hưởng đến biến động hình thái đường bờ Ở vùng ven biển, các quá trình vật lý thủy động lực học, địa chất, và địa hình địa mạo đường bờ có mối quan hệ mật thiết với nhau Có ba quá trình chính ảnh hưởng tới hình dạng đường bờ, đó là các quá trình vật lý, hóa học và sinh học Quá trình vật lý bao gồm các yếu tố như triều, sóng, gió và dòng chảy tác động và ảnh hưởng một cách thường xuyên liên tục từ khi đường bờ tồn tại Tác động của các yếu tố vật lý có thể làm thay đổi hoàn toàn đường bờ ban đầu và chuyển từ dạng đường bờ này sang dạng khác Chẳng hạn sự chuyển động của bùn cát hạt mịn và vỏ các động vật đáy góp phần tạo nên những vùng đất bồi mới Sự hình thành các đường bờ bị chắn, mũi đất, sự uốn lượn của bờ vịnh hay các hình dạng đoạn nối tiếp sông biển khác nhau là những đặc tính do tương tác giữa các yếu tố vật lý và sự chuyển vận bùn cát mang lại Quá trình biển tiến hay biển lùi là kết quả của quá trình vận chuyển bùn cát ven bờ, có yếu tố tác động chính là trường sóng
Hình thái đường bờ được xác định bằng cách phân tích cân bằng bùn cát trong một khoảng thời gian và không gian cụ thể Các quá trình này chủ yếu diễn ra trong vùng sóng vỡ.
Các quá trình hình thái liên quan chặt chẽ với nhau, trong đó bùn cát được vận chuyển từ đường mép nước ra biển nhờ sóng và dòng chảy Việc vận chuyển bùn cát không chỉ làm thay đổi địa hình mà còn ảnh hưởng đến sóng và dòng chảy Hình 1-22 minh họa sơ đồ logic của hệ thống hình thái.
Các yếu tố này gây ra sự chuyển động của bùn cát, dẫn đến sự thay đổi của đường bờ Đây là một quá trình diễn ra theo thời gian.
Hình 1-22: Nguyên lý và cơ chế tác động hình thái đường bờ [20]
1.5.2 Các quá trình tương tác sóng, dòng chảy với địa hình bãi trong vùng sóng vỡ
Trong vùng sóng vỡ, các quá trình động lực học diễn ra phức tạp, với sự tiêu tán năng lượng là điều dễ nhận thấy nhất Năng lượng sóng chuyển sang dạng rối và nhiễu động, cùng với hiện tượng thay đổi mực nước trong vùng sóng vỡ Các tính toán thông qua phương trình toán học cho phép xác định hiện tượng này, được gây ra bởi ứng suất bức xạ.
Khi sóng tiến vào vuông góc với bờ, mực nước ngay ngoài đường sóng vỡ sẽ giảm thấp hơn so với xung quanh, trong khi mực nước bên trong đường sóng vỡ lại cao dần vào bờ, tạo ra hiện tượng nước dâng do sóng Hiện tượng này có thể được giải thích bằng việc tại đỉnh sóng, vận tốc chuyển động lớn nhất khiến nước bị dồn nhanh vào bờ, dẫn đến sự tăng mực nước do quá trình dồn nước cưỡng bức.
Mực nước bieồn trung bỡnh Độ lớn triều
Dâng nước do sóng Dòng do sóng
Chuyển động bùn cát 'ướt'
Chuyển động bùn cát 'khô'
Dao động do áp suaỏt khớ quyeồn
36 lại hình thành đường mặt nước nghiêng ra biển và xuất hiện dòng đáy chảy ngược ra để bù với quá trình trên mặt hướng vào bờ
Khi sóng va chạm với bờ ở một góc nhất định, nó tạo ra dòng chảy song song với bờ Dòng chảy này chỉ tồn tại trong khu vực sóng vỡ, nơi nước dâng lên do tác động của sóng.
Hình 1-23: Dòng ven bờ do sóng tạo ra trong vùng sóng vỡ [21]
Trong trường hợp sóng ngẫu nhiên, sóng phản xạ từ đáy biển không phân bố đồng đều dọc theo bờ biển Sự tương tác giữa dòng chảy đáy hướng ra ngoài và dòng chảy vào tạo ra hiện tượng dòng xoáy.
Hình 1-24 và Hình 1-25 và mô tả các kiểu dòng chảy theo phương ngang và phương đứng trong vùng sóng vỡ
Hình 1-24: Phân bố theo phương ngang của dòng xoáy [21]
Vuứng sóng vỡ V nhỏ V lớn
Vuứng sóng vỡ Đường sóng vỡ Đỉnh sóng
Lưu tốc cao hơn trên hướng ven bờ Đường mép nước
Phaân boá lửu toỏc dòng ven bờ
Hình 1-25: Phân bố theo phương đứng với dòng phản xạ ( [21], [22])
1.5.3 Sự thay đổi của đường bờ và trạng thái cân bằng của đường bờ
Vận chuyển bùn cát vùng bờ được chia thành hai loại: chuyển động vuông góc và song song với đường bờ Chuyển động vuông góc chủ yếu do chảy xoáy và dòng rút dưới đáy khi sóng vỡ, trong khi chuyển động song song, hay dòng ven bờ, hình thành từ bức xạ sóng tạo góc với đường bờ Tổng hợp của dòng đáy và dòng lơ lửng thường tạo ra chuyển động vuông góc với bờ.
Hình 1-26: Vận chuyển bùn cát trong vùng sóng vỡ [23] Đường sóng vỡ
Dòng chảy tuần hoàn Bờ biển y
Vuứng sóng vỡ Đường vận ven bờ
Chuyển vận ven bờ (Dòng do sóng vỗ bờ gây ra)
Chuyển vận ven bờ (Chuyển động do sóng)
Chuyển động vuông góc với bờ (ướt)
Chuyển động vuông góc với bờ (khô)
Chuyển động của bùn cát không làm thay đổi địa hình vùng bờ, mà chỉ khi có gradient sức tải bùn cát theo hướng dọc hoặc ngang thì mới xảy ra xói hoặc bồi Gradient ngang có thể làm bãi trở nên dốc hơn hoặc thoải hơn, trong khi gradient dọc dẫn đến hiện tượng bồi hoặc xói của bờ biển Đối với sóng ngắn, sóng không vỡ trong vùng nước nông tạo ra các xoáy nước đối xứng gần đáy Lưu tốc gần bờ thường cao hơn so với vùng xa, mặc dù thời gian duy trì lưu tốc này ngắn Tuy nhiên, mối quan hệ năng lượng giữa bùn cát vận chuyển và lưu tốc là nguyên nhân chính gây ra sự vận chuyển bùn cát theo hướng ngang.
Sóng vỡ tạo ra khối nước di chuyển ngang, gây hiện tượng nước dâng trong vùng sóng vỡ Quá trình này dẫn đến dòng rút dưới đáy hướng ra xa bờ Sự tồn tại của bùn cát lơ lửng trong vùng sóng vỡ do dòng rối tạo ra khiến dòng đáy mang theo một lượng lớn bùn cát ra ngoài khơi.
Hình dạng mặt cắt ngang của bãi biển là kết quả của hiện tượng cân bằng động theo hướng ngang, được đặc trưng bởi độ dốc của bãi biển Độ dốc này phụ thuộc vào các yếu tố như đặc trưng sóng, kích thước hạt bùn cát và khoảng cách đến mép nước Cụ thể, sóng lớn và hạt bùn cát mịn sẽ tạo ra bãi biển thoải, trong khi sóng nhỏ và hạt thô sẽ dẫn đến bãi biển có độ dốc lớn hơn.
Chiều cao sóng thay đổi theo mùa dẫn đến sự biến đổi của mặt cắt ngang, được phân chia thành mặt cắt mùa đông và mùa hè Các cơn bão lớn gây ra hiện tượng nước dâng, làm cho mặt bãi trở nên thoải do cát tại các đụn cát ven biển bị cuốn xuống Nếu không xảy ra hiện tượng mất cát, mặt cắt trước bão sẽ được phục hồi sau một thời gian dài.
Trong một khoảng thời gian ngắn, mặt cắt ngang của bờ biển có sự thay đổi lớn, điều này khác với hiện tượng xói do các công trình bảo vệ bờ gây ra Sự thay đổi này là cục bộ và không giống với xói do dòng ven bờ Tuy nhiên, khi nhìn từ mặt nước, không dễ dàng phân biệt giữa xói công trình và xói cục bộ.
Chênh lệch độ dốc dọc bờ biển được tạo ra bởi sóng đến từ nhiều hướng khác nhau, cùng với chiều cao sóng, sự hiện diện của bùn cát trên bãi biển, và các yếu tố như gió và dòng nước do gió tạo ra.
Hình 1-27: Nguyên nhân gây độ dốc cho vận chuyển cát ven bờ [21].
Luận giải vấn đề nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu về phân bố trường sóng quanh đảo và sự tương tác của trường sóng với bờ đảo hiện còn hạn chế, với ít công bố khoa học tại Việt Nam Mặc dù đã có nhiều đề tài nghiên cứu về tác động của các yếu tố khác đến diễn biến bờ biển và giải pháp bảo vệ bờ biển, nhưng các nghiên cứu cụ thể về hải đảo, như đảo Phú Quý, vẫn chưa đầy đủ Đảo Phú Quý có đặc điểm thủy hải văn khác biệt và chưa có công trình nào công bố rõ ràng về tương tác sóng với bờ đảo này Trong bối cảnh chiến lược phát triển kinh tế biển đang được chú trọng, việc nghiên cứu trường sóng quanh đảo và tác động của nó lên bờ đảo là cần thiết để cung cấp cơ sở khoa học cho quy hoạch và đảm bảo phát triển bền vững, đồng thời góp phần vào công tác quốc phòng và an ninh.
Bài viết này trình bày 40 hướng giải pháp bảo vệ vùng bờ đảo và phòng chống xói lở bền vững, nhằm đảm bảo an toàn cho hoạt động dân sinh và phòng chống thiên tai Những giải pháp này cũng góp phần duy trì các bãi biển phục vụ phát triển du lịch, một trong những mục tiêu quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội của địa phương Luận án sẽ tập trung nghiên cứu các vấn đề liên quan đến những giải pháp này.
(1) Nghiên cứu, đánh giá được hiện trạng biến động đường bờ có nguyên nhân chính do tác động của trường sóng quanh đảo Phú Quý;
Mô phỏng và xác định trường sóng quanh vùng bờ đảo theo các mùa gió thịnh hành, đồng thời phân tích sự tương tác của trường sóng như nhiễu xạ, khúc xạ và phản xạ với đảo Đánh giá tác động của trường sóng đến hiện tượng xói lở bờ đảo là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về sự ổn định của hệ sinh thái ven bờ.
Để tăng cường ổn định bờ và khôi phục bãi ven đảo, cần đề xuất các giải pháp giảm sóng tác động trực tiếp vào đường bờ đảo Những giải pháp này không chỉ góp phần phòng chống thiên tai mà còn hỗ trợ phát triển bền vững kinh tế - xã hội cho khu vực.
Kết luận Chương 1
Dựa trên thực trạng các vấn đề hiện hữu tại bờ biển đảo Phú Quý và những định hướng nghiên cứu của luận án, tác giả đã làm rõ các vấn đề quan trọng trong chương 1.
Tình hình nghiên cứu về tác động của sóng biển đối với các vùng bờ biển và bờ đảo đang được quan tâm trên toàn cầu, bao gồm cả Việt Nam Các giải pháp bảo vệ bờ biển được triển khai nhằm giảm thiểu thiệt hại do sóng biển gây ra, từ đó bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
(2) Tổng quan được các vấn đề nghiên cứu liên quan đến phòng chống xói lở, ổn định đường bờ quanh đảo Phú Quý
(3) Luận giải được vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận án
Chiến lược phát triển kinh tế biển và bảo vệ chủ quyền biển đảo hiện nay đòi hỏi nghiên cứu sâu về bờ biển đảo Phú Quý Luận án này đóng góp vào việc xây dựng cơ sở khoa học nhằm giảm thiểu tác động của sóng, từ đó bảo vệ các hoạt động dân sinh, công trình dân sự và quân sự ven biển Việc này không chỉ giúp giảm thiệt hại trực tiếp mà còn nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên biển trong khu vực.
