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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN NGỌC THẾ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN VÀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN NGỌC THẾ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN VÀ GIẢI PHÁP BẢO VỆ BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình Biển Mã số : 958 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Trần Thanh Tùng GS. TS. Nguyễn Trung Việt HÀ NỘI, NĂM 2021 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Các kết quả nghiên cứu cũng như các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Ngọc Thế i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Thanh Tùng và GS.TS Nguyễn Trung Việt đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, khoa Công trình, bộ môn Kỹ thuật Công trình Biển, trường Đại Học Thủy Lợi và Trường Cao đẳng Công nghệ Kinh tế và Thủy lợi miền Trung, đã giúp đỡ tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài: “Nghiên cứu về quá trình xói lở của bờ biển Hội An và đề xuất các giải pháp bảo vệ bờ biển một cách bền vững” đã cho phép tác giả là thành viên chính, trực tiếp tham gia nghiên cứu và sử dụng các số liệu của dự án. Nhân dịp này, tác giả cũng xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới các nhà khoa học, nhóm cộng tác nghiên cứu, các thầy cô và đồng nghiệp với tình cảm và iiong chân thành đã động viên, giành nhiều thời gian và công sức giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình đã quan tâm, động viên, khích lệ, ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả yên tâm thực hiện và hoàn thành luận án. ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................ 4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 4 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ............................................................. 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................. 5 6. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN ............................................................................................ 7 1.1. Khái quát chung về nước dâng do sóng và ảnh hưởng của nước dâng do sóng .. 7 1.1.1. Các thuật ngữ liên quan đến nước dâng do sóng .......................................... 7 1.1.2. Phạm vi ảnh hưởng và tác động của nước dâng do sóng tới bãi biển .......... 8 1.2. Tổng quan các nghiên cứu về nước dâng do sóng trên thế giới......................... 10 1.3. Tổng quan các nghiên cứu tại Việt Nam về nước dâng do bão, nước dâng do sóng và công trình bảo vệ bờ biển ......................................................................................... 15 1.3.1. Các nghiên cứu về nước dâng, nước dâng do sóng .................................... 15 1.3.2. Các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển đã áp dụng tại Việt Nam ............ 17 1.4. Các nghiên cứu liên quan đến biển Cửa Đại, Hội An ........................................ 19 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án .................................................................... 22 1.6. Kết luận Chương 1 ............................................................................................. 22 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN ......................................................................................................... 24 2.1. Lựa chọn phương pháp xác định nước dâng do sóng trong luận án .................. 24 2.2. Các số liệu cơ bản phục vụ nghiên cứu .............................................................. 26 2.2.1. Tài liệu địa hình .......................................................................................... 26 2.2.2. Tài liệu thủy, hải văn .................................................................................. 29 2.2.3. Số liệu bùn cát đáy. ..................................................................................... 35 2.3. Phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ bộ số liệu đo đạc ....................... 36 2.3.1. Cơ sở khoa học phân tích nước dâng do sóng từ hình ảnh camera ............ 36 iii 2.3.2. Phân tích ảnh, trích xuất dao động mực nước từ camera và cọc tiêu ......... 43 2.3.3. Tính toán nước dâng do sóng từ chuỗi số liệu đo đạc ................................ 44 2.4. Phương pháp mô hình toán mô phỏng nước dâng do sóng ............................... 48 2.4.1. Giới thiệu mô hình sử dụng trong nghiên cứu luận án ............................... 48 2.4.2. Tính toán lan truyền sóng từ nước sâu vào vùng ven bờ ............................ 49 2.4.3. Tính toán nước dâng do sóng và biến động bãi biển ................................. 54 2.5. Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 58 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN ............................................................. 59 3.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 59 3.2. Phân tích và khái quát một số quy luật về biến động mặt cắt ngang bãi ......... 61 3.2.1. Phân tích biến động mặt cắt ngang bãi biển qua các giai đoạn .................. 61 3.2.2. Khái quát một số quy luật biến động mặt cắt ngang bãi biển .................... 67 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển .......... 69 3.3.1. Trường hợp tính toán và vị trí các mặt cắt tính toán .................................. 69 3.3.2. Kết quả mô phỏng nước dâng do sóng trong bão ven biển Cửa Đại .......... 71 3.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển .... 78 3.3.4. Phân tích ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển ........ 84 3.4. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 90 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN .................................................................................... 93 4.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 93 4.1.1. Vị trí địa lý, địa hình và địa mạo khu vực nghiên cứu ............................... 93 4.1.2. Hiện trạng bãi biển Cửa Đại, Hội An ......................................................... 94 4.2. Mục tiêu giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An....................... 98 4.3. Các căn cứ nghiên cứu đề xuất phương án bố trí công trình bảo vệ bãi biển .... 98 4.4. Phương án bố trí công trình ngăn cát, giảm sóng .............................................. 99 4.4.1. Phương án chung bố trí mặt bằng công trình.............................................. 99 4.4.2. Các phương án bố trí công trình ............................................................... 100 4.5. Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của các phương án bố trí công trình..................... 101 4.5.1. Phương pháp đánh giá .............................................................................. 101 iv 4.5.2. Độ cao sóng sau khi bố trí các phương án công trình bảo vệ ................... 101 4.5.3. Biến động bãi biển theo các phương án bố trí công trình ......................... 103 4.6. Lựa chọn phương án công trình ....................................................................... 106 4.7. Kết luận Chương 4 ........................................................................................... 107 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 108 I. Những kết quả đạt được cửa luận án ................................................................... 108 II. Những đóng góp mới của luận án ...................................................................... 111 III. Những tồn tại và kiến nghị hướng tiếp tục nghiên cứu ..................................... 111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................ 112 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 114 PHẦN PHỤ LỤC ........................................................................................................ 119 PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................. 119 PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................. 154 v DANG MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1 Tình trạng xói lở nghiêm trọng tại khu vực biển Cửa Đại, Hội An. .................. 2 Hình 2 Phạm vi khu vực nghiên cứu ............................................................................... 4 Hình 1.1 Sơ đồ mô tả các thuật ngữ về nước dâng do bão, nước dâng do sóng. ............ 7 Hình 1.2 Hình thái bãi biển . ........................................................................................... 8 Hình 1.3 Cơ chế phá hủy đụn cát ven bờ . ...................................................................... 9 Hình 1.4 Hình ảnh minh họa tác động NDDS đến xói lở chân đụn cát tại bãi Tân Mỹ, Cửa Đại trong đợt bão tháng 10/2016. .......................................................................... 10 Hình 1.5 Ứng suất bức xạ sóng . ................................................................................... 10 Hình 1.6 Trắc diện mực nước sóng (a) và độ cao sóng (b) theo dữ liệu thực nghiệm. . 13 Hình 1.7 Một số hình ảnh tiêu biểu về công trình bảo vệ bờ biển ở Việt Nam . .......... 19 Hình 2.1 Sơ đồ mô tả sự liên kết, bổ trợ giữa các phương pháp nghiên cứu. ............... 25 Hình 2.2 Tổng hợp địa hình khu vực biển Hội An . ...................................................... 26 Hình 2.3 Vị trí đo đạc mặt cắt ngang địa hình bãi biển MCN-01, MCN-02. ................ 27 Hình 2.4 Mặt cắt ngang địa hình các đợt khảo sát ........................................................ 28 Hình 2.5 Mặt cắt ngang địa hình thời điểm trước, trong và sau đợt ảnh hưởng bão SARIKA năm 2016 tại MCN-02, bãi Tân Mỹ, Cửa Đại ............................................... 28 Hình 2.6 Đo đạc khảo sát địa hình khu vực nghiên cứu sau đợt bão 3/2017. .............. 29 Hình 2.7 Biểu đồ thống kê số lượng cơn bão xuất hiện trong tháng từ 1979 – 2020. .. 30 Hình 2.8 Biểu đồ thống kê số lượng cơn bão và phạm vi bản kính ảnh hưởng ........... 30 Hình 2.9 Đường đi, bản đồ sóng tái phân tích và bản đồ trường gió của cơn bão DOKSURI di chuyển ngày 14/9/2017 và 15/9/2017 .................................................... 31 Hình 2.10 Vị trí bố trí các trạm đo đạc thủy, hải văn trong khu vực nghiên cứu.......... 32 Hình 2.11 Diễn biến độ cao sóng 02 lần đo, đợt 1 tại hai trạm SMS01 (phía Bắc Cửa Đại) và trạm SMS02 (phía trước cửa sông Cửa Đại). ................................................... 33 Hình 2.12 Diễn biến độ cao sóng đo đạc đợt 2, tháng 3/2017 tại trạm SMS01. ........... 33 Hình 2.13 Đo đạc hải văn biển Cửa Đại, Hội An từ ngày 10/3/2017 đến 26/3/2017. .. 33 Hình 2.14 Biến trình tốc độ và hướng dòng chảy đợt khảo sát đợt 1 tại trạm SCR1. ... 34 Hình 2.15 Biến trình tốc độ và hướng dòng chảy đợt khảo sát đợt 2 tại trạm SCR1. ... 34 Hình 2.16 Diễn biễn mực nước từ ngày 12/1/2016 đến 4/3/2017 tại trạm đo. ............. 34 vi Hình 2.17. Vị trí lấy mẫu bùn cát đáy. .......................................................................... 35 Hình 2.18 Thành phần hạt đưa vào mô hình . ............................................................... 35 Hình 2.19 Sơ đồ tổng hợp màu cơ bản. ......................................................................... 37 Hình 2.20 Sơ đồ mặt cắt dọc theo cọc tiêu. ................................................................... 37 Hình 2.21 Sơ đồ phân tích sóng theo đường mực nước trung bình. ............................. 37 Hình 2.22 Thiết lập, bố trí camera và hệ thống cọc tiêu tại bãi tắm KS Agribank. ...... 38 Hình 2.23 Bố trí hệ thống cọc tiêu trên MCN địa hình tại bãi tắm KS Agribank. ........ 39 Hình 2.24 Một số hình ảnh lắp đặt thiết bị quan trắc thu nhận dao động mặt nước biển trong bão DOKSURI (từ ngày 12 đến 15//9/2017) tại bãi tắm KS Agribank. .............. 39 Hình 2.25 Các vị trí, độ dài quy ước kiểm tra trên cọc tiêu. ........................................ 40 Hình 2.26 Biến dạng ảnh các vị trí trên cọc tiêu. .......................................................... 40 Hình 2.27 Sơ đồ khối chương trình trích xuất tín hiệu từ ảnh camera và cọc tiêu........ 42 Hình 2.28 Định dạng file dữ liệu ảnh thu nhận từ camera ............................................ 42 Hình 2.29 Trích xuất khung hình đại diện..................................................................... 42 Hình 2.30 Tín hiệu màu R-G-B trên mặt cắt được chương trình đọc và xử lý. ............ 42 Hình 2.31 Dao động mực nước các cọc tiêu (từ C1 đến C6) trong thời đoạn đo đạc ... 43 Hình 2. 32 Vị trí trạm đo và mương dẫn nước vào giếng đo trạm hải văn Sơn Trà ..... 44 Hình 2.33 So sánh mực nước dâng trạm Sơn Trà và trạm tại Cửa Đại, Hội An ........... 45 Hình 2.34 Tương quan mực nước giữa trạm hải văn Sơn Trà và trạm đo mực nước tại Cửa Đại, Hội An giai đoạn từ 12/2015 đến 3/2017 ....................................................... 45 Hình 2.35 Đồ thị MN dâng trạm hải văn Sơn Trà (12/9/2016 đến 16/9/2016) ............. 46 Hình 2.36 Phân bố độ cao sóng quan trắc và nước dâng do sóng theo mặt cắt ngang . 47 Hình 2.37 Sơ đồ khối tính toán nước dâng do sóng và biến động bãi biển................... 48 Hình 2.38 Miền tính toán vùng 1, vùng 2...................................................................... 49 Hình 2.39 Miền tính toán sóng chi tiết. ......................................................................... 49 Hình 2.40 Lưới tính toán vùng 1, vùng 2 và địa hình đáy biển..................................... 50 Hình 2.41 Độ cao sóng tại biên nước sâu, biển Cửa Đại (10/2016) ............................. 50 Hình 2.42 Hiệu chỉnh độ cao sóng tại trạm SMS01. ..................................................... 51 Hình 2.43 Hiệu chỉnh độ cao sóng tại trạm SMS02. ..................................................... 51 Hình 2.44 Hiệu chỉnh chu kỳ sóng tại trạm SMS01 ...................................................... 51 Hình 2.45 Hiệu chỉnh chu kỳ sóng tại trạm SMS02 ...................................................... 51 vii Hình 2.46 Hiệu chỉnh hướng sóng tại trạm SMS01. ..................................................... 51 Hình 2.47 Hiệu chỉnh hướng sóng tại trạm SMS02. ..................................................... 51 Hình 2.48 Kiểm định độ cao sóng tại Trạm SMS01 (3/2017). ..................................... 53 Hình 2.49 Kiểm định độ cao sóng tại Trạm SMS02 (3/2017). ..................................... 53 Hình 2.50 Kiểm định chu kỳ sóng tại Trạm SMS01 (3/2017). ..................................... 53 Hình 2.51 Kiểm định chu kỳ sóng tại Trạm SMS02 (3/2017). ..................................... 53 Hình 2.52 Kiểm định hướng sóng tại trạm SMS01 (3/2017). ....................................... 53 Hình 2.53 Kiểm định hướng sóng tại trạm SMS02 (3/2017). ....................................... 53 Hình 2.54 Trường sóng 16h ngày 14/9/2017. ............................................................... 54 Hình 2.55 So sánh độ cao sóng đo đạc và tính toán tại mặt cắt thuộc bãi biển KS AGRIBANK, Cửa Đại, Hội An. .................................................................................... 57 Hình 2.56 So sánh nước dâng do sóng đo đạc và tính toán tại mặt cắt thuộc bãi biển KS AGRIBANK, Cửa Đại, Hội An. .................................................................................... 57 Hình 2.57 So sánh biến động địa hình mặt cắt ngang đo đạc và tính toán tại mặt cắt thuộc bãi biển KS AGRIBANK, Cửa Đại, Hội An. ................................................................ 57 Hình 3.1 Bãi biển KS Agribank 10/2016. ..................................................................... 59 Hình 3.2 Bãi biển KS Agribank .................................................................................... 59 Hình 3.3 Sơ đồ phân tích đánh giá ảnh hưởng của NDDS tới biến động bãi biển....... 60 Hình 3.4 Vị trí trích xuất sóng khu vực nước sâu tại khu vực biển Cửa Đại, Hội An. . 61 Hình 3.5 Tương quan giữa nước dâng và độ cao sóng nước sâu thời kỳ trước mùa gió Tây Nam và sau thời kỳ mùa gió Đông Bắc 2016. ....................................................... 62 Hình 3.6 Diễn biễn địa hình mặt cắt ngang MCN-01 từ 23/3/016 đến 17/8/2016. ....... 63 Hình 3.7 Hướng đi và trường gió trong bão ngày 12/9/2016, 17/10/2016 [49]. ........... 63 Hình 3.8 Biến động địa hình mặt cắt ngang MCN-01 từ 17/8/2016 đến 26/10/2016. .. 64 Hình 3.9 Biến động bãi biển tại MCN-02 trong đợt ảnh hưởng bão SARIKA. ............ 65 Hình 3.10 Tương quan mực nước dâng và độ cao sóng bão số 7) năm 2016. .............. 65 Hình 3.11 Diễn biến mặt cắt ngang địa hình bãi biển các giai đoạn. ............................ 66 Hình 3.12 Hình ảnh xói lở khu vực biển từ Palm Garden đến Agribank. ................... 67 Hình 3.13 Vị trí điểm tính toán vùng ven bờ biển phía bắc Cửa Đại, Hội An. ............. 70 Hình 3.14 Phân bố trường sóng theo tần suất bão khu vực biển Cửa Đại, Hội An. ..... 71 Hình 3.15 Biểu đồ so sánh chiều cao sóng các điểm tại biên các trường hợp. ............. 72 viii Hình 3.16 Mô phỏng phân bố độ cao do sóng các trường hợp tính toán. ..................... 73 Hình 3.17 Phân bố độ cao sóng theo mặt cắt ngang các trường hợp tính toán. ............ 74 Hình 3.18 Phân bố độ cao nước dâng do sóng theo các trường hợp tính toán. ............. 76 Hình 3.19 Phân bố NDDS theo mặt cắt ngang các trường hợp tính toán. .................... 76 Hình 3.20 Biểu đồ so sánh NDDS lớn nhất các trường hợp tại các vị trí mặt cắt......... 77 Hình 3.21 Mực nước dâng trạm Sơn Trà tháng 10, 11/2020. ....................................... 79 Hình 3.22 Biến động bãi biển do các cơn bão đổ bộ vào thời kỳ triều khác nhau. ....... 79 Hình 3.23 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD01các trường hợp tính toán theo KB1 (triều TB) và KB2 (triều cao). ............................................................... 80 Hình 3.24 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD02 các trường hợp tính toán theo KB1 (triều TB) và KB2 (triều cao). ............................................................... 80 Hình 3.25 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD03 các trường hợp tính toán theo KB1 (triều TB) và KB2 (triều cao). ............................................................... 81 Hình 3.26 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD04 các trường hợp tính toán theo KB1 (triều TB) và KB2 (triều cao). ............................................................... 81 Hình 3.27 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD01các trường hợp tính toán theo KB1 (có xét đến NDDS) và KB3 (không xét NDDS). .................................. 82 Hình 3.28 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD02 các trường hợp tính toán theo KB1 (có xét đến NDDS) và KB3 (không xét NDDS). .................................. 82 Hình 3.29 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD03 các trường hợp tính toán theo KB1 (có xét đến NDDS) và KB3 (không xét NDDS). .................................. 83 Hình 3.30 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD04 các trường hợp tính toán theo KB1 (có xét đến NDDS) và KB3 (không xét NDDS). .................................. 83 Hình 3.31 Ký hiệu phạm vi, mức độ biến động địa hình MCN bãi KB1& KB2. ......... 84 Hình 3.32 Ký hiệu phạm vi, mức độ biến động địa hình MCN bãi KB1 & KB3. ........ 84 Hình 3.33. So sánh cao trình, chiều sâu xói chân công trình KB1 và KB2 các trường hợp tính toán tại MC tính toán CD01, CD02 (bãi biển đã có công trình bảo vệ). ............... 86 Hình 3.34 So sánh cao trình, chiều rộng xói bãi KB1 & KB2 các trường hợp tính toán tại MC tính toán CD03, CD04 (bãi biển chưa có công trình bảo vệ). ........................... 87 Hình 3.35. Diễn biến cao trình xói bãi KB1 & KB3 tại MC tính toán CD04. ............. 89 Hình 3.36 Diễn biến chiều rộng xói bãi KB1 & KB3 tại MC tính toán CD04. ........... 89 ix Hình 3.37. Diễn biến cao trình, chiều sâu xói chân công trình KB1 & KB3 tại MC tính toán CD01. ..................................................................................................................... 89 Hình 3.38 Diễn biến cao trình, chiều sâu xói chân công trình KB1 & KB3 tại MC tính toán CD02. ..................................................................................................................... 89 Hình 4.1 Phạm vi khu vực nghiên cứu. ......................................................................... 93 Hình 4.2 Bãi biển Cửa Đại, Hội An biến động theo mùa. ............................................. 94 Hình 4.3 Biến đổi bãi biển khi có các công trình xây dựng ven bờ. ............................ 95 Hình 4. 4 Công trình bảo vệ bờ không phát huy hiệu quả trong bão. ........................... 95 Hình 4. 5 Hình ảnh các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển phía Bắc Cửa Đại........... 97 Hình 4.6 Mặt bằng bố trí tổng thể công trình khu vực biển Cửa Đại Hội An. .............. 99 Hình 4.7 Sơ họa bố trí công trình đê ngầm giảm sóng, kè mỏ hàn . ........................... 100 Hình 4.8 Phân bố độ cao sóng sau khi bố trí các phương án công trình bảo vệ. ....... 102 Hình 4. 9 Độ cao sóng trước khi bố trí công trình và sau khi bố trí công trình tại các vị trí mặt cắt CD01, CD02, CD03 và CD04. ................................................................... 102 Hình 4. 10 Biến động bãi biển theo các phương án bố trí công trình. ........................ 103 Hình 4.11 Các khối bồi tụ dạng tombolo ở gần bờ được hình thành . ........................ 104 Hình 4. 12 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt CD01 các phương án. ................................ 104 Hình 4. 13 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt CD02 các phương án. ................................ 105 Hình 4. 14 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt CD03 các phương án. ................................ 105 Hình 4.15 Biến đổi địa hình đáy mặt cắt CD04 các phương án. ................................. 105 x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng thống kê thời gian và nội dung đo đạc các mặt cắt ngang bãi biển ......27 Bảng 2.2 Bảng thống kê số lượng cơn bão từ năm 1979 đến 2020 ...............................29 Bảng 2.3 Thống kê về thời gian, tham số một số cơn bão có ảnh hưởng .....................30 Bảng 2.4 Bảng thống kê cao độ và tọa độ các trạm đo trong tháng 10/2016 ...............32 Bảng 2.5 Bảng thống kê cao độ và tọa độ các trạm đo trong tháng 3/2017 ..................32 Bảng 2.6 Bảng thống kê tỉ lệ độ dài/pixel tại các vị trí trên cọc tiêu, sai số độ dài ......41 Bảng 2.7 Bảng thống kê tỉ lệ độ dài/pixel tại vị trí các cọc tiêu, sai số độ dài..............41 Bảng 2.8 Bảng thống kê kết quả độ cao sóng và nước dâng do sóng ...........................47 Bảng 2.9 Kết quả hiệu chỉnh độ cao sóng, chu kỳ, hướng sóng mô hình SWAN ........52 Bảng 2.10 Kết quả kiểm định độ cao sóng, chu kỳ và hướng sóng mô hình SWAN ...53 Bảng 2.11 Bảng thống kê tham số hiệu chỉnh mô hình XBEACH .............................55 Bảng 2.12 Bảng thống kê tham số hiệu chỉnh biển đổi hình thái bãi biển ....................56 Bảng 2.13 Kết quả kiểm định độ cao sóng, nước dâng do sóng và biển đổi ............... 57 Bảng 3.1 Bảng thống kê các tham số sóng nước sâu, nước dâng ven bờ theo các giai đoạn đo đạc MCN địa hình .................................................................................................... 62 Bảng 3.2 Bảng thống kê các tham số sóng nước sâu, nước dâng ven bờ cơn bão ngày 12/9/2016 và 17/10/2016 ............................................................................................... 64 Bảng 3.3 Bảng thống kê giá trị các yếu tố ảnh hưởng đến biến động bãi biển và phạm vi ảnh hưởng trong bão SARIKA tại MCN-02 ................................................................. 65 Bảng 3.4 Bảng tổng hợp kết quả phân tích biến động bãi biển các giai đoạn............... 67 Bảng 3.5 Bảng thống kê các tham số sóng vùng nước sâu theo tần suất ứng với các trường hợp tính toán ...................................................................................................... 69 Bảng 3.6 Vị trí, tọa độ, độ sâu nước các điểm tính toán tại biên .................................. 70 Bảng 3.7 Giá trị tham số sóng các điểm tính toán tại biên ............................................ 72 Bảng 3.8 Bảng thống kê NDDS lớn nhất vị trí sát mép bờ các mặt cắt tính toán ......... 77 Bảng 3.9 Bảng thống kê giá trị biến động về cao trình, kích thước, phạm vi xói lở bãi biển giữa KB1 & KB2 ................................................................................................... 85 Bảng 3.10 Bảng thống kê giá trị biến động về cao trình, kích thước, phạm vi xói lở bãi biển giữa KB1 & KB3 ................................................................................................... 88 xi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ 1. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ĐB - Đông Bắc DELFT3D - Mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều do trường Đại học DELFT Hà Lan Phát triển KB - Kịch bản KHCN - Khoa học công nghệ KS - Khách sạn MCN - Mặt cắt ngang NCEP - National Centers for Environmental Prediction – Trung tâm dự báo môi trường Quốc gia NDDB - Nước dâng do bão NDDS - Nước dâng do sóng SLOSH - Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes - Mô hình tính nước dâng do bão cho khu vực ven biển, biển và hồ SMS - Surfacewater Modeling System - Hệ thống mô hình nước mặt SPLASH - Spesical Program to List Amplitude of Surge from Huricanes Chương trình đặc biệt để tính toán nước dâng do bão SPM - Shoreline Protection Manual - Sổ tay bảo vệ đường bờ của Hoa Kỳ SWAN - Simulating Waves Nearshore - Mô hình tính toán lan truyền, biến dạng sóng nước nông. TCVN - Tiêu chuẩn quốc gia TN - Tây Nam TWP - Mực nước bị ảnh hưởng bởi cả thủy triều, gió và áp suất khí quyển. TH - Trường hợp VCBC - Vận chuyển bùn cát xii XBEACH - Mô hình mô phỏng các quá trình thủy động lực học, hình thái động lực học và tác động lên các bờ biển cát. 2. GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ Mực nước biển - Mực nước tổng cộng so với mực nước trung bình đo được bằng các thiết bị đo đạc mực nước. Mực nước biển - Giá trị trung bình của toàn bộ các giá trị mực nước quan trắc được trung bình tại trạm. Nước biển dâng Nước dâng do bão - Nước dâng nói chung có thể xem như sự biến đổi mực nước có chu kỳ dài dưới tác động của gió, khí áp lên một khu vực cụ thể. - Nước dâng do bão là hiện tượng mực nước biển dâng cao hơn mức bình thường dưới tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khí tượng khi có bão. Nước dâng do sóng - Nước dâng do sóng là sự tăng lên của mực nước trung bình do sự truyền của năng lượng sóng lên cột nước trong quá trình truyền sóng và đặc biệt là quá trình sóng đổ. Thủy triều - Những dao động tuần hoàn của mực nước biển theo thời gian do các lực có nguồn gốc thiên văn gây nên. xiii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bãi biển Cửa Đại, Hội An nằm ở trung tâm của dải bờ biển kéo dài từ chân núi Sơn Trà thuộc thành phố Đà Nẵng, qua phường Điện Dương thuộc thị xã Điện Bàn đến phường Cửa Đại thuộc thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam. Bãi biển Cửa Đại, Hội An là một bãi biển đẹp được nhiều chuyên trang du lịch nổi tiếng trong nước và quốc tế bầu chọn là một trong những bãi biển đẹp hàng đầu ở châu Á, với những cồn cát trắng chạy dài, nước màu lam ngọc và nắng vàng. Đặc biệt ven bờ biển Cửa Đại được các doanh nghiệp xây dựng những khu nghỉ dưỡng lộng lẫy, tiện nghi hiện đại. Chính vì vậy nơi đây trở thành điểm đến hấp dẫn của du khách trong và ngoài nước và đã tạo ra nguồn thu sách ngân sách lớn cho địa phương. Bên cạnh những tiềm năng to lớn mà thiên nhiên ban tặng, hàng năm vào mùa gió Đông Bắc toàn bộ vùng ven bờ phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An phải hứng chịu nhiều thiên tai như: bão, gió mùa, triều cường, nước dâng gây hệ quả về xói lở bờ biển, để lại hậu quả nghiêm trọng về kinh tế - xã hội và môi trường sinh thái. Tình trạng xói lở nghiêm trọng bãi biển phía Bắc Cửa Đại, Hội An bắt đầu xảy ra liên tục từ năm 2009 trở lại đây, tại nơi đang tập trung các khu nghỉ dưỡng cao cấp nhất của thành phố du lịch này. Đứng trước tình trạng xói lở nghiêm trọng đó chính quyền địa phương cũng như chủ các khu nghỉ dưỡng ven biển đã bỏ ra hàng trăm tỷ đồng để xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển nhưng qua thời gian sử dụng các công trình này hầu như không phát huy được hiệu quả bảo vệ bờ và bãi biển. Những khu vực đã bố trí xây dựng công trình bảo vệ, sóng trong bão vẫn gây xói lở bờ và bãi biển, tràn qua đỉnh công trình và phá hủy nghiêm trọng công trình và các hạ tầng kiến trúc phía trong vùng bờ (hình 1). Đối với những khu vực bãi biển tự nhiên chưa có công trình bảo vệ như tại bãi biển Tân Mỹ, bãi biển từ khách sạn Agribank đến bãi biển An Bàng tình trạng xói lở khu vực bãi cao và chân các đụn cát ngày càng nghiêm trọng, đường bờ của khu vực này ngày càng lấn sâu vào phía trong đất liền gây ảnh hưởng lớn đến hạ tầng kỹ thuật và cuộc sống của người dân trong khu vực này. 1 Tình trạng xói lở nghiêm trọng bãi biển Cửa Đại, Hội An đã và đang gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn thu ngân sách của địa phương từ ngành du lịch trong những năm qua. a) Bãi tắm KS Vin Pearl, Cửa Đại không tồn tại b) Công trình KS Fusion Alya bị phá hủy c) Kè mái nghiêng bằng bê tông bị sập mái d) Sóng bão phá hủy kè và tràn qua đỉnh kè tại khu vực bãi chính Cửa Đại (10/2016) e) Sóng bão vươn sâu vùng g) Sóng bão vươn sâu vùng bờ phá hủy chân đụn cát tại bờ phá hủy chân đụn cát tại bãi Tân Mỹ, Cửa Đại bãi KS Agribank (10/2016) (10/2016) h) Bãi chính biển An Bàng vẫn ổn định trước ngày 29/10/2020 h) Bãi chính biển An Bàng h) Bãi biển An Bàng giáp bị xói lở nghiêm trọng ngày bãi Hà My bị xói lở nghiêm trọng ngày 14/11/2020 14/11/2020 Hình 1 Tình trạng xói lở nghiêm trọng tại khu vực biển Cửa Đại, Hội An do ảnh hưởng sóng trong bão, gió mùa Đông Bắc gây ra. Để làm rõ nguyên nhân gây ra tình trạng xói, bồi bãi biển phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An đã có nhiều nghiên cứu về quá trình thủy thạch động lực, vận chuyển bùn cát và biến động vùng ven biển, cửa sông trong khuôn khổ các đề tài KH&CN, các dự án và nghiên cứu độc lập của các nhóm nghiên cứu. Nghiên cứu do Lê Đình Mầu chủ trì, thực hiện năm 2015, cho thấy “từ những năm 1965 trở lại đây vùng ven biển Cửa Đại, Hội An hiện tượng xói lở luôn chiếm ưu thế hơn hiện tượng bồi tụ và cường độ xói lở ngày càng gia tăng, đường bờ ngày càng lấn sâu vào trong đất liền” [1]. Nghiên cứu trong đề tài KH&CN do Nguyễn Kim Đan và Nguyễn Trung Việt chủ trì, thực hiện trong các năm 2 2016-2017 đã đưa ra được các nguyên chính gây ra xói lở bờ phía Bắc biển Cửa Đại là do “thiếu hụt bùn cát, do thay đổi hướng sóng, do tác động từ xây dựng công trình trong khu vực” [2]. Nghiên cứu do Nguyễn Ngọc Thế chủ trì, thực hiện năm 2016-2017 cho thấy “các công trình được xây dựng không phát huy hiệu quả trong bão, trong bão hiện tượng xói lở nghiêm trọng thường xảy ra vùng bãi cao và chân đụn cát ven bờ” [3]. Nghiên cứu về cán cân vận chuyển bùn cát dọc bờ tại khu vực biển Cửa Đại (Hội An) do Lê Đình Mầu thực hiện năm 2012, cho thấy “cơ chế VCBC ngang bờ trong bão chiếm ưu thế hơn VCBC dọc bờ” [4]. Nghiên cứu do Huỳnh Công Hoài chủ trì, thực hiện năm 2018, cho thấy “xói lở nghiêm trọng bãi biển Cửa Đại, Hội An chủ yếu xảy ra về thời kỳ mùa gió Đông Bắc” [5], ngoài ra còn một số các nghiên cứu khác về đặc điểm biến động đường bờ, vùng cửa sông [6], [7], [8], [9], [10]... Nhìn chung, kết quả các nghiên cứu đã mô tả được quy luật biến động bãi biển là xói lở nghiêm trọng về thời kỳ mùa gió Đông Bắc và bồi tụ về mùa gió Tây Nam và đã làm rõ khu vực phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An tình trạng xói lở chiểm ưu thế hơn bồi tụ, khu vực bãi biển phía Nam biển Cửa Đại, Hội An ổn định ít biến động, cơ chế VCBC ngang bờ trong bão chiếm ưu thế hơn VCBC dọc bờ, kết quả các nghiên cứu cũng đã đưa ra được các nguyên chính gây ra xói lở bờ biển phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An là do thiếu hụt bùn cát, do thay đổi hướng sóng, do tác động từ xây dựng công trình trong khu vực. Tuy nhiên, vẫn còn thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của các yếu tố động lực vùng ven bờ tác động đến biến động bãi biển trong điều kiện thời tiết cực đoan có bão, gió mùa Đông Bắc gây sóng lớn, đặc biệt yếu tố NDDS trong bão đến biến động các bãi cao, đụn cát ven bờ làm đường bờ ngày càng lấn sâu vào phía trong đất liền. Mặt khác một số giải pháp công trình bảo vệ bờ đề xuất áp dụng cho khu vực biển Cửa Đại, Hội An còn chưa có căn cứ khoa học đầy đủ và thuyết phục. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, việc lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển và giải pháp bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An” sẽ đóng góp một phần vào giải quyết các yêu cầu thực tiễn trong công tác phòng chống thiên tai, xây dựng công trình bảo vệ bờ và bãi biển cho Cửa Đại, Hội An cũng như trong quản lý, quy hoạch nhằm ổn định bờ bãi biển để phục vụ phát triển kinh tế xã hội trong tương lai. 3 2. Mục tiêu nghiên cứu (1) Tính toán được nước dâng do sóng từ bộ số liệu thực đo tại hiện trường bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu và trên mô hình toán để làm rõ một số quy luật biến động bãi biển và ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển khu vực nghiên cứu. (2) Đề xuất được giải pháp công trình bảo vệ hiệu quả nhằm ổn định vùng bờ biển, phục vụ phát triển kinh tế du lịch biển bền vững trong khu vực nghiên cứu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Nước dâng do sóng, biến động bãi biển do tác động của nước dâng do sóng. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Bãi biển phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An dài 7,6 km từ giáp cửa sông Cửa Đại lên đến hết bãi tắm An Bàng. Hình 2. Phạm vi khu vực nghiên cứu [3]. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1. Cách tiếp cận Trong nghiên cứu khoa học về biển nói chung và nghiên cứu động lực học sóng vùng ven bờ nói riêng, các số liệu đo đạc luôn giữ một vai trò quan trọng trong việc kiểm nghiệm và phát triển các phương pháp tính toán cũng như mô hình số trị. Chính vì vậy, 4 trong nghiên cứu của luận án tác giả đã lựa chọn cách tiếp cận từ quan trắc, thu thập số liệu thực tế trong bão tại khu vực nghiên cứu và ứng dụng các mô hình số trị để phục vụ vấn đề nghiên cứu của luận án đặt ra. Bên cạnh đó, trong luận án tác giả cũng sử dụng cách tiếp cận kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu đã có từ trước để có định hướng giải quyết vấn đề cần nghiên cứu chặt chẽ và khoa học hơn. 4.2. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu chủ yếu sau: phương pháp nghiên cứu tổng quan; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm quan trắc hiện trường (quan trắc biến động MCN bãi biển, quan trắc mực nước, quan trắc dao động mực nước bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu….); Phương pháp sử dụng mô hình số trị; Phương pháp nghiên cứu ứng dụng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ có những ý nghĩa khoa học như sau: Luận án đã nghiên cứu thiết lập thành công kỹ thuật quan trắc về dao động mực nước biển trong điều kiện sóng lớn bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu và phương pháp phân tích NDDS từ số liệu quan trắc. Thành công của nghiên cứu trong luận án cho phép lập quy trình ứng dụng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu để nghiên cứu xác định NDDS vùng ven bờ và làm cơ sở tin cậy để hiệu chỉnh, kiểm định các mô hình toán mô phỏng NDDS vùng ven bờ tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu của luận án cũng đã làm rõ một số quy luật biến động bãi biển khu vực nghiên cứu. Đây là cơ sở khoa học quan trọng cho việc đề xuất các giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn - Dự báo được phạm vi biến động vùng bờ phục vụ nghiên cứu quy hoạch không gian bãi biển của khu vực nghiên cứu. - Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng vào việc duy tu, nâng cấp các công trình bảo vệ trực tiếp bờ nhằm phát huy hiệu quả bảo vệ bờ của nó trong bão. 5