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 tt

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 : 9 58 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2021 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. Trần Thanh Tùng Người hướng dẫn khoa học 2: GS. TS. Nguyễn Trung Việt Phản biện 1: GS.TS. Trần Đình Hòa Phản biện 2: PGS.TS. Lê Xuân Roanh Phản biện 3: TS. Mai Hồng Quân Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tại trường Đại học Thủy lợi vào lúc … giờ … ngày … tháng … năm ….. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bãi biển Cửa Đại, Hội An là một trong những bãi biển đẹp đứng hàng đầu châu Á và đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển ngành du lịch ở tỉnh Quảng Nam nói riêng, cũng như trong cả nước nói chung. Bên cạnh những ưu thế thiên nhiên ban tặng, hàng năm vào mùa gió Đông Bắc toàn bộ vùng ven bờ phía Bắc biển Cửa Đại phải hứng chịu nhiều thiên tai như: bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa, triều cường, nước dâng gây hệ quả về xói lở bờ biển, để lại hậu quả lâu dài về kinh tế - xã hội và môi trường sinh thái. Trong những năm qua, đã có khá nhiều các nghiên cứu về chế độ thủy động lực học, xói lở, bồi tụ tại khu vực này. 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 nước dâng do sóng ảnh hưởng tới biến động các bãi cao, đụn cát ven bờ làm đường bờ ngày càng lấn sâu vào phía trong đất liền. Vì vậy, nghiên cứu của đề tài Luận án là rất cần thiết nhằm đóng góp một phần vào quá trình nghiên cứu, giải quyết các yêu cầu thực tiễn trong công tác phòng chống thiên tai, xây dựng công trình bảo vệ bờ biển cũng như trong quản lý, quy hoạch nhằm ổn định bờ và bãi biển Cửa Đại, Hội An để phục vụ phát triển kinh tế - xã hội. 2. Mục tiêu nghiên cứu (1) Tính toán được NDDS từ bộ số liệu thực đo tại hiện trường bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu và trên mô hình toán để làm rõ một số quy luật biến động bãi biển và ảnh hưởng của NDDS đến biến động bãi biển Cửa Đại. (2) Đề xuất được giải pháp bảo vệ hiệu quả bãi biển Cửa Đại và ổn định vùng ven biển, phục vụ phát triển bền vững kinh tế du lịch biển khu vực nghiên cứu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu của luận án Nước dâng do sóng, biến động bãi biển do tác động của nước dâng do sóng. 3.2. Phạm vi nghiên cứu của luận án 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. 1 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1. Cách tiếp cận: Quan trắc, thu thập số liệu sóng, mực nước và biến động bãi biển 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. 4.2. Phương pháp nghiên cứu: Để giải quyết mục tiêu và nhiệm vụ đã nêu ở trên, luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: Phương pháp nghiên cứu tổng quan; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm quan trắc hiện trường (quan trắc biến động mặt cắt ngang bãi biển, quan trắc mực nước, quan trắc dao động mực nước bằng công nghệ camera kết hợp cọc tiêu….); Phương pháp sử dụng mô hình toán; Phương pháp nghiên cứu ứng dụng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1. Ý nghĩa khoa học Luận án đã nghiên cứu thiết lập được kỹ thuật quan trắc dao động mực nước bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu và phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ số liệu quan trắc, kết quả của nghiên cứu là cơ sở tin cậy để hiệu chỉnh, kiểm định các mô hình toán mô phỏng nước dâng do sóng và biến động bãi biển. Luận án đã làm rõ một số quy luật, phạm vi biến động và ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển của khu vực nghiên cứu. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Các kết quả nghiên cứu của luận án sẽ cung cấp một giải pháp công trình hợp lý nhằm phòng chống xói lở bờ bãi biển khu vực nghiên cứu và là tài liệu tham khảo hữu ích áp dụng vào việc duy tu, nâng cấp các công trình bảo vệ trực tiếp bờ. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, nội dung luận án gồm 4 chương sau: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về nước dâng do sóng và công trình bảo vệ bờ biển. Chương 2: Cơ sở khoa học xác định nước dâng do sóng và biến động bãi biển. Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới biến động bãi biển Cửa Đại, Hội An. Chương 4: Đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An. 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN 1.1. Khái quát chung về nước dâng do sóng và ảnh hưởng của nước dâng do sóng 1.1.1. Các thuật ngữ liên quan đến nước dâng do sóng Nước dâng 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 là sự tăng lên của mực nước trung bình do sự truyền của năng lượng sóng lên cột nước trong quá trình truyền sóng và đặc biệt là quá trình sóng đổ. Các nghiên cứu về lý thuyết cũng như mô hình số trị cho thấy, nước dâng do sóng có độ lớn đáng kể tại vùng nước nông ven bờ. 1.1.2. Phạm vi ảnh hưởng và tác động của nước dâng do sóng tới bãi biển Phạm vi ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới bãi biển thường trong khu vực nước nông ven bờ; Khu vực chịu tác động mạnh nhất thuộc vùng sóng tràn. Nước dâng do sóng tác động tới bãi biển chủ yếu khu vực bãi cao và đụn cát ven bờ, gây xói lở nghiêm trọng thềm bãi, làm một phần mặt đụn cát bị sụp đổ hoặc cũng có thể tạo ra một vết nứt sâu ở chân đụn cát dẫn đến sự sụp đổ của phần đất cát phía trên đụn cát. Ngoài ra nước dâng do sóng còn gây ra hiện tượng dòng Rip, là nguyên nhân của các vụ đuối nước của người dân cũng như du khách tắm biển, nghỉ dưỡng. 1.2. Tổng quan các nghiên cứu về nước dâng do sóng trên thế giới Trên thế giới, nước dâng do sóng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu từ những năm 1960 sau lý thuyết ban đầu được nghiên cứu của Longuet-Higgins (1962) và Longuet-Higgins và Stewart (1963, 1964). Tiếp theo đã có nhiều nghiên cứu về nước dâng do sóng theo hướng thực nghiệm hiện trường, kết quả của các nghiên cứu đã đưa ra được một số công thức gần đúng về tính toán nước dâng do sóng (Hanslow D. J, 1992; Happer B.A, 2001); Phương pháp khác để nghiên cứu về nước dâng do sóng là sử dụng kết hợp nhiều mô hình. Các nghiên cứu về nước dâng do sóng trên thế giới, về cơ bản đã giải quyết được một số các vấn đề khoa học, phát triển nhiều mô hình tính toán áp dụng trong thực tiễn, giúp hiểu rõ về đặc điểm và biến động của mực nước trong bão cho dải ven biển. 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 3 1.3.1. Các nghiên cứu về nước dâng, nước dâng do sóng Tại Việt Nam nghiên cứu về nước dâng do bão đã được nghiên cứu từ những năm 1970, nghiên cứu về nước dâng do sóng được quan tâm nghiên cứu trong những năm gần đây qua các luận án tiến sĩ, trong nghiên cứu các tác giả sử dụng các mô hình số trị để nghiên cứu về nước dâng do sóng. Kết quả các nghiên cứu đã cho thấy vai trò, ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến ngập lụt các khu vực nghiên cứu và có đóng góp quan trọng trong mực nước cực trị trong bão. Tuy nhiên, nghiên cứu về nước dâng do sóng theo hướng thực nghiệm còn hạn chế và chưa có nghiên cứu nào đánh giá ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển, đặc biệt khu vực bãi cao, chân đụn cát. 1.3.2. Các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển đã áp dụng tại Việt Nam Để giảm thiểu tác động của sóng và các yếu tố động lực đến vùng ven bờ, tại Việt Nam đã nghiên cứu và áp dụng các giải pháp công trình chủ yếu, gồm: tường chắn sóng, kè chắn sóng, đê chắn sóng xa bờ, kè mỏ hàn. Các giải pháp công trình được ứng dụng bước đầu đã mang lại một số hiệu quả nhất định nhưng trong quá trình vận hành, tại một số nơi các công trình đã bộc lộ nhiều nhược điểm, không phát huy tác dụng chỉnh trị và bảo vệ bờ biển; có tác động bất lợi với môi trường xung quanh, nhiều công trình khi hoạt động đã bị hư hỏng, đổ vỡ. 1.4. Các nghiên cứu liên quan đến biển Cửa Đại, Hội An Trong những năm qua, khu vực biển Cửa Đại, Hội An đã có khá nhiều các nghiên cứu về quá trình thủy thạch động lực, vận chuyển bùn cát và tình trạng xói lở/bồi tụ bãi biển phía Bắc biển Cửa Đại, Hội An. Tuy nhiên, vẫn còn thiếu các nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của các yếu tố động lực vùng ven bờ tác động đến biến động bãi biển trong điều kiện thời tiết cực đoan có bão, gió mùa Đông Bắc gây sóng lớn, đặc biệt yếu tố nước dâng do sóng ảnh hưởng tới biến động các bãi cao, đụn cát ven bờ làm đường bờ ngày càng lấn sâu vào phía trong đất liền. Mặt khác một số giải pháp công trình bảo vệ bờ đề xuất áp dụng cho khu vực biển Cửa Đại, Hội An còn chưa đủ cơ sở khoa học và thuyết phục. 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án Từ những vấn đề trên, luận án đưa ra định hướng nghiên cứu: phân tích để đưa ra một số quy luật về biến động bãi biển do tác động của các yếu tố động lực ven bờ từ bộ số liệu được đo đạc đồng bộ qua các thời kỳ mùa gió Tây Nam, mùa gió Đông Bắc; Tính toán được nước dâng do sóng từ bộ số liệu đo đạc về dao động mực nước trong điều kiện sóng lớn bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu và trên mô hình toán để làm rõ ảnh hưởng của nước dâng do sóng trong bão tới biến động bãi biển khu vực nghiên cứu; Đề xuất và lựa chọn được giải pháp 4 công trình hợp lý nhằm bão vệ bãi biển, phục vụ phát triển kinh tế du lịch biển bền vững trong khu vực nghiên cứu. 1.6. Kết luận Chương 1 Qua nội dung tổng quan các nghiên cứu về nước dâng do sóng ở trong nước và trên thế giới, tác giả đã khái quát được những thành tựu đạt được và tồn tại của các nghiên cứu đi trước, nhận dạng đầy đủ ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới biến động bãi biển. Từ những vấn đề còn thiếu trong nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của các yếu tố động lực, đặc biệt yếu tố nước dâng do sóng tới biến động bãi biển Cửa Đại, Hội An, tác giả đưa ra định hướng trong nghiên cứu là phân tích, làm rõ ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới biến động bãi biển và từ đó có những đề xuất về giải pháp công trình bảo vệ ổn định bờ biển khu vực nghiên cứu. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN 2.1. Lựa chọn phương pháp xác định nước dâng do sóng trong luận án Luận án sử dụng kết hợp 02 phương pháp: phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ số liệu đo đạc hiện trường, phương pháp mô phỏng nước dâng do sóng trên mô hình toán. Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu của luận án có sự có sự liên kết, bổ trợ cho nhau để đạt được mục tiêu nghiên cứu đưa ra. Hình 2.1 Sơ đồ mô tả sự liên kết, bổ trợ giữa các phương pháp nghiên cứu của luận án. 2.2. Các số liệu cơ bản phục vụ nghiên cứu Luận án sử dụng số liệu về địa hình; Thủy, hải văn; Bùn cát đáy của dự án “Nghiên cứu về quá trình xói lở/bồi lắng của bờ biển Hội An và đề xuất các giải pháp để bảo vệ bờ biển một cách bền vững” được đo đạc vào tháng 10/2016, tháng 3/2017. Ngoài số liệu trên tác giả thực hiện đo đạc bổ sung số liệu về mực nước, dao động mực nước vùng sóng vỡ trong bão và mặt cắt ngang địa hình bãi biển qua thời kỳ cac mùa gió Tây Nam, mùa gió Đông Bắc năm 2016. 5 2.3. Phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ bộ số liệu đo đạc 2.3.1. Cơ sở khoa học phân tích nước dâng do sóng từ hình ảnh camera 2.3.1.1. Cơ sở định dạng màu điểm ảnh: dựa vào bộ thông số về cường độ màu (màu đỏ, xanh dương và xanh lá) tồn tại trong mỗi điểm ảnh để định dạng màu điểm ảnh. 2.3.1.2. Cơ sở phân biệt ranh giới trên cọc tiêu: dựa vào cơ sở định dạng màu điểm ảnh để xác định vị trí điểm ảnh ranh giới giữa phần trên cọc tiêu (cường độ mầu ở dải cường độ thấp) và dưới mặt nước (cường độ mầu nằm ở dải cường độ cao). Trong thiết kế, chế tạo cọc tiêu đã chọn màu sơn cọc tiêu (màu đen) để tạo nên sự khác biệt lớn dễ nhận biết trong chương trình xử lý và phân tích. 2.3.1.3. Cơ sở lý thuyết phân tích các tham số sóng theo đường mực nước trung bình: đường mực nước trung bình được lấy bằng giá trị trung bình trên toàn chuỗi dữ liệu tại mỗi obs đo đạc. Sau khi có được chuỗi các giá trị tham số sóng, sắp xếp theo thứ tự giảm dần và ta có các đại lượng thống kế về sóng. 2.3.1.4. Thiết lập, bố trí camera và hệ thống cọc tiêu tại hiện trường Thiết lập, bố trí camera và hệ thống cọc tiêu tại bãi biển thuộc khách sạn Agribank (hình 2.22). Vị trí camera được bố trí tại khu vực cao và lệch sang bên so với vị trí bố trí hệ thống cọc tiêu. Hệ thống cọc tiêu được thiết lập trên một mặt cắt ngang tại bãi biển, hướng của tuyến cọc tiêu vuông góc với hướng sóng, vị trí cọc cao nhất được bố trí trên mép trong của bãi cao, các cọc phía ngoài khơi bố trí trong phạm vi vùng sóng vỡ (hình 2.23). Hình 2.22 Thiết lập, bố trí camera và hệ thống cọc tiêu. Hình 2.23 Bố trí hệ thống cọc tiêu trên mặt cắt ngang địa hình tại bãi tắm khách sạn Agribank. 2.3.1.5. Hiệu chỉnh sai số biến dạng trong khung hình và sai số độ dài tại các cọc tiêu a. Kết quả hiệu chỉnh sai số biến dạng trong khung hình: Trên cọc tiêu, đo và đánh dấu khoảng cách quy ước (20 cm) tại các vị trí phía trên (T), ở giữa (G) và cuối (C) trên cọc tiêu (hình 2.25). Từ hình ảnh camera thu nhận, tiến hành phân tích đánh giá biến dạng của khung ảnh (hình 2.26). 6 Hình 2.25 Các vị trí, độ dài quy ước kiểm tra trên cọc tiêu. Hình 2.26 Biến dạng ảnh các vị trí trên cọc tiêu. Kết quả phân tích đánh giá theo tỉ lệ độ dài/pixel tại các vị trí trên cọc tiêu và sai số về biến dạng ảnh được thống kê trong bảng 2.6. Bảng 2.6 Bảng thống kê tỉ lệ độ dài/pixel tại các vị trí trên cọc, sai số độ dài Vị trí kiểm định T G C Sai số Độ dài /pixel (cm/Pix) 2,3 2,4 2,5 0,1 Từ kết quả bảng trên cho thấy giá trị sai số do biến dạng tại các vị trí phía trên cọc tiêu (T), giữa cọc tiêu (G) và cuối cọc tiêu (C) rất nhỏ. Do vậy, trong nghiên cứu bỏ qua, không cần hiệu chỉnh sai số do biến dạng ảnh trong một khung hình. Tuy nhiên, sai số độ dài/pixel tại vị trí từng cọc tiêu có khác biệt lớn, các cọc tiêu ở vị trí càng gần camera thì sai số độ dài/pixel càng nhỏ hơn so với các cọc tiêu có vị trí xa camera. Chính vì vậy để chính xác trong phân tích nước dâng do sóng từ hình ảnh camera cần hiệu chỉnh sai số độ dài tại các cọc tiêu. b. Kết quả hiệu chỉnh sai số độ dài tại các cọc tiêu Kết quả tính toán tỉ lệ độ dài/pixel tại các cọc và sai số độ dài thống kê trong bảng 2.7. Bảng 2.7 Bảng thống kê tỉ lệ độ dài/pixel tại vị trí các cọc, sai số độ dài Tên cọc 01 02 03 04 05 06 07 08 độ dài /pixel (cm/Pix) 1,43 1,25 1,11 0,91 0,74 0,65 0,65 0,63 Kết quả tính toán sai số giữa độ dài thực và độ dài tính toán ở bảng 2.7 dùng để hiệu chỉnh sai số độ dài cho các cọc tiêu và được khai báo trong chương trình phân tích, trích xuất dao động mực nước từ hình ảnh camera. 7 2.3.1.6. Chương trình phân tích, trích xuất dao động mực nước từ hình ảnh camera Xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Sơ đồ khối chương trình xem hình 2.27. Hình 2.28 Định dạng file dữ liệu ảnh thu nhận từ camera. Điểm phân tách Hình 2.27 Sơ đồ khối chương trình trích xuất tín hiệu từ ảnh camera và hệ thống cọc tiêu. Phần trên mặt nước Đỉnh Cọc tiêu Hình 2.29 Trích xuất khung hình đại diện. 2.3.2. Phân tích ảnh, trích xuất dao động mực nước từ camera và hệ thống cọc tiêu Sử dụng chương trình đã được xây dựng, tiến hành phân tích ảnh camera và trích xuất dao động mực nước tại vị trí các cọc tiêu trong thời gian đo đạc. Hình 2.31 mô phỏng đại diện dao động mực nước tại cọc 1 trong thời gian đo đạc. Hình 2.31 Dao động mực nước tại cọc C1 trong thời đoạn đo đạc. 2.3.3. Tính toán nước dâng do sóng từ chuỗi số liệu đo đạc Từ chuỗi số liệu dao động mực nước được trích xuất tại vị trí từng cọc tiêu ở trên, tiến hành tính trung bình trên toàn thời gian thu được giá trị mực nước dâng tổng cộng (HTC) bao gồm 8 các thành phần: mực nước thủy triều (HTT), mực nước dâng do sóng (HNDDS), mực nước dâng do bão (HNDDB) và mực nước dâng do các tác động khác (HTĐK), ta có HTC = HTT + HNDDS + HNDDB+ HTĐK (2. 1) Từ (2.1) tính được chiều cao nước dâng do sóng tại mỗi vị trí cọc tiêu theo công thức: HNDDS = HTC - (HTT + HNDDB+ HTĐK) (2. 2) Giá trị HTC được phân tích từ ảnh camera thu nhận tại hiện trường về dao động mực nước đã trình bày trong nội dung mục 2.3.2. Giá trị HTT, HNDDB, HTĐK được phân tích từ chuỗi số liệu mực nước tổng cộng đo đạc tại trạm hải văn Sơn Trà cùng thời gian quan trắc mực nước tại khu vực nghiên cứu. Kết quả phân tích các thành phần mực nước: HTT = 0,026m; HNDDB = 0,16m. Kết quả tính độ cao sóng, chu kỳ sóng và nước dâng do sóng thống kê trong bảng 2.8 Bảng 2.8 Bảng thống kê kết quả độ cao, chu kỳ sóng và nước dâng do sóng Tên cọc 01 02 03 04 05 06 Độ cao sóng (m) 1,44 1,02 1,25 0,86 0,60 0,50 NDDS (m) 0,39 0,40 0,40 0,41 0,42 0,50 2.4. Phương pháp mô hình toán mô phỏng nước dâng do sóng và biến động bãi biển dưới tác động của nước dâng do sóng 2.4.1. Giới thiệu mô hình sử dụng trong nghiên cứu luận án Luận án sử dụng mô hình mã nguồn mở thủy động lực 2 chiều XBEACH có tích hợp kết quả tính toán sóng của mô hình SWAN cho khu vực biển Cửa Đại, Hội An. Hình 2.37 Sơ đồ khối tính toán nước dâng do sóng và biến động bãi biển. 9 2.4.2. Tính toán lan truyền sóng từ nước sâu vào vùng ven bờ 2.4.2.2. Thiết lập mô hình, miền tính, lưới tính và các điều kiện biên a. Thiết lập vùng tính, lưới tính: Thiết lập hai vùng: vùng tính toán lan truyền sóng (vùng 1) và vùng tính toán chi tiết tại khu vực biển Cửa Đại, Hội An (vùng 2). Hình 2.39 Miền tính toán sóng chi tiết. Hình 2.38 Miền tính toán vùng 1, vùng 2. Lưới tính: Lưới tính được thiết lập với 421 ô theo chiều dọc bờ và 170 ô theo chiều ngang bờ, kích thước lưới nhỏ nhất tại khu vực ven bờ là 30 m và lớn nhất tại khu vực nước sâu (độ sâu lớn nhất 70m) là 400 m. Hình 2.40 Lưới tính toán vùng 1, vùng 2 và địa hình đáy biển. 10 2.4.2.3. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình tính toán lan truyền sóng a. Kết quả hiệu chỉnh mô hình theo bộ số liệu khảo sát tháng 10/2016 Kết quả mô hình mô phỏng diễn biến của độ cao sóng và chu kỳ sóng khá tương đồng với số liệu thực đo. Độ lệch và sai số trung bình quân phương cho chuỗi độ cao sóng, chu kỳ sóng, hướng sóng thực đo trong tháng 10/ 2016 được thống kê trong bảng 2.9. Bảng 2.9 Kết quả hiệu chỉnh độ cao sóng, chu kỳ sóng, hướng sóng mô hình SWAN TT Tên Độ cao sóng Chu kỳ sóng Hướng sóng Trạm BIAS (m) RMS (m) BIAS (s) RMS (s) BIAS (độ) RMS (độ) 1 SMS01 - 0,04 0,11 0,46 2,80 5,20 19,68 2 SMS02 0,08 0,15 -0,78 2,86 -3,36 19,40 b. Kết quả kiểm định mô hình theo bộ số liệu khảo sát tháng 3/2017 Các kết quả so sánh giữa độ cao và chu kỳ sóng tại trạm SMS01 và trạm SMS02 trong suốt thời gian tiến hành khảo sát cho thấy có sự phù hợp tốt hơn so với các kết quả hiệu chỉnh trong đợt tháng 10/2016. Kết quả độ lệch và sai số trung bình quân phương được tính toán và thống kê trong bảng 2.10. Bảng 2.10 Kết quả kiểm định độ cao sóng, chu ký sóng và hướng sóng mô hình SWAN TT Độ cao sóng Chu kỳ sóng Hướng sóng Tên Trạm BIAS (m) RMS (m) BIAS (s) RMS (s) BIAS (độ) RMS (độ) 1 SMS01 - 0,02 0,09 0,70 1,56 -11,71 21,68 2 SMS02 0,03 0,07 -0,10 0,82 -7,41 0,87 2.4.3. Tính toán nước dâng do sóng và biến động bãi biển dưới tác động của nước dâng do sóng 2.4.3.1. Thiết lập mô hình Vùng 2 (hình 2.39) tính sóng chi tiết tại khu vực biển Cửa Đại, Hội An sử dụng cho mô hình XBEACH. Lưới tính mô hình XBEACH được lồng trong lưới tính mô hình SWAN (hình 2.40), lưới tính sử dụng là dạng lưới chữ nhật với bước lưới (5x25)m, tương ứng (310 x 481) ô lưới. 2.4.3.2. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình tính toán nước dâng do sóng và biến động bãi biển Sử dụng kết quả đã phân tích về độ cao sóng, nước dâng do sóng và số liệu về biến đổi địa hình bãi biển đo đạc hiện trường trong bão DOKSURI (từ ngày 12 đến 15//9/2017) để kiểm định kết quả tính toán từ mô hình XBEACH đã được hiệu chỉnh. 11 Bảng 2.13 Kết quả kiểm định độ cao sóng, nước dâng do sóng và biển đổi địa hình bãi biển của mô hình XBEACH TT Tham số BIAS (m) RMS (m) 1 Độ cao sóng 0,01 0,09 2 Nước dâng do sóng -0,02 0,03 3 Biến đổi địa hình -0,014 0,09 Kết quả tính độ lệch và sai số trung bình quân phương bảng 2.13 là khá nhỏ. Điều này chứng tỏ mức độ chính xác kết quả của mô hình và có thể tin cậy sử dụng các tham số hiệu chỉnh mô hình XBEACH làm số liệu đầu vào trong nghiên cứu của chương 3. 2.5. Kết luận Chương 2 Chương 2 luận án đã thiết lập được phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ số liệu đo đạc và phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ mô hình toán; Đã xây dựng được bộ cơ sở dữ liệu đầy đủ, đồng bộ và chi tiết để phục vụ các mục tiêu nghiên cứu của luận án; Thiết lập thành công kỹ thuật quan trắc và phương pháp phân tích xác định nước dâng do sóng từ kết quả quan trắc dao động mực nước do sóng bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu trên bãi biển; Sử dụng thành công mô hình mã nguồn mở thủy lực 2 chiều XBEACH có tích hợp kết quả của mô hình tính lan truyền sóng SWAN cho khu vực biển Cửa Đại, Hội An. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG TỚI BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN 3.1. Đặt vấn đề Để làm rõ hơn quy luật xói lở vùng ven bờ và đánh giá định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến xói lở khu vực bãi cao, đụn cát ven bờ. Trong nội dung chương 3 sẽ sử dụng bộ số liệu đo đạc đồng bộ và mô hình toán để phân tích, làm rõ ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển khu vực nghiên cứu. 3.2. Phân tích và khái quát một số quy luật về biến động mặt cắt ngang bãi biển từ số liệu đo đạc 3.2.1. Phân tích biến động mặt cắt ngang bãi biển qua các giai đoạn Sử dụng bộ số liệu đo đạc đồng bộ qua thời kỳ các mùa gió Tây Nam, mùa gió Đông Bắc, trước và sau một đợt bão để phân tích biến động mặt cắt ngang bãi biển dưới tác động của các yếu tố động lực học. Kết quả phân tích biến động bãi biển các giai đoạn tương ứng với các tác động do các yếu tố động lực học được thống kê trong bảng 3.4. 12 Bảng 3.4 Bảng tổng hợp kết quả phân tích biến động bãi biển các giai đoạn Giai đoạn Đến ngày 23/3/2016 17/8/2016 Không 2,69 21,15 ENESE Bồi tụ nhẹ 17/8/2016 12/9/2016 Ảnh hưởng bão ngày 12/9/2016 2,70 38,90 ENE Xói lở mép bãi, bãi cao 1/10/2016 30/12/2016 Ảnh hưởng bão ngày 17/10/2016 4,98 45,04 NE Xói lở mép bãi, bãi cao, chân đụn cát Ảnh hưởng gió mùa ĐB 02/11/2016 4,0 37,53 NE Xói lở mép bãi, bãi cao, chân đụn cát Ảnh hưởng gió mùa ĐB 30/11/2016 3,63 21,30 NE Xói lở mép bãi, bãi cao Ảnh hưởng gió mùa ĐB 15/12/2016 3,77 29,43 NE Xói lở mép bãi, bãi cao Ảnh hưởng gió mùa ĐB 27/12/2016 3,79 23,67 NE Xói lở mép bãi, bãi cao Ảnh hưởng 26/3/2017 3,44 38,84 ENE Xói lở mép bãi, bãi cao 30/3/2017 Bão HNDmax (m) (cm) Diễn biễn bờ bãi, mức độ ảnh hưởng Từ ngày 01/1/2017 Hsmax Hướng sóng Sự kiện xảy ra, tính chất bão hay gió mùa 3.2.2. Khái quát một số quy luật biến động MCN bãi khu vực biển Cửa Đại, Hội An Biến động bãi biển có tính chất mùa khá rõ rệt, mùa gió Đông Bắc bãi biển bị xói lở nghiêm trọng, mùa gió Tây Nam xói lở chỉ xảy ra trong điều kiện thời tiết bất thường khi có bão; Phạm vi, mức độ xói lở bãi biển do ảnh hưởng của bão nghiêm trọng hơn gió mùa Đông Bắc; Sóng có hướng NNE đến ENE (200 – 700) gây xói lở bờ và bãi biển nghiêm trọng nhất; Phạm vi biến động bãi biển từ mép bờ ra khơi khoảng 200m, vùng biến động mạnh nhất cách mép bờ khoảng 70m, trong bão vận chuyển bùn cát theo phương ngang là chính, khối lượng bùn cát xói lở được bồi tụ ngay phía sau phạm vi xói lở; Xói lở bãi biển Cửa Đại, Hội An nghiêm trọng nhất khi bão xuất hiện vào tháng 9, tháng 10, bão xuất hiện vào tháng 1 đến cuối tháng 3, hướng sóng ENE đến ESE (700 – 112,50) bãi biển cũng bị xói lở nhưng ít nghiêm trọng hơn do có đảo Cù Lao Chàm che chắn. 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của NDDS đến biến động bãi biển bằng mô hình toán 3.3.1. Trường hợp tính toán và vị trí các mặt cắt tính toán 3.3.1.1. Trường hợp tính toán: Để làm rõ quy luật biến động bãi biển vùng ven bờ do ảnh hưởng của các yếu tố thủy động lực trong bão gây ra và từ đó có giải pháp ứng phó đối với những cơn bão có cấp gió bão lớn hơn quá khứ mà trong tương lai có thể xuất hiện trong khu vực nghiên cứu, luận án đưa ra 04 trường hợp tính toán (xem bảng 3.5). 13 Bảng 3.5 Bảng thống kê các tham số sóng vùng nước sâu theo tần suất ứng với các trường hợp tính toán TT 1 2 3 4 Trường hợp tính toán TH1 TH2 TH3 TH4 Chu kỳ lặp [năm] 10 20 50 100 Tần suất (%) 10 5 2 1 Hsig [m] 11,79 12,39 13,19 13,79 Tham số T [s] Hướng sóng (độ) 13,30 45,0 13,60 45,0 14,20 45,0 14,60 45,0 3.3.1.2. Vị trí các mặt cắt ngang tính toán Bảng 3.6 Vị trí, tọa độ, độ sâu nước các điểm tính toán tại biên TT Hình 3.13 Vị trí điểm tính toán vùng ven bờ biển phía bắc Cửa Đại, Hội An. 1 2 3 4 Tên điểm tại biên MC tính toán CD01 CD02 CD03 CD04 Tọa độ X Tọa độ Y Độ sâu nước (m) 221643 219986 218793 217128 1760720 1761870 1762716 1763875 -19,53 -19,21 -18,57 -18,57 3.3.2. Kết quả mô phỏng nước dâng do sóng trong bão ven biển Cửa Đại, Hội An 3.3.2.1. Kết quả tính toán lan truyền sóng từ nước sâu vào vùng ven bờ Sử dụng mô hình SWAN được hiệu chỉnh, kiểm định trong chương 2 để tính toán lan truyền sóng từ nước sâu vào vùng ven bờ. Bảng 3.7 Giá trị tham số sóng các điểm tính toán tại biên Tên điểm tại biên MC tính toán CD01 CD02 CD03 CD04 Tham số Hsig [m] T [s] Hsig [m] T [s] Hsig [m] T [s] Hsig [m] T [s] Trường hợp tính toán TH2 TH3 TH1 TH4 (P=10%) (P=5%) (P=2%) (P=1%) 5,89 13,75 6,09 13,75 6,58 13,75 6,70 13,75 5,97 13,75 6,15 13,75 6,61 13,75 6,73 13,75 6,03 13,75 6,21 13,75 6,64 13,75 6,76 13,75 6,05 13,75 6,24 13,75 6,67 13,75 6,79 13,75 3.3.2.2. Kết quả mô phỏng, trích xuất phân bố độ cao sóng các trường hợp tính toán Sử dụng mô hình XBEACH trong chương 2 để mô phỏng phân bố độ cao sóng (xem hình 3.16), tiến hành trích xuất độ cao sóng theo các mặt cắt ngang (hình 3.17). 14 (3) (3) (2) (2) (1) (1) a) TH 1 (P=10%) b) TH 2 (P=5%) (3) (3) (2) (2) (1) (1) c) TH 3 (P=2%) d) TH 4 (P=1%) Hình 3.16 Mô phỏng phân bố độ cao do sóng các trường hợp tính toán. 79m a) Phân bố độ cao sóng theo mặt cắt CD01 120m b) Phân bố độ cao sóng theo mặt cắt CD02 160m 141m c) Phân bố độ cao sóng theo mặt cắt CD03 d) Phân bố độ cao sóng theo mặt cắt CD04 Hình 3.17 Phân bố độ cao sóng theo mặt cắt ngang các trường hợp tính toán. Kết quả phân tích cho thấy, phân bố độ cao sóng tại biển Cửa Đại, Hội An có khác biệt rõ rệt dọc theo vùng ven bờ và chia ra thành 3 khu vực khác biệt là: khu vực trước cửa sông Cửa Đại (khu vực 1), khu vực từ mũi bờ biển phía Bắc giáp cửa sông Cửa Đại đến bãi KS Agribank (khu vực 2), khu vực từ biển từ bãi tắm KS Agribank đến bãi An Bàng (khu vực 3). 15 3.3.2.4.. Kết quả mô phỏng, trích xuất độ cao nước dâng do sóng các trường hợp tính toán Sử dụng mô hình XBEACH trong chương 2 để mô phỏng phân bố độ cao nước dâng do sóng (hình 3.18), tiến hành trích xuất các độ cao nước dâng do sóng theo mặt cắt ngang (hình 3.19). a) Trường hợp 1 (P=10%) b) Trường hợp 2 (P=5%) c) Trường hợp 3 (P=2%) d) Trường hợp 4 (P=1%) Hình 3.18 Phân bố độ cao nước dâng do sóng theo các trường hợp tính toán. 42m 28m a) Phân bố độ cao nước dâng do sóng các trường hợp theo mặt cắt CD01 78m b) Phân bố độ cao nước dâng do sóng các trường hợp theo mặt cắt CD02 55m c) Phân bố độ cao nước dâng do sóng các trường hợp theo mặt cắt CD03 90m d) Phân bố độ cao nước dâng do sóng các trường hợp theo mặt cắt CD04 Hình 3.19 Phân bố nước dâng do sóng theo mặt cắt ngang các trường hợp tính toán. 16 Phân bố độ lớn nước dâng do sóng dọc theo vùng ven bờ khu vực biển Cửa Đại có khác biệt rõ rệt giữa các vị trí mặt cắt, khu vực có khác biệt rõ nhất là khu vực ven bờ từ phía Bắc cửa sông Cửa Đại đến bãi tắm chính Cửa Đại (mặt cắt CD02), khu vực ven bờ từ bãi tắm chính Cửa Đại (mặt cắt CD02) lên phía bắc (mặt cắt CD04) phân bố độ lớn nước dâng do sóng vùng ven bờ có khác biệt nhưng không nhiều. Tại khu vực sát bờ độ lớn nước dâng do sóng có giá trị khác nhau theo các vị trí và có xu thế giảm dần từ phía Bắc xuống phía Nam, giá trị nước dâng do sóng sát bờ lớn nhất tại CD04, nhỏ nhất tại CD01 3.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới biến động bãi khu vực biển Cửa Đại, Hội An 3.3.3.1. Các kịch bản: luận án đưa ra 03 kịch bản, gồm: Kịch bản 1 (KB1): biến động bãi biển trong bão vào thời kỳ triều trung bình có xét đến ảnh hưởng của nước dâng do sóng; Kịch bản 2 (KB2): biến động bãi biển trong bão vào thời kỳ mực cao có xét đến ảnh hưởng của nước dâng do sóng; Kịch bản 3 (KB3): biến động bãi biển trong bão vào thời kỳ mực triều trung bình không xét đến ảnh hưởng của nước dâng do sóng. Để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới biến động bãi biển khu vực nghiên cứu, luận án so sánh kết quả mô phỏng biển đổi mặt cắt ngang địa hình của các kịch bản: KB1&KB2; KB1&KB3 3.3.3.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới biến động bãi biển khu vực nghiên cứu Khi tiến hành chập các mặt cắt ngang của các kịch bản: KB1 & KB2, KB1 & KB3 theo các trường hợp tính toán ta sẽ thu được bức tranh về biến đổi địa hình bãi biển khu vực nghiên cứu (xem các hình đại diện dưới đây, hình 3.24, 3.26, 3.28, 3.30). Kè bờ Đê mềm phá sóng Hình 3.24 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD02 theo KB1 &KB2. Hình 3.26 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD04 theo KB1&KB2. Kè bờ Đê mềm phá sóng Hình 3.28 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD02 theo KB1&KB3. Hình 3.30 So sánh biến động bãi biển tại mặt cắt tính toán CD04 theo KB1&KB3. 17 3.3.4. Phân tích ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển Trong phân tích ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển, luận án đưa ra quy ước chung các ký hiệu đại diện về phạm vi, mức độ biến động địa hình mặt cắt ngang bãi biển giữa các kịch bản được lựa chọn để so sánh như trình bày trong mục 3.3.3. MN2 MN1 MN1 Hình 3.31 Ký hiệu phạm vi, mức độ biến động địa hình MCN bãi KB1& KB2. MN3 Hình 3.32 Ký hiệu phạm vi, mức độ biến động địa hình MCN bãi KB1 & KB3. Giải thích các ký hiệu trong hình 3.31 và hình 3.32 C1 là chiều rộng xói lở thềm bãi cao của KB1, C2 là chiều rộng xói lở thềm bãi cao của KB2; C3 là chiều rộng xói lở bãi của KB3; b1 là chiều rộng xói lở bờ xác định từ mép bờ ban đầu đến mép bờ theo KB1, b2 là chiều rộng xói lở bờ xác định từ mép bờ ban đầu đến mép bờ theo KB2; b3 là chiều rộng xói lở bờ xác định từ mép bờ ban đầu đến mép bờ theo KB3; L1 là phạm vi khu vực biến động mạnh theo KB1 & KB2; L2 là phạm vi biến động mạnh theo KB1 & KB3; MN1 là mực nước bao gồm mực nước triều trung bình và nước dâng do sóng, MN2 là mực nước bao gồm mực nước triều cao và nước dâng do sóng; MN3 là mực nước triều trung bình. 3.3.4.1. Phân tích ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới biến động bãi biển theo KB1&KB2 Từ kết quả mô phỏng biến động mặt cắt ngang bãi biển theo các kịch bản (ở mục 3.3.3.2), tiến hành phân tích và thống kê được các giá trị về phạm vi, mức độ biến động bờ và bãi biển, kết quả thống kê các giá trị trình bày ở bảng 3.9. Qua kết quả ở bảng 3.9 cho thấy, biến động bờ và bãi biển do ảnh hưởng của nước dâng do sóng đều nghiêm trọng khi bão đổ bộ vào thời kỳ triều cao và trung bình, nhưng nghiêm trọng hơn vẫn là khi bão đổ bộ vào thời kỳ triều cao, xói lở bờ và bãi vào thời kỳ triều cao (KB2) lớn hơn 3 lần khi bão đổ bộ vào thời kỳ triều trung bình (KB1). Phạm vi, mức độ biến động bãi biển có khác biệt lớn giữa các trường hợp và các vị trí tính toán dọc bờ biển. Khu vực bãi biển đã có công trình bảo vệ bờ (mặt cắt CD01, CD02) tình trạng vùng bờ ổn định nhưng xói lở thềm bãi phía trước và xói sâu chân công trình vẫn xảy ra nghiêm trọng. Khu vực bãi biển tự nhiên (mặt cắt CD03 đến mặt cắt CD04) bờ và bãi biển bị xói lở rất nghiêm trọng. 18