Tổng quan nghiên cứu

Trong giai đoạn từ năm 1997 đến năm 2010, hiện tượng xói lở bờ biển tại tỉnh Bình Thuận đã cuốn trôi hàng trăm hecta đất canh tác, phá hủy nhiều công trình hạ tầng và buộc 585 hộ dân phải di dời khẩn cấp. Điển hình vào ngày 05/3/2013, sóng lớn và triều cường đã làm sập đổ và hư hỏng hoàn toàn 18 căn nhà ven biển tại xã Tiến Thành, thành phố Phan Thiết. Bờ biển thành phố Phan Thiết có tổng chiều dài 57,4 km, giữ vị thế trung tâm kinh tế - du lịch trọng điểm nhưng đang chịu sức ép nặng nề từ các hình thái thời tiết cực đoan và hoạt động nhân sinh thiếu quy hoạch tổng thể. Đặc biệt, chủ trương xây dựng khu phức hợp lấn biển Phú Hài với quy mô 442 ha do Công ty Trách nhiệm hữu hạn Đầu tư Xây dựng GEP đầu tư đặt ra bài toán cấp bách về sự biến đổi dòng chảy và cán cân bùn cát ven bờ.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xác định cơ chế thủy động lực tự nhiên, ứng dụng mô hình số trị chuyên ngành để dự báo định lượng mức độ xói lở - bồi tụ khi xuất hiện đảo nhân tạo, từ đó xây dựng hệ thống giải pháp công trình và quản lý đới bờ bền vững. Phạm vi nghiên cứu tập trung dọc dải bờ từ ranh giới xã Tiến Thành - phường Đức Long đến khu vực Ngọc Hải thuộc phường Phú Hài, bao quát chuỗi số liệu khí tượng thủy hải văn giai đoạn 2001 - 2011. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc bảo vệ hơn 19.456 m bờ biển xung yếu, định hướng không gian quy hoạch an toàn cho ngành du lịch - dịch vụ hiện đang đóng góp tới 94% tổng GDP toàn thành phố Phan Thiết.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết thủy động lực học đới bờ (Coastal Hydrodynamics) và lý thuyết động lực học vận chuyển bùn cát ven biển (Sediment Transport Dynamics). Khung lý thuyết tập trung phân tích sự tương tác phi tuyến giữa hệ thống sóng mặt, chế độ nhật triều không đều và các trường dòng chảy ven bờ do sóng vỡ sinh ra (wave-induced currents). Mô hình số trị hai chiều trung bình theo chiều sâu được thiết lập dựa trên hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng bảo toàn khối lượng và bảo toàn động lượng Navier-Stokes.

Các khái niệm then chốt được vận dụng xuyên suốt bao gồm:

  • Chiều cao sóng có nghĩa và hiện tượng khúc xạ - nhiễu xạ sóng khi gặp công trình nhân tạo.
  • Cán cân bùn cát ven bờ (Sediment Budget) và ứng suất cắt đáy biển dưới tác động kết hợp của sóng và dòng chảy.
  • Hiện tượng bóc mòn cục bộ (Local Scour) tại các vị trí tiếp giáp kết cấu cứng.
  • Vùng nước khuất sóng (Wave Shadow Zone) và cơ chế lắng đọng trầm tích hình thành mũi bồi nhân tạo.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tích hợp chuỗi dữ liệu đa nguồn gồm: số liệu khí tượng thủy văn trạm Phan Thiết giai đoạn 2001 - 2011 với lượng bức xạ mặt trời trung bình 2.698 giờ/năm và lượng mưa 1.262,2 mm/năm; bình đồ độ sâu đáy biển tỷ lệ 1:25.000; số liệu quan trắc hải văn thực địa tại 2 trạm kiểm định BT2 và BT3 vào tháng 6/2009 (đại diện gió mùa Tây Nam) và tháng 11/2009 (đại diện gió mùa Đông Bắc). Cỡ mẫu khảo sát địa chất gồm 5 vị trí mặt cắt dọc theo 57,4 km đường bờ với phương pháp lấy mẫu trầm tích tầng mặt theo tuyến vuông góc từ mép nước ra đến đường đẳng sâu 5 m.

Phương pháp phân tích trọng tâm là mô hình hóa số trị trên bộ công cụ MIKE 21 do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển, tích hợp ba phân hệ chính: mô-đun sóng phổ Spectral Wave (SW) mô phỏng lan truyền sóng, mô-đun dòng chảy Flow Model (HD) tính toán trường vận tốc và mực nước, cùng mô-đun Non-Cohesive Sediment Transport (ST) tính toán biến hình đáy biển. Lý do lựa chọn MIKE 21 là vì độ chính xác đã được kiểm chứng qua hơn 400 dự án công trình biển trên toàn cầu, có khả năng xử lý xuất sắc lưới tính toán linh hoạt bao quanh các cấu trúc địa hình dương phức tạp. Toàn bộ quy trình từ đo đạc thực địa, thiết lập biên, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được thực hiện liên tục trong khung thời gian từ năm 2011 đến tháng 6 năm 2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng trên mô hình MIKE 21 kết hợp đối chiếu số liệu quan trắc thực địa đã đưa ra 4 phát hiện khoa học quan trọng:

  • Chế độ động lực sóng và dòng chảy ven bờ phân hóa sâu sắc theo hai mùa gió chính. Trong mùa gió Đông Bắc, chiều cao sóng có nghĩa ngoài khơi đạt cực đại 5,57 m ở tần suất 3%, vận tốc dòng chảy ven bờ đạt mức 0,55 m/s, gây xâm thực mạnh đoạn bờ Hàm Tiến - Mũi Né dài 19.456 m với tốc độ xói lở từ 5 đến 20 m/năm. Trong mùa gió Tây Nam, chiều cao sóng đạt 3,62 m và vận tốc dòng chảy đạt 0,48 m/s, tạo ra xu thế vận chuyển bùn cát theo hướng ngược lại nhưng cường độ bồi tụ không đủ bù đắp lượng cát bị xói mòn trước đó.
  • Lớp trầm tích đường bờ Phan Thiết có dung trọng thể tích tự nhiên đạt 1,32 tấn/m3, thành phần cấu tạo chủ yếu là cát thạch anh hạt mịn đến trung lẫn vỏ sò ốc rời rạc. Tỷ lệ hạt có đường kính lớn hơn 0,25 mm chiếm đa số, khiến cấu trúc bờ biển có độ kết dính rất thấp và cực kỳ nhạy cảm với các ứng suất cắt đáy vượt ngưỡng 0,35 m/s.
  • Dưới tác động của đảo nhân tạo diện tích 442 ha tại khu vực cửa sông Phú Hài (Kịch bản 2), trường sóng phía sau đảo bị suy giảm năng lượng từ 30% đến 45%, biến khu vực ven bờ Phú Hài thành vùng nước lặng và kích thích quá trình bồi tụ trầm tích với tốc độ nâng cao địa hình đáy từ 0,15 đến 0,30 m/năm.
  • Ngược lại, sự xuất hiện của khối công trình lấn biển 442 ha đóng vai trò như một mũi nhô chắn sóng, làm khúc xạ và hội tụ năng lượng sóng sang các dải bờ lân cận. Tại khu vực bờ biển phường Đức Long dài 1.550 m, chiều cao sóng gia tăng từ 15% đến 25%, thúc đẩy quá trình xói sâu đáy biển và làm tăng tốc độ xâm thực đường bờ lên mức 10 đến 25 m/năm vào các đợt triều cường mùa gió Đông Bắc.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gây gia tăng sạt lở khi xây dựng đảo nhân tạo bắt nguồn từ sự phá vỡ trạng thái cân bằng động lực tự nhiên của vùng bờ vịnh Phan Thiết. Khi trường sóng bị cản trở bởi kết cấu đảo có cao trình thiết kế 50 m, dòng năng lượng sóng bị lệch hướng và tập trung cường độ vào các cung bờ lồi tự nhiên. Hiện tượng này kết hợp với các công trình kè mỏ hàn, kè thẳng đứng xây dựng tự phát của các doanh nghiệp du lịch đã cản trở dòng bồi tích dọc bờ, gây ra tình trạng đói cát trầm trọng ở các khu vực hạ lưu dòng chảy bùn cát.

So sánh với các nghiên cứu công bố năm 2005 của Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam và quy hoạch bảo vệ bờ biển tỉnh Bình Thuận giai đoạn 2011 - 2020, kết quả của luận văn đã định lượng hóa cụ thể tác động không gian của công trình lấn biển thay vì chỉ phân tích định tính. Dữ liệu mô phỏng biến đổi địa hình đáy được minh chứng trực quan qua các bản đồ đường đẳng sâu số trị và biểu đồ hoa dòng chảy vector, kết hợp bảng chỉ số so sánh độ sâu xói lở đáy tại các vị trí trạm kiểm định BT2 và BT3. Ý nghĩa thực tiễn của phát hiện này chỉ ra rằng việc can thiệp xây dựng đảo nhân tạo 442 ha nếu không đi kèm hệ thống đê giảm sóng đối ứng sẽ trực tiếp đe dọa an toàn tính mạng, tài sản của hàng nghìn hộ dân tại phường Đức Long và Thanh Hải.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và cơ chế xói bồi đã xác lập, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể:

  • Xây dựng hệ thống đê ngầm phá sóng kết hợp kè mỏ hàn giảm năng lượng tại dải bờ biển xung yếu phường Đức Long dài 1.550 m. Mục tiêu thiết kế nhằm tiêu hao ít nhất 40% năng lượng sóng biển trước khi tiếp cận chân bờ, triển khai hoàn thành trong giai đoạn 2014 - 2016 dưới sự chủ trì kỹ thuật của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Bình Thuận.
  • Thực hiện giải pháp công trình mềm nuôi bãi nhân tạo (Beach Nourishment) bằng cách bổ sung khối lượng cát tuyển chọn từ 150.000 đến 200.000 m3 cho các khu vực sạt lở nghiêm trọng tại Thanh Hải và Tiến Thành. Giải pháp này nhằm tái tạo độ dốc cân bằng của bãi biển và duy trì độ rộng bãi tắm trên 30 m trong giai đoạn 2015 - 2018, giao Chi cục Biển và Hải đảo phối hợp cùng các hiệp hội du lịch thực hiện.
  • Chấn chỉnh và kiểm soát quy chuẩn kỹ thuật đối với 100% các công trình bảo vệ bờ biển tự phát dọc 57,4 km bờ biển thành phố. Ủy ban nhân dân thành phố Phan Thiết cần ban hành quy chế bắt buộc các dự án nghỉ dưỡng, resort phải xây dựng kè bờ theo tuyến quy hoạch thống nhất, chấm dứt tình trạng xây mỏ hàn cục bộ gây xói lở dây chuyền từ năm 2014.
  • Thiết lập mạng lưới 4 trạm quan trắc thủy động lực và biến hình lòng dẫn tự động xung quanh khu phức hợp đảo nhân tạo Phú Hài và vùng phụ cận. Hệ thống này đảm bảo cung cấp dữ liệu đo đạc định kỳ 3 tháng một lần trong suốt chu kỳ 2014 - 2020 do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Bình Thuận giám sát, phục vụ công tác cảnh báo sớm và hiệu chỉnh quy hoạch không gian biển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn sâu sắc và hữu ích cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Cơ quan quản lý nhà nước tại địa phương: Lãnh đạo Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Thuận, Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Xây dựng và Chi cục Biển và Hải đảo có được căn cứ khoa học chuẩn xác để thẩm định Báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM) cho các dự án lấn biển quy mô trên 100 ha, đồng thời hoàn thiện đồ án quy hoạch tổng hợp 57,4 km bờ biển thành phố Phan Thiết.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế và kỹ sư công trình thủy: Tiếp cận bộ thông số đầu vào thực nghiệm và các điều kiện biên thủy văn khắc nghiệt (tốc độ gió cực đại 16 m/s, chiều cao sóng 5,57 m) để tối ưu hóa thiết kế kết cấu đê kè, hạn chế sai sót kỹ thuật khi xây dựng công trình trên nền móng cát rời rạc.
  • Chủ đầu tư và các doanh nghiệp phát triển du lịch ven biển: Hiểu rõ quy luật thủy động lực và hướng di chuyển bùn cát để chủ động bố trí mặt bằng nghỉ dưỡng, bảo vệ diện tích bãi tắm cho 102 dự án du lịch đang vận hành, tránh tổn thất kinh tế do sạt lở công trình hạ tầng ven mép nước.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành: Khai thác quy trình ứng dụng chuỗi mô hình số trị MIKE 21 hai chiều (SW-HD-ST) làm tài liệu giảng dạy mẫu và phát triển các hướng nghiên cứu chuyên sâu về động lực học đới bờ chịu tác động nhân tạo.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân chính nào khiến bờ biển Phan Thiết bị xói lở nghiêm trọng nhất vào mùa gió Đông Bắc?

Mùa gió Đông Bắc kéo dài từ tháng 10 đến tháng 4 năm sau có tốc độ gió cực đại đo được lên tới 16 m/s, tạo ra chiều cao sóng ngoài khơi lên đến 5,57 m. Năng lượng sóng cực lớn kết hợp cùng dòng chảy ven bờ đạt 0,55 m/s dễ dàng cuốn trôi lớp cát thạch anh có dung trọng 1,32 tấn/m3 tại các bãi biển thoải và trống trải.

Dự án đảo nhân tạo quy mô 442 ha tại Phú Hài làm thay đổi hình thái đường bờ lân cận ra sao?

Đảo nhân tạo tạo ra hiệu ứng che chắn làm giảm 30% đến 45% chiều cao sóng phía sau đảo, gây bồi tụ cục bộ tại Phú Hài. Tuy nhiên, hiện tượng khúc xạ sóng quanh mũi đảo đã tập trung năng lượng sóng về phía phường Đức Long, khiến chiều cao sóng tăng 15% đến 25% và làm tốc độ xói lở tăng lên mức 10 đến 25 m/năm.

Vì sao mô hình MIKE 21 được xem là công cụ tối ưu để mô phỏng bồi xói tại khu vực nghiên cứu?

Mô hình MIKE 21 giải quyết đồng thời các phương trình phi tuyến về sóng phổ, dòng chảy hai chiều và vận chuyển bùn cát phi kết dính. Khả năng thiết lập lưới linh hoạt của phần mềm cho phép mô phỏng chi tiết các tương tác thủy động lực phức tạp quanh công trình lấn biển với sai số kiểm định thực địa dưới 10%.

Tại sao việc các resort tự ý xây kè mỏ hàn riêng lẻ lại khiến tình trạng sạt lở bờ biển trầm trọng hơn?

Các kè mỏ hàn và tường chắn cứng tự phát chỉ giúp giữ cát cục bộ tại vị trí công trình nhưng lại ngăn chặn hoàn toàn dòng bồi tích tự nhiên di chuyển dọc bờ. Hậu quả là gây ra hiện tượng thiếu hụt trầm tích nghiêm trọng ở các dải bờ kế cận, làm tốc độ xâm thực tăng từ 5 đến 20 m/năm.

Giải pháp bảo vệ bờ biển nào mang lại hiệu quả bền vững nhất cho thành phố Phan Thiết?

Phương án tối ưu là tích hợp đồng bộ công trình cứng và giải pháp mềm. Thành phố cần xây dựng hệ thống đê ngầm tiêu sóng ngoài khơi kết hợp nuôi bãi nhân tạo với khối lượng 150.000 đến 200.000 m3 cát tại Đức Long và Thanh Hải, song song với việc áp dụng khung quản lý tổng hợp vùng bờ trên toàn tuyến 57,4 km.

Kết luận

  • Luận văn đã làm rõ bức tranh thủy động lực bờ biển thành phố Phan Thiết với sự chi phối tuyệt đối của hai mùa gió, trong đó gió mùa Đông Bắc là tác nhân chính gây xói lở mạnh nhất.
  • Xác lập đầy đủ chỉ tiêu cơ lý của trầm tích đáy với dung trọng 1,32 tấn/m3, chỉ ra đặc tính cát mịn rời rạc dễ bị bóc mòn khi vận tốc dòng đáy vượt 0,35 m/s.
  • Ứng dụng thành công mô hình số trị MIKE 21 để định lượng hóa tác động của dự án đảo nhân tạo 442 ha đối với trường sóng, trường dòng chảy và biến hình đáy biển.
  • Đưa ra cảnh báo khoa học chuẩn xác về nguy cơ tăng sóng từ 15% đến 25% gây xói lở nghiêm trọng tại dải bờ phường Đức Long dài 1.550 m khi đảo nhân tạo hình thành.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp công trình đê ngầm kết hợp nuôi bãi nhân tạo 150.000 đến 200.000 m3 cát gắn với lộ trình quản lý không gian đới bờ giai đoạn 2014 - 2020.

Công trình nghiên cứu thạc sĩ của tác giả Lê Thị Diệu Hiền là đóng góp học thuật tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ mô hình hóa số trị đánh giá tác động của đảo nhân tạo tại Việt Nam. Các cơ quan quản lý, viện nghiên cứu và chủ đầu tư hãy khai thác ngay bộ kết quả và kiến nghị kỹ thuật từ luận văn để triển khai quy hoạch bảo vệ bờ biển bền vững cho thành phố Phan Thiết.