Tổng quan nghiên cứu

Khu vực bờ biển Đồng bằng sông Cửu Long đang đối mặt với tình trạng xói lở nghiêm trọng và suy thoái diện tích rừng ngập mặn ở mức báo động. Trong giai đoạn 2011–2016, diện tích rừng ngập mặn toàn vùng đã sụt giảm gần 10%, tương đương với khoảng 15.339 ha rừng phòng hộ bị biến mất, từ 194.723 ha năm 2011 xuống còn 179.384 ha năm 2016. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ tác động kép của biến đổi khí hậu, chế độ sóng triều cực đoan và việc chuyển đổi 20% đến 40% diện tích đất rừng sang nuôi trồng thủy sản.

Đặc điểm địa chất dải ven biển khu vực này vô cùng phức tạp, đặc trưng bởi tầng trầm tích Holoxen sét và bùn sét bão hòa nước có sức chịu tải quy ước rất thấp, chỉ dao động từ 0,300 đến 0,539 kg/cm2 với hệ số rỗng lớn hơn 0,900. Do đó, các công trình bảo vệ bờ truyền thống dạng khối đặc hoặc trọng lực khi triển khai trên nền đất yếu thường xuyên gặp sự cố lún lệch, nứt vỡ hoặc xói lở cục bộ ở chân kè.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa khả năng giảm sóng và đảm bảo độ ổn định công trình ven biển tại các tỉnh trọng điểm như Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng, Trà Vinh, Tiền Giang, Bến Tre và Kiên Giang. Mục tiêu trọng tâm của luận văn là đánh giá toàn diện ưu nhược điểm của các dạng kết cấu phá sóng hiện hữu, mô phỏng thủy lực chuyên sâu khả năng truyền sóng và đề xuất giải pháp kết cấu đê phá sóng tường treo cải tiến. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học để giảm từ 25% đến 40% chi phí đầu tư, tối ưu hóa hệ số truyền sóng dưới 0,45 và nâng cao hiệu quả bồi lắng phù sa phục hồi hệ sinh thái rừng ngập mặn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nguyên lý cân bằng năng lượng sóng biển khi tương tác với công trình bảo vệ bờ. Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng năng lượng sóng tới được phân bổ thành ba thành phần chính: năng lượng sóng truyền qua, năng lượng sóng phản xạ và năng lượng sóng bị tiêu tán. Hệ số truyền sóng được định nghĩa bằng tỷ số giữa chiều cao sóng có nghĩa sau công trình và chiều cao sóng tới trước công trình. Tương tự, hệ số phản xạ và hệ số tiêu tán phản ánh tỷ lệ năng lượng sóng dội ngược lại biển và phần năng lượng bị triệt tiêu do ma sát, va đập hoặc biến dạng dòng chảy.

Về mặt động lực học chất lưu, nghiên cứu áp dụng hệ phương trình Navier-Stokes 3 chiều cho dòng chảy chất lưu không nén được kết hợp với phương trình liên tục mở rộng. Để mô phỏng sự tương tác giữa sóng và vật cản hình học phức tạp, mô hình tích hợp kỹ thuật thể tích chất lỏng nâng cao TruVOF nhằm bám sát biến dạng mặt thoáng tự do, cùng thuật toán FAVOR biểu diễn diện tích và thể tích độ rỗng của kết cấu trong hệ tọa độ Descartes. Đồng thời, phương pháp phân tích đa tiêu chí được vận dụng như một khung lý thuyết ra quyết định để lượng hóa các yếu tố kỹ thuật, kinh tế, xã hội và môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tổng hợp từ số liệu quan trắc địa chất công trình, thủy thạch động lực học ven biển Tây và biển Đông tại Đồng bằng sông Cửu Long kết hợp chuỗi dữ liệu thực nghiệm thủy lực. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 6 dạng kết cấu phá sóng điển hình: hàng rào tre, đê cọc ly tâm đá đổ Cà Mau, ống địa kỹ thuật Geotube, cấu kiện trụ rỗng VTC, cấu kiện Busadco, cấu kiện TC1 của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, cấu kiện ICOE của Viện Kỹ thuật Biển và kết cấu tường treo đề xuất CWB.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm lựa chọn các công trình đại diện cho cả giải pháp cứng, giải pháp mềm và các biến thể kết cấu đúc sẵn đang vận hành thực tế. Lý do lựa chọn mô hình toán FLOW-3D là nhờ khả năng xử lý bài toán thủy lực 3D phi tuyến có độ chính xác cao đối với các cấu kiện rỗng khoét lỗ. Mô hình số được hiệu chỉnh và kiểm định nghiêm ngặt bằng số liệu đo đạc thực tế từ mô hình vật lý máng sóng tại Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam với hệ thống 7 kim đo sóng. Toàn bộ quá trình tính toán mô phỏng các kịch bản tương tác sóng được thực hiện hoàn chỉnh trong thời gian từ tháng 09/2022 đến tháng 12/2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng thủy lực và đánh giá thực nghiệm đã chỉ ra các phát hiện cốt lõi:

Thứ nhất, kết cấu phá sóng dạng tường treo CWB thể hiện hiệu quả triệt tiêu năng lượng sóng vượt trội với hệ số truyền sóng dao động trong khoảng từ 0,35 đến 0,55 ở điều kiện mực nước làm việc thiết kế. So với các cấu kiện khối bê tông đúc sẵn nguyên khối như TC1 hoặc Busadco, kết cấu tường treo đạt hiệu suất giảm sóng tương đương nhưng giảm được từ 30% đến 38% khối lượng bê tông sử dụng.

Thứ hai, mối quan hệ giữa hệ số truyền sóng và độ sâu nước tương đối cho thấy tính biến thiên rõ rệt giữa các kết cấu. Ở điều kiện mực nước sâu khi sóng tràn qua đỉnh công trình, hệ số truyền sóng của các đê ngập truyền thống tăng vọt lên mức 0,72 đến 0,86 làm suy giảm nghiêm trọng khả năng bảo vệ bờ. Ngược lại, kết cấu tường treo gắn trên hệ cọc cao vẫn duy trì khả năng cản sóng mặt hiệu quả, giữ hệ số truyền sóng ổn định dưới mức 0,50.

Thứ ba, kết quả phân tích đa tiêu chí khẳng định giải pháp tường treo CWB đạt điểm tổng hợp cao nhất nhờ sự cân bằng giữa chi phí, kỹ thuật và môi trường. Trong khi hàng rào tre chỉ có tuổi thọ từ 1 đến 2 năm và ống Geotube dễ bị rách do va đập cơ học, kết cấu CWB đạt tuổi thọ thiết kế trên 30 năm và bảo đảm khả năng lưu thông bùn cát đạt 100% nhờ khoảng không gian hở dưới chân tường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tạo nên sự khác biệt về hiệu quả giảm sóng nằm ở cơ chế phản xạ và tán xạ xoáy của tấm tường bê tông đặt tại tầng mặt, nơi tập trung phần lớn mật độ năng lượng sóng biển. Hệ cọc chữ A cắm sâu vào tầng đất tốt giúp giải quyết triệt để bài toán trượt lún trên nền bùn sét yếu có sức chịu tải dưới 0,5 kg/cm2, khắc phục hoàn toàn nhược điểm của các đê trọng lực Cà Mau hay khối VTC vốn đòi hỏi xử lý móng phức tạp.

Khi so sánh với các nghiên cứu trước đây tại khu vực biển Tây, kết quả của luận văn đã bổ sung góc nhìn định lượng chi tiết thông qua các biểu đồ phân tán sóng theo dải tần số và bảng ma trận trọng số đa tiêu chí. Việc trực quan hóa dữ liệu qua biểu đồ tương quan giữa hệ số truyền sóng và tham số độ sâu tương đối cùng bảng so sánh định lượng chi phí - kỹ thuật giúp các đơn vị quản lý dễ dàng nhận diện phương án tối ưu cho từng vùng sinh thái bờ biển.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa và áp dụng kết cấu tường treo phá sóng CWB kết hợp móng cọc chữ A cho các dự án bảo vệ bờ biển trọng điểm tại bán đảo Cà Mau và Bạc Liêu trong giai đoạn 2024–2026, hướng tới mục tiêu kiểm soát hệ số truyền sóng dưới 0,45 và giảm 25% tổng mức đầu tư xây lắp ban đầu do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh chủ trì thực hiện.

Thứ hai, bắt buộc thực hiện quy trình khảo sát địa kỹ thuật chi tiết đối với chiều dày tầng bùn sét yếu trước khi lựa chọn kết cấu công trình, yêu cầu các đơn vị tư vấn thiết kế tính toán chiều sâu đóng cọc chịu lực từ 15 đến 25 m nhằm triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ lún sụt không đều trong vòng 12 tháng tới.

Thứ ba, thiết lập hệ thống quan trắc bùn cát và bồi tụ bãi triều định kỳ sau thân đê do Chi cục Kiểm lâm phối hợp các viện nghiên cứu chuyên ngành triển khai, đặt mục tiêu duy trì tốc độ bồi lắng phù sa từ 20 đến 30 cm mỗi năm nhằm tạo điều kiện tái sinh 5.000 ha rừng ngập mặn ven biển đến năm 2030.

Thứ tư, nghiên cứu ứng dụng vật liệu bê tông cường độ cao chống ăn mòn sunfat và cốt sợi phi kim trong chế tạo tấm tường treo từ năm 2025, nhằm nâng cao tuổi thọ công trình lên trên 40 năm và cắt giảm 50% kinh phí duy tu, sửa chữa định kỳ do các ban quản lý dự án thủy lợi đảm trách.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế và chuyên gia công trình thủy có thể khai thác trực tiếp mô hình tính toán thủy lực CFD trên FLOW-3D cùng bộ thông số kích thước cấu kiện tường treo để ứng dụng vào công tác lập báo cáo nghiên cứu khả thi và thiết kế bản vẽ thi công đê giảm sóng trên nền đất yếu.

Nhóm cán bộ quản lý quy hoạch và Ban Quản lý dự án nông nghiệp ven biển tiếp cận khung đánh giá đa tiêu chí với 4 nhóm tiêu chí chuẩn hóa, phục vụ công tác thẩm định, chấm điểm và lựa chọn giải pháp bảo vệ bờ biển tối ưu về mặt kinh tế và môi trường sinh thái.

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật công trình thủy sử dụng phương pháp luận kiểm định mô hình số bằng thực nghiệm máng sóng vật lý 7 đầu đo làm tài liệu giảng dạy và mở rộng các hướng nghiên cứu chuyên sâu về thủy lực vùng cửa sông ven biển.

Nhóm cán bộ quản lý lâm nghiệp và bảo tồn thiên nhiên ven biển tham khảo cơ chế bồi lắng phù sa và lưu thông thủy lực của các dạng đê rỗng để hoạch định chiến lược khôi phục đai rừng phòng hộ bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao các công trình phá sóng bê tông trọng lực truyền thống thường bị hư hỏng hoặc sụt lún tại Đồng bằng sông Cửu Long?

Địa chất ven bờ khu vực này chủ yếu là bùn sét bão hòa nước có sức chịu tải rất thấp từ 0,300 đến 0,539 kg/cm2. Khi đặt các khối bê tông nặng trực tiếp lên nền đáy mà không có giải pháp móng cọc sâu, trọng lượng bản thân công trình kết hợp tác động sóng triều sẽ gây lún lệch, xói chân và làm xô lệch toàn bộ tuyến đê.

Kết cấu đê phá sóng tường treo CWB có ưu điểm gì nổi bật so với các công trình hiện hữu?

Kết cấu CWB sử dụng tấm tường bê tông khoét lỗ đặt ở tầng mặt để triệt tiêu năng lượng sóng chính, kết hợp hệ cọc chữ A cắm sâu vào tầng địa chất tốt. Thiết kế này giúp hệ số truyền sóng giảm xuống khoảng 0,40, tiết kiệm hơn 30% vật liệu và để hở phần đáy giúp dòng phù sa cùng sinh vật biển lưu thông thuận lợi.

Độ tin cậy của mô hình số FLOW-3D trong việc tính toán tương tác sóng và kết cấu được chứng minh như thế nào?

Mô hình FLOW-3D được kiểm định bằng chuỗi số liệu thực nghiệm từ máng sóng vật lý của Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam tại 3 vị trí đo sóng. Kết quả so sánh dao động mực nước và chiều cao sóng cho thấy độ trùng khớp rất cao với sai số tính toán dưới 8%, đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối cho các kịch bản mô phỏng.

Giải pháp hàng rào tre giảm sóng có còn phù hợp để ứng dụng rộng rãi hay không?

Hàng rào tre có chi phí thấp, thân thiện môi trường và phù hợp làm giải pháp hỗ trợ tạm thời ở vùng sóng nhỏ ven bờ. Tuy nhiên, do tuổi thọ công trình chỉ kéo dài từ 1 đến 2 năm dưới tác động của sóng to gió bão và chi phí bảo dưỡng thay thế hàng năm rất lớn, giải pháp này không thích hợp cho các dự án mang tính bền vững lâu dài.

Phương pháp phân tích đa tiêu chí đóng vai trò gì trong việc lựa chọn công trình bảo vệ bờ?

Phương pháp phân tích đa tiêu chí giúp lượng hóa và chấm điểm tổng hợp các khía cạnh kỹ thuật, môi trường, xã hội và suất đầu tư theo ma trận trọng số khoa học. Cách tiếp cận này giúp các cơ quan quản lý đưa ra quyết định toàn diện, tránh việc chỉ lựa chọn công trình dựa trên chi phí xây dựng ban đầu mà bỏ qua độ bền và tác động sinh thái.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu với các đóng góp học thuật và thực tiễn nổi bật:

  • Hệ thống hóa và đánh giá toàn diện ưu nhược điểm của 6 nhóm công trình phá sóng hiện hữu dọc dải ven biển Đồng bằng sông Cửu Long.
  • Thiết lập thành công mô hình toán thủy lực 3D trên nền tảng FLOW-3D, được kiểm định chính xác qua thực nghiệm máng sóng vật lý nhằm xác định quy luật tiêu tán năng lượng sóng.
  • Đề xuất sáng tạo giải pháp kết cấu phá sóng tường treo CWB với hệ móng cọc chữ A, giải quyết triệt để bài toán ổn định công trình trên nền bùn sét yếu có sức chịu tải dưới 0,5 kg/cm2.
  • Xây dựng ma trận đánh giá đa tiêu chí định lượng, cung cấp công cụ ra quyết định chuẩn mực và khoa học cho công tác quy hoạch đê biển.
  • Hoàn thiện cơ sở khoa học để triển khai mô hình thử nghiệm thực tế trong giai đoạn 2024–2025, mở ra hướng đi bền vững cho nhiệm vụ bảo vệ bờ và phục hồi rừng ngập mặn toàn vùng.

Kết quả của công trình là tài liệu tham khảo giá trị cho các nhà quản lý, đơn vị tư vấn và nhà khoa học. Các cơ quan quản lý chuyên ngành nên sớm xem xét ứng dụng kết cấu tường treo CWB vào các dự án đầu tư công trình thủy lợi ven biển nhằm tối ưu hóa nguồn vốn ngân sách và nâng cao năng lực thích ứng với biến đổi khí hậu.