Tổng quan nghiên cứu

Khu vực bãi biển Cửa Tùng thuộc huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị sở hữu dải bờ cát dài gần 1 km, từng được mệnh danh là một trong những thắng cảnh ven biển đặc sắc nhất miền Trung. Tuy nhiên, trong giai đoạn từ năm 2004 đến nay, khu vực này đối mặt với hiện tượng suy thoái nghiêm trọng do xói lở bờ biển gia tăng cả về quy mô lẫn cường độ. Sự biến đổi địa mạo tiêu cực này bắt nguồn từ tác động tổng hợp của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo, điển hình là hoạt động khai thác hơn 200.000 m³ cát để xây dựng mặt bằng cảng cá năm 2004, kết hợp việc xây dựng cầu Tùng Luật với kinh phí 44,9 tỷ đồng và hệ thống kè chắn cát phía Bắc dài 180 m, kè phía Nam dài 368 m.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là ứng dụng hệ thống mô hình số trị MIKE 21 để mô phỏng chi tiết trường thủy động lực, tính toán định lượng suất vận chuyển trầm tích tổng cộng dưới tác động đồng thời của sóng và dòng chảy, qua đó làm sáng tỏ nguyên nhân gây biến động đường bờ tại Cửa Tùng. Phạm vi không gian nghiên cứu được giới hạn trong tọa độ từ 16°58'05"N đến 17°04'19"N và từ 107°03'15"E đến 109°10'08"E, bao gồm vùng cửa sông Bến Hải kéo dài ra ngoài khơi khoảng 4 km. Chuỗi số liệu khí tượng hải văn và sóng tái phân tích trong 39 năm từ 1979 đến 2017 cùng các đợt đo đạc thủy văn chi tiết năm 2010 được tích hợp để thiết lập điều kiện biên. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng với độ tin cậy cao thông qua chỉ số Nash đạt từ 0,67 đến 0,87, hỗ trợ đắc lực cho các nhà quản lý trong việc hoạch định chiến lược bảo vệ bờ biển và phục hồi tài nguyên du lịch địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của ba nền tảng lý thuyết thủy động lực học và động lực học hình thái bờ biển hiện đại. Thứ nhất, lý thuyết dòng chảy vùng nước nông hai chiều giải hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds cho chất lỏng không nén được, kết hợp giả thiết Boussinesq và phân bố áp suất thủy tĩnh để mô tả chuyển động của dòng triều và dòng chảy do sóng. Thứ hai, lý thuyết bảo toàn mật độ tác động sóng trong không gian phổ hai chiều của Komen và Young, cho phép mô phỏng toàn diện quá trình truyền sóng, biến dạng sóng, sóng vỡ và tính toán trường ứng suất bức xạ sóng. Thứ ba, lý thuyết vận chuyển bùn cát tổng hợp của Bijker (1971) kết hợp mô hình lớp biên sóng - dòng chảy của Fredsoe (1984), xem xét tổng thông lượng vận chuyển trầm tích bao gồm cả thành phần di đáy và lơ lửng.

Khung mô hình số trị được vận hành thông qua bộ phần mềm MIKE 21 Coupled Model FM với sự ghép nối động giữa ba phân hệ chính: mô đun thủy lực MIKE 21 HD-FM, mô đun phổ sóng phi cấu trúc MIKE 21 SW và mô đun vận chuyển bùn cát MIKE 21 ST. Ba khái niệm chuyên ngành then chốt chi phối bài toán gồm: suất vận chuyển trầm tích tổng cộng biểu thị thể tích hạt di chuyển qua một đơn vị mặt cắt trong một đơn vị thời gian (m³/s/m); ứng suất bức xạ sóng phát sinh khi sóng vỡ tạo ra gradient động lượng sinh dòng chảy dọc bờ; và vận tốc trượt ma sát đáy kết hợp sóng - dòng chảy đóng vai trò lực bóc tách hạt trầm tích khỏi đáy biển.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp mô hình số trị là hướng tiếp cận chủ đạo, được lựa chọn nhờ khả năng mô phỏng chi tiết các quá trình vật lý phi tuyến phức tạp trên diện rộng với chi phí tối ưu hơn so với mô hình vật lý thu nhỏ. Miền tính toán được rời rạc hóa thành lưới phi cấu trúc tam giác gồm 9.315 phần tử và 17.543 nút lưới. Kỹ thuật chia lưới thích nghi được áp dụng với độ phân giải cao nhất đạt 10 m tại khu vực gần bờ và quanh các công trình kè, mở rộng dần lên 320 m tại biên ngoài khơi nhằm đảm bảo độ chính xác thủy lực và tối ưu hóa thời gian tính toán.

Nguồn dữ liệu địa hình sử dụng Hải đồ IA-100-09 năm 1997 kết hợp số liệu đo sâu hồi âm năm 2010 tỷ lệ 1/2000 quy chuẩn về hệ cao độ quốc gia VN2000. Dữ liệu sóng nước sâu ngoài khơi được trích xuất từ mô hình toàn cầu của NOAA và ECMWF trong 39 năm (1979-2017). Bộ thông số hiệu chỉnh mô hình được kiểm định bằng chuỗi quan trắc thực địa tại trạm K1 và K2 trong tháng 4/2010 với bước thời gian 15 phút. Phương pháp giải số sử dụng thể tích hữu hạn kết hợp sơ đồ xấp xỉ Riemann của Roe, tích phân thời gian Euler hiện. Nghiên cứu thực hiện mô phỏng theo 3 kịch bản địa hình công trình gồm: kịch bản có kè phía Nam; kịch bản cửa sông tự nhiên; và kịch bản hiện trạng có cả kè phía Nam dài 368 m và kè phía Bắc dài 180 m, ứng với 3 trường sóng chính trong các chu kỳ gió mùa năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích thống kê 39 năm cho thấy vùng biển Cửa Tùng chịu tác động của 3 hướng sóng thịnh hành: hướng Đông (E) chiếm 45,67%, hướng Đông Bắc (NE) chiếm 27,28% và hướng Đông Nam (SE) chiếm 13,27%, độ cao sóng trung bình dao động từ 0,25 m đến 3,5 m. Khi sóng truyền vào vùng nước nông ven bờ, sự hiện diện của công trình kè tạo ra những biến đổi sâu sắc trong trường động lực. Trong trường sóng SE, kè phía Nam dài 368 m phát huy tác dụng che chắn mạnh, tạo ra vùng khuất sóng làm giảm độ cao sóng từ 0,45 m ở phía trước kè xuống còn 0,15 m ở phía sau kè (giảm 66,7%). Ngược lại, trong trường sóng NE, do trục kè song song với hướng sóng tới nên sóng truyền thẳng vào cửa sông Bến Hải và bãi tắm với độ cao sóng duy trì từ 0,3 m đến 0,7 m.

Về trường dòng chảy, khi chỉ xét riêng dòng triều, vận tốc dòng chảy rất nhỏ với pha triều lên đạt 0,11 m/s và pha triều xuống đạt 0,075 m/s. Tuy nhiên, khi có sự tương tác của sóng, vận tốc dòng chảy tăng vọt. Dưới tác động của sóng NE, dòng chảy dọc bờ hướng Bắc - Nam đạt vận tốc cực đại lên tới 0,66 m/s tại khu vực mũi Si và đầu kè phía Nam, cao gấp 6 lần vận tốc dòng triều thuần túy.

Về cán cân vận chuyển bùn cát, sự xuất hiện của kè phía Nam đóng vai trò như một đê chắn cát một chiều. Trong các trường sóng E và SE, dòng chảy dọc bờ hướng Nam - Bắc với vận tốc khoảng 0,45 m/s vận chuyển trầm tích từ phía Nam lên nhưng bị chặn đứng hoàn toàn tại chân kè phía Nam, khiến nguồn cát bổ sung tự nhiên không thể tiếp cận bãi tắm Cửa Tùng. Đồng thời, trong mùa sóng NE, dòng chảy vận tốc lớn (0,5 - 0,6 m/s) tiếp tục bóc tách cát từ bãi tắm Cửa Tùng đẩy xuống phía Nam qua đầu kè và trôi ra vùng nước sâu, dẫn đến hiện tượng thiếu hụt trầm tích nghiêm trọng và làm bãi biển ngày càng suy thoái.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gây xói lở bãi tắm Cửa Tùng được giải thích bằng sự mất cân bằng động lực học trầm tích cục bộ. Gradient ứng suất bức xạ sóng kết hợp với hình thái đê kè nhân tạo đã làm chuyển hướng các luồng vận chuyển bùn cát tự nhiên. Công trình kè Nam tuy ngăn ngừa được sa bồi luồng tàu cho cảng cá nhưng lại vô tình triệt tiêu nguồn cung cấp cát mịn (đường kính hạt trung bình d50 = 0,27 mm) cho bãi tắm phía Bắc. Quá trình này được chứng minh rõ rệt khi so sánh kịch bản tự nhiên (KB2) và kịch bản có kè (KB1, KB3).

Để phục vụ công tác trực quan hóa trong các báo cáo khoa học, dữ liệu nghiên cứu có thể được thể hiện tối ưu thông qua các biểu đồ phân bố véc-tơ dòng chảy hai chiều, bản đồ đường đẳng độ cao sóng và biểu đồ thanh so sánh suất vận chuyển bùn cát ngang bờ và dọc bờ tại 5 mặt cắt đặc trưng (từ MC1 đến MC5). Độ tin cậy của mô hình số trị được khẳng định qua chỉ số đánh giá Nash giữa số liệu tính toán và thực đo đạt 0,87 đối với dao động mực nước, 0,79 đối với độ cao sóng và 0,72 đối với vận tốc dòng chảy, cho thấy sai số nhỏ hơn đáng kể so với các nghiên cứu trước đây tại cùng khu vực.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán định lượng về thủy động lực và vận chuyển bùn cát, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể:

  1. Điều chỉnh kết cấu và quy mô công trình đê kè hiện hữu: Tiến hành nghiên cứu hạ thấp cao trình đỉnh kè hoặc cắt giảm bớt từ 50 m đến 80 m chiều dài đoạn mũi kè phía Nam (hiện dài 368 m), đồng thời mở các cửa thông cát ngầm có kiểm soát nhằm khôi phục từ 30% đến 40% lượng bùn cát tự nhiên vận chuyển từ phía Nam lên bãi tắm trong các tháng gió mùa Tây Nam. Kế hoạch này do Sở Giao thông Vận tải phối hợp với Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Quảng Trị thực hiện trong giai đoạn 2026-2028.
  2. Triển khai phương án nuôi bãi nhân tạo định kỳ: Thực hiện bơm bổ sung cơ học từ 150.000 m³ đến 200.000 m³ cát có thành phần cấp phối tương thích (đường kính d50 xấp xỉ 0,27 mm) vào các vị trí xói lở trọng điểm tại bãi tắm Cửa Tùng. Thời điểm bơm cát tối ưu là vào tháng 3 và tháng 4 hàng năm, trước khi bước vào mùa cao điểm du lịch hè, do Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng các công trình Nông nghiệp và PTNT tỉnh chủ trì.
  3. Thiết lập hệ thống quan trắc hải văn và cảnh báo sạt lở tự động: Đầu tư lắp đặt 02 trạm quan trắc tự động đo mực nước, sóng và dòng chảy ven bờ với tần suất ghi dữ liệu 15 phút/lần tại khu vực cửa sông và ngoài khơi Cửa Tùng, đảm bảo truyền số liệu thời gian thực với độ trễ dưới 30 phút phục vụ công tác hiệu chỉnh mô hình dự báo xói lở hàng mùa.
  4. Tăng cường kiểm soát hoạt động khai thác cát và nạo vét luồng tàu: Ban hành quy định cấm tuyệt đối mọi hoạt động hút cát thương mại tại khu vực Mũi Hàu và phụ cận cầu Tùng Luật trong bán kính bảo vệ tối thiểu 2.000 m; kiểm soát khối lượng nạo vét duy tu luồng cảng cá không vượt quá 50.000 m³/năm dưới sự giám sát chặt chẽ của Bộ Chỉ huy Bộ đội Biên phòng và chính quyền địa phương huyện Vĩnh Linh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách ven biển: Lãnh đạo và chuyên viên thuộc Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Xây dựng và UBND tỉnh Quảng Trị có thể sử dụng kết quả đánh giá 3 kịch bản mô hình để làm căn cứ pháp lý và kỹ thuật phê duyệt các quy hoạch không gian biển, bảo vệ dải bờ biển dài gần 1 km tại Cửa Tùng.
  2. Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy công và hàng hải: Các kỹ sư công trình thuộc các viện thiết kế cảng đường thủy có thể ứng dụng bộ thông số thủy lực đã được hiệu chuẩn (hệ số nhám Manning 35-38 m^(1/3)/s, hệ số nhám Nikuradse 0,04-0,06 m) để tính toán ổn định nền móng và kiểm tra hiện tượng bồi xói chân công trình ven bờ.
  3. Nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học ngành Hải dương học: Giảng viên và học viên chuyên ngành Hải dương học, Kỹ thuật bờ biển và Thủy văn có thể tham khảo phương pháp luận thiết lập lưới phi cấu trúc 9.315 phần tử và quy trình liên kết động bộ mô hình MIKE 21 Coupled FM phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu học thuật.
  4. Ban quản lý cảng cá và các doanh nghiệp dịch vụ du lịch ven biển: Đơn vị vận hành cảng cá Cửa Tùng và các cơ sở kinh doanh du lịch địa phương có thể nắm bắt quy luật bồi lấp luồng tàu và chu kỳ xói lở bãi tắm theo mùa để chủ động lên phương án nạo vét luồng hàng hải và khai thác bãi tắm an toàn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao bãi biển Cửa Tùng lại bị xói lở nghiêm trọng sau khi xây dựng công trình kè?
Kè phía Nam dài 368 m đã chặn đứng 70% đến 80% lượng cát vận chuyển tự nhiên dọc bờ từ phía Nam lên bãi tắm trong mùa sóng Đông và Đông Nam. Đồng thời, sóng Đông Bắc vào mùa đông tạo dòng chảy mạnh 0,66 m/s cuốn cát bãi tắm đổ về phía cửa sông và trôi ra xa bờ mà không có nguồn cát bù đắp, dẫn đến thâm hụt cán cân trầm tích.

Mô hình MIKE 21 đạt mức độ tin cậy như thế nào khi mô phỏng chế độ thủy động lực Cửa Tùng?
Mô hình đạt độ chính xác cao qua kiểm định thực tế với chỉ số Nash đạt 0,87 đối với dao động mực nước, 0,79 đối với độ cao sóng và 0,72 đối với vận tốc dòng chảy. Các kết quả này chứng minh mô hình mô phỏng chuẩn xác các quá trình tương tác phức tạp giữa sóng và dòng chảy ven bờ.

Trường sóng nào gây ra xói lở bãi tắm mạnh nhất trong năm?
Trường sóng Đông Bắc (NE) xuất hiện với tần suất 27,28% vào mùa đông gây xói lở mạnh nhất. Do trục sóng hướng thẳng vào cửa sông mà không bị kè cản trở, sóng tạo ra dòng chảy dọc bờ có vận tốc rất lớn từ 0,5 m/s đến 0,66 m/s, bóc tách lượng lớn trầm tích bãi tắm đẩy về hạ lưu.

Kè phía Bắc dài 180 m và kè phía Nam dài 368 m có tác động thủy động lực khác nhau ra sao?
Kè phía Nam dài 368 m giữ vai trò chi phối chính khi làm giảm 66,7% độ cao sóng SE và làm đổi hướng dòng chảy ven bờ, gây chặn cát nghiêm trọng. Trong khi đó, kè phía Bắc dài 180 m có tác động không đáng kể đến việc thay đổi trường sóng và chế độ dòng chảy tổng thể của khu vực.

Giải pháp nuôi bãi nhân tạo tại Cửa Tùng cần đáp ứng những tiêu chuẩn kỹ thuật nào?
Vật liệu cát bổ sung phải có đường kính hạt trung bình d50 đạt khoảng 0,27 mm và độ chọn lọc 1,4 để tương thích hoàn toàn với cát tự nhiên tại bãi Cửa Tùng, với khối lượng bù đắp ước tính từ 150.000 m³ đến 200.000 m³ cát nhằm duy trì độ dốc ổn định của bãi biển.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết thành công bài toán đánh giá suất vận chuyển trầm tích tổng cộng dưới tác động tương tác sóng - dòng chảy tại khu vực bãi biển Cửa Tùng dài gần 1 km.
  • Ứng dụng thành công hệ thống mô hình MIKE 21 với lưới phi cấu trúc 9.315 phần tử, đạt độ tin cậy cao với chỉ số hiệu chỉnh Nash từ 0,67 đến 0,87.
  • Xác định nguyên nhân cốt lõi gây suy thoái bãi tắm là do kè phía Nam dài 368 m chặn dòng cát bổ sung từ hướng Nam, kết hợp sóng NE gây xói lở với dòng chảy cực đại 0,66 m/s.
  • Đề xuất hệ thống 4 giải pháp đồng bộ bao gồm cải tạo hình học tuyến kè, nuôi bãi định kỳ từ 150.000 m³ đến 200.000 m³ cát và thiết lập trạm quan trắc tự động.
  • Cung cấp cơ sở khoa học định lượng vững chắc phục vụ kế hoạch hành động khôi phục bãi biển Cửa Tùng trong giai đoạn 2026-2030, mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về mô hình 3D tích hợp tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu. Các nhà khoa học và cơ quan quản lý cần phối hợp chặt chẽ để sớm đưa các giải pháp vào thực tiễn chỉnh trị dải bờ.