Tổng quan luận án

Bãi biển Cửa Đại, thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam là khu vực bờ biển có giá trị lớn về tự nhiên, cảnh quan và kinh tế du lịch, trải dài từ chân núi Sơn Trà (Đà Nẵng), qua thị xã Điện Bàn đến phường Cửa Đại. Tuy nhiên, từ năm 2009 đến nay, khu vực ven bờ phía Bắc Cửa Đại liên tục xảy ra hiện tượng xói lở nghiêm trọng dưới tác động của các điều kiện thời tiết cực đoan như bão, áp thấp nhiệt đới và gió mùa Đông Bắc. Mặc dù chính quyền địa phương và các doanh nghiệp du lịch đã đầu tư nguồn kinh phí lớn để xây dựng các tuyến kè cứng và kè mềm bảo vệ bờ, phần lớn các công trình này đều bộc lộ nhược điểm, bị sóng bão đánh sập, tràn qua đỉnh hoặc gây xói lở cục bộ ở chân và các vùng bãi kế cận. Tại những khu vực bãi tự nhiên chưa có công trình như bãi Tân Mỹ hay đoạn từ khách sạn Agribank đến bãi An Bàng, sóng bão kết hợp nước dâng vươn sâu vào chân các đụn cát, làm đường bờ lấn sâu vào đất liền.

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra các nguyên nhân tổng quát như sự thiếu hụt bùn cát, thay đổi hướng sóng và tác động bất lợi từ các công trình nhân tạo. Tuy nhiên, các nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế động lực vùng ven bờ trong điều kiện thời tiết cực đoan, đặc biệt là ảnh hưởng định lượng của thành phần nước dâng do sóng (NDDS) đến biến động bãi cao và chân đụn cát ven bờ, vẫn còn thiếu hụt. Bên cạnh đó, các đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bờ biển trước đây còn thiếu cơ sở khoa học đồng bộ và chưa được kiểm chứng đầy đủ bằng các công cụ tính toán thủy thạch động lực. Do đó, luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình Biển (mã số 958 02 03) của nghiên cứu sinh Nguyễn Ngọc Thế, thực hiện tại Trường Đại học Thủy lợi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Thanh Tùng và GS. Nguyễn Trung Việt, đã tập trung giải quyết vấn đề này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

  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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước dâng do sóng và sự biến động của bãi biển dưới tác động của nước dâng do sóng.
  • Phạm vi không gian: Dải bờ biển phía Bắc Cửa Đại, Hội An với chiều dài 7,6 km, tính từ mép phía Bắc cửa sông Cửa Đại kéo dài đến hết bãi tắm An Bàng.
  • Phạm vi thời gian và tài liệu: Chuỗi số liệu khảo sát thực nghiệm tại hiện trường qua các giai đoạn từ năm 2015 đến năm 2017, chuỗi số liệu thống kê các cơn bão ảnh hưởng đến khu vực Quảng Nam từ năm 1979 đến năm 2020, chuỗi số liệu trường gió tái phân tích NCEP từ năm 1988 đến năm 2017, cùng các kịch bản thời tiết cực đoan điển hình.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Về mặt lý thuyết và thực nghiệm quốc tế, hiện tượng nước dâng do sóng bắt đầu được nghiên cứu hệ thống từ công trình của Longuet-Higgins (1962) và Longuet-Higgins & Stewart (1963, 1964) thông qua việc thiết lập khái niệm ứng suất bức xạ sóng ($S_{xx}, S_{yy}, S_{xy}$) và thiết lập phương trình cân bằng động lực học của mực nước trung bình ven bờ. Các thí nghiệm phòng thí nghiệm của Bowen và cộng sự (1968) và nghiên cứu của Holman (1990) đã kiểm chứng sự phân bố mực nước ven bờ, chỉ ra hiện tượng nước rút do sóng (wave setdown) ở phía ngoài đới sóng vỡ và nước dâng do sóng (wave setup) ở phía trong đới sóng vỡ vươn tới đới sóng tràn. Trên cơ sở thực nghiệm hiện trường, Hanslow & Nielsen (1993), King và cộng sự (1990), cùng Stockdon và cộng sự (2006) đã đề xuất các công thức bán thực nghiệm tính toán độ cao nước dâng do sóng dựa trên các thông số độ cao sóng ngoài khơi, chu kỳ sóng và độ dốc mặt bãi. Về tương tác động lực học tại vùng sóng tràn (swash zone), các công trình của Butt & Russell (1999), Masselink & Puleo (2006), Bakhtyar và cộng sự (2009), và Short (1999) đã mô tả chi tiết cơ chế xói lở, tạo rãnh sụt lún chân đụn cát do sóng và nước dâng mang trầm tích ra ngoài khơi tạo thành các bãi ngầm (bar). Về phương pháp số trị, Funakoshi và cộng sự (2008), Chen và cộng sự (2008) đã liên kết mô hình ADCIRC và SWAN, chỉ ra nước dâng do sóng đóng góp từ 10% đến 15% (hoặc cao hơn tùy địa hình) vào mực nước cực trị trong bão. Nhóm Raimundo Ibaceta và Rafael Almar (2018) đã ứng dụng công nghệ Lidar và video camera tại Grand Popo (Benin) để theo dõi động lực sóng vùng ven bờ.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về nước biển dâng trong bão đã được thực hiện từ những năm 1970 bởi Lê Phước Trình (1970), Trần Kỳ (1970), Nguyễn Văn Cư (1979), Đỗ Ngọc Quỳnh (1982), Lê Trọng Đào (1999), Nguyễn Vũ Thắng (1999), Bùi Xuân Thông (2000). Các đề tài cấp nhà nước do Viện Cơ học chủ trì và chương trình Hợp tác Việt - Trung đã ghi nhận sự chênh lệch mực nước thực đo tại bờ so với trạm Hòn Dấu và nhận định sự chênh lệch này có đóng góp của nước dâng do sóng. Trong giai đoạn gần đây, công nghệ quan trắc hiện trường hiện đại bắt đầu được áp dụng như đề tài của Nguyễn Trung Việt (2013) sử dụng máy đo dòng ba chiều Vectrino II kết hợp cọc quan trắc tại vịnh Nha Trang; luận án của Lê Thanh Bình (2015) ứng dụng video-camera trích xuất chuỗi thời gian để xác định chu kỳ, hướng và độ cao sóng tại Nha Trang. Việc ứng dụng mô hình toán mô phỏng nước dâng do sóng được triển khai bởi Nguyễn Xuân Hiển (2013) tại Hải Phòng (xác định NDDS chiếm 20-30% tổng nước dâng trong bão); Đỗ Đình Chiến (2014) và Vũ Hải Đăng cùng cộng sự (2017) dùng mô hình SuWAT mô phỏng bão Xangsane (2006) tại Đà Nẵng (xác định NDDS có thể chiếm tới 35% tổng nước dâng); Nguyễn Bá Thủy (2017) phân tích nước dâng sau bão bằng SuWAT và WRF.

Riêng tại khu vực Cửa Đại, Hội An, Lê Đình Mầu (2003, 2012, 2015) đã phân tích diễn biến đường bờ giai đoạn 1965-2003 (đường bờ dịch chuyển về phía Đông Nam xấp xỉ 900 m, tốc độ trung bình 23 m/năm) và sử dụng bộ mô hình WAM - SWAN - GENESIS tính toán cán cân vận chuyển bùn cát dọc bờ; Huỳnh Công Hoài và cộng sự (2018) dùng mô hình TOMAWAC mô phỏng sóng 8 năm (2009-2016) chỉ ra sóng mùa Đông Bắc có chiều cao cực đại tới 4,7 m gây xói lở bờ Bắc; Vũ Minh Cát (2013) dùng MIKE21-FM Couple mô phỏng địa hình đáy cửa sông; Nguyễn Kim Đan và Nguyễn Trung Việt (2016-2017) chủ trì đề tài nghiên cứu tổng thể quá trình xói lở Hội An bằng hệ thống mô hình TELEMAC, ROMS, MIKE. Nguyễn Ngọc Thế và cộng sự (2017, 2019) đã thử nghiệm đánh giá giải pháp kè mềm và mô phỏng NDDS bằng mô hình SWASH.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết:

  • Thiếu các phương pháp quan trắc thực nghiệm hiện trường trực tiếp để đo đạc và phân tách định lượng dao động mực nước, độ cao sóng và nước dâng do sóng trong điều kiện bão thực tế tại dải ven bờ Việt Nam.
  • Các mô hình số trị trước đây chủ yếu hiệu chỉnh dựa trên dấu vết nước dâng ngập lụt sau bão, thiếu chuỗi số liệu dao động mặt nước tức thời để kiểm định quá trình lan truyền sóng và biến động bãi ở đới sóng vỡ.
  • Chưa có nghiên cứu định lượng tác động tương hỗ giữa nước dâng do sóng kết hợp các pha triều đến mức độ xói lở bãi cao, chân đụn cát và chân công trình bảo vệ bờ biển Cửa Đại.
  • Chưa thiết lập được cơ sở khoa học hoàn chỉnh để lựa chọn phương án bố trí mặt bằng công trình giảm sóng ngầm kết hợp mỏ hàn nhằm bảo vệ và phục hồi bãi cát bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm cơ bản

Luận án dựa trên lý thuyết ứng suất bức xạ sóng của Longuet-Higgins & Stewart. Khi sóng biển truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông ven bờ, sự biến đổi của ten-sơ ứng suất bức xạ $S_{xx}$ theo phương vuông góc với bờ thiết lập gradien áp lực cân bằng với độ dốc của mặt nước trung bình $\bar{\eta}$: $$\frac{\partial \bar{\eta}}{\partial x} = - \frac{1}{\rho g (h + \bar{\eta})} \frac{\partial S_{xx}}{\partial x}$$ Trong đó $\rho$ là mật độ nước biển, $g$ là gia tốc trọng trường, $h$ là độ sâu nước tĩnh, và $S_{xx}$ là thành phần ứng suất bức xạ vuông góc với bờ. Ở vùng ngoài đới sóng vỡ, năng lượng sóng tăng cục bộ làm xuất hiện hiện tượng hạ thấp mực nước (nước rút do sóng $\bar{\eta}_b$). Khi sóng vỡ hoàn toàn trong đới sóng vỡ và chuyển động vào vùng sóng tràn (swash zone), sự tiêu tán năng lượng sóng dẫn đến hiện tượng nước dâng do sóng tích lũy (wave setup), làm dịch chuyển đường mép nước lên cao trên sườn bãi.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm quan trắc hiện trường

Luận án thiết lập hệ thống quan trắc đồng bộ kết hợp các thiết bị kỹ thuật hiện trường:

  • Kỹ thuật quan trắc bằng camera kết hợp hệ thống cọc tiêu: Bố trí hệ thống camera ghi hình độ phân giải cao tại bãi tắm khách sạn Agribank, ghi hình trực tiếp hệ thống cọc tiêu chia vạch (từ C1 đến C6) cắm vuông góc với mép bờ trong bão Doksuri (tháng 9/2017). Tín hiệu hình ảnh định dạng video được trích xuất thành các khung hình theo chuỗi thời gian, đọc và xử lý cường độ màu R-G-B tại mặt cắt cọc tiêu để xác định dao động mặt nước tức thời, độ cao sóng ven bờ ($H_{rms}, H_{1/3}$) và mực nước dâng do sóng trung bình ($\bar{\eta}$).
  • Đo đạc thủy hải văn tự ghi: Sử dụng máy đo sóng và dòng chảy chuyên dụng AWAC và AQUAPRO tại các trạm ngoài khơi và ven bờ (SMS01, SMS02, SCR1) trong hai đợt khảo sát đại diện cho mùa gió Tây Nam (tháng 10/2016) và mùa gió Đông Bắc (tháng 3/2017). Đo mực nước tự ghi liên tục bằng thiết bị Level TROLL 500 (hãng In-Situ, Mỹ) tại cầu cảng đồn biên phòng Cửa Đại với tần suất 10 phút/mẫu từ ngày 12/01/2016 đến ngày 04/03/2017.
  • Đo đạc trắc địa địa hình bãi biển: Sử dụng máy toàn đạc điện tử Leica TS02 kết hợp máy đo sâu hồi âm Garmin tiến hành đo đạc địa hình mặt cắt ngang bãi biển (mốc MCN-01 kéo dài ra độ sâu $h > 10$ m và mốc MCN-02 tại khu vực gần bờ) qua 9 thời điểm khảo sát từ tháng 3/2016 đến tháng 3/2017.

Bảng tổng hợp các trạm đo đạc thủy hải văn tại hiện trường

Tên trạm Vĩ độ Kinh độ Độ sâu (m) Tham số đo đạc Đợt khảo sát
SMS01 15°55'8.63"N 108°23'8.63"E -8,0 Sóng, dòng chảy, mực nước Đợt 1 (10/2016)
SMS01 15°54'1.94"N 108°23'1.94"E -6,0 Sóng, dòng chảy, mực nước Đợt 2 (03/2017)
SMS02 15°52'43.56"N 108°24'43.56"E -6,0 Sóng, dòng chảy, mực nước Đợt 1 (10/2016)
SMS02 15°52'43.73"N 108°24'43.73"E -6,0 Sóng, dòng chảy, mực nước Đợt 2 (03/2017)
SCR1 15°53'58.64"N 108°23'58.64"E -1,2 Tốc độ và hướng dòng chảy Đợt 1 (10/2016)
SCR1 15°54'3.37"N 108°23'3.37"E -1,8 Tốc độ và hướng dòng chảy Đợt 2 (03/2017)
MN01 15°52'33.81"N 108°23'33.81"E -3,0 Mực nước tự ghi (Level TROLL) 01/2016 - 03/2017

Phương pháp mô hình số trị

Luận án sử dụng chuỗi liên kết hai mô hình toán học:

  1. Mô hình SWAN (Simulating Waves Nearshore): Mô phỏng quá trình lan truyền, biến dạng, nước nông hóa, khúc xạ, tiêu tán năng lượng của sóng từ vùng nước sâu ngoài khơi Biển Đông truyền vào vùng nước nông ven bờ Cửa Đại theo hệ lưới lồng hai cấp (Vùng 1 lưới thô và Vùng 2 lưới chi tiết). Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định các tham số độ cao sóng có nghĩa ($H_s$), chu kỳ đỉnh sóng ($T_p$) và hướng sóng ($\theta$) dựa trên dữ liệu đo thực tế từ các máy AWAC tại trạm SMS01 và SMS02.
  2. Mô hình XBEACH: Mô hình hình thái động lực học 2 chiều thẳng đứng và phi tuyến ven bờ, tiếp nhận điều kiện biên sóng và mực nước từ mô hình SWAN để tính toán chi tiết phổ sóng thành phần, dao động sóng dài hạ âm (infragravity waves), dòng chảy sóng tràn, nước dâng do sóng và sự biến động mặt cắt ngang bãi cát ven bờ Cửa Đại.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về nước dâng do sóng và công trình bảo vệ bờ biển

Chương 1 tổng kết có hệ thống các khái niệm khoa học về nước dâng nói chung, nước dâng do bão (hình thành do gió và khí áp), nước dâng do sóng (hình thành do sự truyền động lượng sóng vỡ), và tổng mực nước cực trị (TWP - Total Water Level). Luận án phân tích hình thái bãi biển cát với các phân vùng: bờ phía trong, bờ phía ngoài, đới sóng đổ, đới sóng vỡ và đới sóng tràn.

Về cơ chế phá hủy đụn cát ven bờ, chương 1 chỉ rõ: khi nước dâng do sóng đưa mực nước trung bình lên cao, các đỉnh sóng lớn có thể tiếp cận trực tiếp chân đụn cát. Quá trình bào mòn tạo ra các rãnh xói khoét sâu ở chân đụn cát, gây mất ổn định cơ học dẫn đến hiện tượng trượt lở từng mảng đụn cát phía trên do nứt kéo. Dòng nước rút trong đới sóng tràn cuốn toàn bộ khối lượng cát sạt lở chuyển dịch ngang bờ ra vùng nước sâu hơn, làm hạ thấp cao trình mặt bãi và dịch chuyển đường bờ vào trong đất liền.

Chương này cũng phân tích hiện trạng các công trình bảo vệ bờ biển đã triển khai tại Việt Nam (kè lát mái nghiêng, tường chắn sóng đứng, đê chắn sóng xa bờ, kè mỏ hàn, giải pháp nuôi bãi nhân tạo). Đánh giá thực trạng tại bờ biển Cửa Đại cho thấy các công trình kè bảo vệ trực tiếp (bê tông, mái nghiêng) thường bị sụp lở chân do xói sâu hoặc bị sóng bão tràn đỉnh gây sập mái từ phía sau. Các nghiên cứu trước đây tại Cửa Đại mới làm rõ sự mất cân bằng bùn cát tổng thể mà chưa định lượng được vai trò kích hoạt xói lở của nước dâng do sóng trong các cơn bão mạnh mùa gió Đông Bắc.

Chương 2: Cơ sở khoa học xác định nước dâng do sóng và biến động bãi biển

Chương 2 trình bày chi tiết việc thu thập, chỉnh lý và xây dựng cơ sở dữ liệu địa hình đáy biển tỷ lệ 1/5000 và trên cạn tỷ lệ 1/2000 (nội suy ô lưới $15 \times 15$ m), số liệu thành phần hạt bùn cát đáy ($D_{50}$), chuỗi khí tượng - thủy văn và bão lịch sử từ năm 1979 đến năm 2020.

Bảng thống kê số lượng các cơn bão tác động đến bờ biển Quảng Nam (1979 - 2020)

Tháng Bán kính 100 km (cơn) Tỷ lệ (%) Bán kính 150 km (cơn) Tỷ lệ (%) Bán kính 200 km (cơn) Tỷ lệ (%)
Tháng 5 2 5,56 2 3,33 3 3,61
Tháng 6 3 8,33 5 8,33 5 6,02
Tháng 7 2 5,56 4 6,67 6 7,23
Tháng 8 2 5,56 5 8,33 7 8,43
Tháng 9 14 38,89 22 36,67 25 30,12
Tháng 10 11 30,56 15 25,00 25 30,12
Tháng 11 2 5,56 7 11,67 11 13,25
Tháng 12 0 0,00 0 0,00 1 1,20
Tổng cộng 36 100 60 100 83 100

Ghi chú: Thống kê cho thấy bão tập trung cao nhất vào tháng 9 và tháng 10 (chiếm 60,24% tổng số cơn bão ảnh hưởng trong bán kính 200 km).

Chương 2 thiết lập quy trình trích xuất dao động mặt nước từ camera:

  1. Ghi hình liên tục các cọc tiêu C1 - C6 tại bãi Agribank trong bão Doksuri (14-15/9/2017). Mỗi đợt quan trắc (obs) kéo dài từ 500 đến 700 giây, ghi nhận trên 100 con sóng đơn lẻ.
  2. Định dạng file ảnh AVI/MP4 được tách thành chuỗi khung hình (frame) rời rạc.
  3. Chuyển đổi tọa độ điểm ảnh (pixel) sang tọa độ thực địa dựa trên các khoảng cách chuẩn chia vạch trên thân cọc tiêu.
  4. Quét biên độ dao động cường độ màu R-G-B dọc theo trục đứng của cọc tiêu để nhận dạng đường mép nước tức thời theo thời gian.
  5. Tính toán phân tách thành phần mực nước trung bình dâng lên ($\bar{\eta}$) và độ cao sóng vỡ ($H_{rms}$).

Dữ liệu thực nghiệm này kết hợp với số liệu đo đạc trắc địa mặt cắt địa hình trước - sau bão được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định thành công mô hình SWAN và mô hình XBEACH, xác lập độ tin cậy của bộ công cụ mô phỏng số trị.

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển Cửa Đại, Hội An

Chương 3 tập trung phân tích quy luật biến động hình thái mặt cắt ngang bãi biển qua các mùa và lượng hóa tác động của nước dâng do sóng:

  • Quy luật mùa: Bãi biển xói lở sâu trong mùa gió Đông Bắc (từ tháng 9 đến tháng 3 năm sau), bùn cát bị cuốn trôi ra biển hình thành các đụn cát ngầm ngoài khơi; trong mùa gió Tây Nam (từ tháng 4 đến tháng 8), sóng êm hơn đưa một phần bùn cát bồi hoàn trở lại nhưng không bù đắp được lượng cát đã mất mát trong mùa bão.
  • Phân tích các đợt bão điển hình: Phân tích số liệu trắc địa MCN-02 trong bão Sarika (10/2016) cho thấy chỉ trong vài ngày bão, mặt cắt ngang bãi bị hạ thấp từ 1,0 đến 1,8 m, mép bờ lùi sâu vào đất liền từ 10 đến 25 m.
  • Mô phỏng các kịch bản tính toán tổng hợp trên 4 mặt cắt đại diện: CD01, CD02 (vùng đã có công trình bảo vệ bờ) và CD03, CD04 (vùng bãi cát tự nhiên chưa có công trình). Thiết lập 3 kịch bản:
    • KB1: Tác động của bão ứng với mực nước triều trung bình và có xét đến nước dâng do sóng.
    • KB2: Tác động của bão ứng với mực nước triều cao (triều cường) và có xét đến nước dâng do sóng.
    • KB3: Tác động của bão ứng với mực nước triều trung bình nhưng không xét đến nước dâng do sóng.

Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng:

  • Khi xét đến nước dâng do sóng (KB1 so với KB3), giá trị NDDS lớn nhất sát mép bờ đạt từ 0,45 m đến 0,85 m tùy theo cấp bão và độ dốc đáy biển.
  • Sự xuất hiện của NDDS làm tăng chiều sâu xói chân kè tại CD01 và CD02 thêm từ 0,6 m đến 1,2 m; đối với bãi tự nhiên CD03 và CD04, NDDS làm gia tăng chiều rộng dải xói lở bãi thêm từ 8 m đến 16 m và nâng cao trình vết xói khoét sâu lên chân đụn cát thêm từ 0,5 m đến 0,9 m.
  • Khi bão xảy ra vào thời kỳ triều cao kết hợp NDDS (KB2), tổng mực nước ven bờ đạt giá trị cực đại, gây hiện tượng sóng tràn toàn phần qua đỉnh kè và sạt lở đứt gãy đụn cát ven biển.

Chương 4: Nghiên cứu đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An

Chương 4 đánh giá các giải pháp công trình đơn lẻ trước đây và xây dựng phương án bảo vệ tổng thể cho 7,6 km bờ biển phía Bắc Cửa Đại:

  • Mục tiêu giải pháp: Giảm năng lượng sóng truyền vào bờ từ xa, giữ ổn định lượng bùn cát dọc bờ và ngang bờ, kích thích quá trình bồi tụ tự nhiên để tái tạo lại mặt bãi tắm phục vụ du lịch mà không gây xói lở ở các đoạn bờ kế cận.
  • Đề xuất các phương án bố trí mặt bằng công trình:
    • Hệ thống đê ngầm giảm sóng ngoài khơi (Submerged Breakwaters): Bố trí song song với đường bờ cách mép bờ khoảng 200 - 300 m, đỉnh đê đặt ngập dưới mực nước biển từ 0,5 m đến 1,0 m để vừa triệt tiêu sóng bão vừa đảm bảo cảnh quan môi trường du lịch.
    • Hệ thống kè mỏ hàn (Groins): Bố trí vuông góc hoặc xiên góc với đường bờ tại các vị trí thích hợp nhằm ngăn chặn sự dịch chuyển bùn cát dọc bờ do dòng chảy ven bờ gây ra.
    • Kết hợp giải pháp nuôi bãi nhân tạo tạo bãi cát ban đầu.
  • Đánh giá hiệu quả kỹ thuật trên mô hình toán:
    • Mô phỏng trường sóng sau khi bố trí công trình cho thấy độ cao sóng truyền vào sát bờ giảm từ 50% đến 65% so với trường hợp tự nhiên.
    • Sau đê ngầm, hiện tượng sóng khúc xạ và giao thoa tạo ra vùng nước tĩnh, hình thành các khối bồi tụ bùn cát dạng bán đảo (tombolo) nối từ bờ ra phía sau đê ngầm.
    • Đánh giá biến động đáy tại các mặt cắt CD01 - CD04 khẳng định hiện tượng xói sâu chân kè được triệt tiêu hoàn toàn, mặt bãi cát được tôn cao và mở rộng ổn định. Luận án đã lựa chọn và kiến nghị phương án bố trí hệ thống đê ngầm phá sóng kết hợp mỏ hàn ngầm là giải pháp tối ưu cho khu vực Cửa Đại, Hội An.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và thực tiễn của luận án:

  1. Về mặt phương pháp và khoa học: Thiết lập thành công kỹ thuật quan trắc dao động mực nước biển trong điều kiện bão lớn ven bờ bằng công nghệ video-camera kết hợp hệ thống cọc tiêu chia vạch và thuật toán xử lý ảnh nhận dạng màu R-G-B. Cung cấp quy trình công nghệ và bộ số liệu đo đạc thực tế có độ tin cậy cao để phân tách nước dâng do sóng, phục vụ trực tiếp cho việc hiệu chỉnh và kiểm định các mô hình số trị thủy thạch động lực tại Việt Nam.
  2. Về mặt cơ chế động lực: Làm rõ quy luật biến động hình thái bãi biển và định lượng được ảnh hưởng của nước dâng do sóng trong bão đến quá trình xói lở bãi cao, sụt lún chân đụn cát và xói sâu chân công trình bảo vệ bờ biển Cửa Đại, Hội An.
  3. Về mặt thực tiễn và ứng dụng công trình: Đề xuất được giải pháp công trình chỉnh trị bờ biển tổng thể (kết hợp đê ngầm giảm sóng xa bờ và hệ thống mỏ hàn giữ cát) có cơ sở khoa học xác thực, đảm bảo hiệu quả kỹ thuật giảm sóng, chống xói lở, phục hồi bãi cát và bảo tồn cảnh quan du lịch sinh thái bền vững cho dải bờ biển Hội An.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ kết quả nghiên cứu:

  • Khi tính toán thiết kế cao trình đỉnh và chiều sâu chôn chân các công trình bảo vệ bờ biển khu vực miền Trung, bắt buộc phải tính toán bổ sung thành phần nước dâng do sóng kết hợp với mực nước triều thiết kế và nước dâng do bão để tránh hiện tượng sóng tràn đỉnh và xói chân gây sụp đổ công trình.
  • Cần áp dụng giải pháp công trình chỉnh trị tổng thể theo dải bờ thay vì xây dựng các đoạn kè cục bộ mang tính chắp vá tại từng dự án nghỉ dưỡng riêng lẻ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Do điều kiện bão gió khắc nghiệt tại hiện trường, việc đo đạc trực tiếp bằng camera kết hợp cọc tiêu mới thực hiện được trong một số thời đoạn bão điển hình (như bão Doksuri năm 2017) tại một vị trí bãi tắm khách sạn Agribank, chưa bố trí quan trắc đồng thời trên nhiều mặt cắt dọc toàn tuyến 7,6 km.
  • Phạm vi nghiên cứu chi tiết tập trung chủ yếu cho dải bờ phía Bắc Cửa Đại, chưa mở rộng phân tích toàn diện cho toàn bộ dải bờ biển kéo dài từ Sơn Trà (Đà Nẵng) đến Tam Hải (Quảng Nam).

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Hoàn thiện và tự động hóa hệ thống camera thông minh quan trắc sóng và mực nước liên tục theo thời gian thực (real-time) tại nhiều điểm ven bờ để xây dựng cơ sở dữ liệu động lực bờ biển dài hạn.
  • Tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về tương tác 3 chiều giữa dòng chảy lũ từ hệ thống sông Thu Bồn đổ ra cửa sông Cửa Đại với trường sóng và nước dâng do sóng ven bờ trong các kịch bản thời tiết phức hợp (lũ chồng bão).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình biển, Kỹ thuật công trình thủy, Thủy động lực học, Hải dương học và Quản lý tổng hợp vùng bờ. Giá trị tham khảo nổi bật nằm ở phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trích xuất dữ liệu hình ảnh camera và quy trình liên kết mô hình số trị SWAN - XBEACH.
  • Kỹ sư thiết kế và các đơn vị tư vấn xây dựng công trình thủy - ven biển: Cung cấp phương pháp luận và các thông số thực tế để tính toán chính xác mực nước dâng do sóng, tải trọng sóng tác động và chiều sâu xói chân kè phục vụ thiết kế công trình bảo vệ bờ biển.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền địa phương (tỉnh Quảng Nam, TP. Hội An): Cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để phục vụ công tác quy hoạch không gian dải ven bờ, thiết lập hành lang bảo vệ bờ biển, cũng như lựa chọn giải pháp kỹ thuật đầu tư xây dựng các dự án phòng chống thiên tai và xói lở bờ biển.

Câu hỏi thường gặp

1. Kỹ thuật quan trắc dao động mực nước bằng camera kết hợp cọc tiêu trong luận án được thực hiện như thế nào?
Luận án bố trí hệ thống camera ghi hình độ nét cao cố định trên bờ, quay trực diện hệ thống cọc tiêu chia vạch chuẩn (từ C1 đến C6) cắm trên mặt cắt bãi tắm khách sạn Agribank trong thời gian bão Doksuri (tháng 9/2017). Video được phân rã thành các khung hình chuỗi thời gian, áp dụng thuật toán nhận dạng biến thiên cường độ màu R-G-B dọc thân cọc tiêu để xác định dao động mực nước tức thời, chu kỳ sóng, độ cao sóng và độ cao nước dâng do sóng trung bình.

2. Tần suất xuất hiện bão tại khu vực biển Quảng Nam tập trung vào những thời điểm nào?
Theo số liệu thống kê 83 cơn bão trong giai đoạn từ năm 1979 đến năm 2020 trong bán kính ảnh hưởng 200 km, bão tập trung cao nhất vào tháng 9 (25 cơn, chiếm 30,12%) và tháng 10 (25 cơn, chiếm 30,12%), tổng cộng hai tháng này chiếm 60,24% toàn bộ số cơn bão tác động đến vùng bờ biển Quảng Nam.

3. Cơ chế nước dâng do sóng gây phá hủy đụn cát ven bờ Cửa Đại diễn ra như thế nào?
Trong bão, nước dâng do sóng làm mực nước biển trung bình dâng cao cục bộ từ 0,45 m đến 0,85 m, cho phép các đỉnh sóng lớn tiếp cận trực tiếp sát chân đụn cát. Sóng tác động bào mòn tạo thành các rãnh xói hàm ếch ở chân đụn cát, dẫn đến hiện tượng nứt kéo và sạt lở các khối cát lớn phía trên. Khi nước rút, dòng chảy vùng sóng tràn mang toàn bộ lượng bùn cát này dịch chuyển ngang bờ ra ngoài khơi, làm mất mặt bãi cao và khiến đường bờ lấn sâu vào đất liền.

4. Hai mô hình số trị chính được sử dụng trong luận án có vai trò gì?
Mô hình SWAN được sử dụng để tính toán quá trình lan truyền, biến dạng và tiêu tán năng lượng của sóng từ vùng nước sâu ngoài khơi Biển Đông vào vùng ven bờ Cửa Đại, đồng thời cung cấp các điều kiện biên sóng cho mô hình ven bờ. Mô hình XBEACH tiếp nhận điều kiện biên từ SWAN để mô phỏng chi tiết các quá trình phi tuyến trong đới sóng vỡ, tính toán định lượng nước dâng do sóng, dòng chảy sóng tràn và diễn biến xói lở, bồi tụ mặt cắt ngang bãi biển cát.

5. Luận án đề xuất phương án công trình nào để bảo vệ bền vững bãi biển Cửa Đại?
Luận án đề xuất giải pháp công trình chỉnh trị tổng thể gồm hệ thống đê ngầm giảm sóng xa bờ đặt ngập dưới mặt nước kết hợp hệ thống kè mỏ hàn giữ cát và nuôi bãi nhân tạo. Giải pháp này giúp triệt tiêu từ 50% đến 65% năng lượng sóng ngoài khơi, kích thích bồi tụ hình thành các dải cát dạng tombolo sau đê ngầm, bảo vệ chân bờ và phục hồi bãi tắm tự nhiên.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Ngọc Thế đã giải quyết một vấn đề cấp thiết về xói lở bờ biển tại khu vực Cửa Đại, Hội An thông qua cách tiếp cận kết hợp chặt chẽ giữa quan trắc thực nghiệm hiện trường và mô phỏng số trị thủy thạch động lực. Bằng việc xây dựng thành công kỹ thuật trích xuất dữ liệu dao động mực nước từ hình ảnh camera kết hợp cọc tiêu trong bão, công trình đã định lượng chính xác thành phần nước dâng do sóng và làm sáng tỏ cơ chế xói lở bãi cao, đụn cát ven bờ. Kết quả nghiên cứu đã cung cấp luận cứ khoa học tin cậy để đề xuất giải pháp công trình đê ngầm giảm sóng kết hợp mỏ hàn giữ cát, đóng góp giá trị lý luận và thực tiễn quan trọng cho công tác phòng chống thiên tai, bảo vệ bờ biển và phát triển kinh tế du lịch bền vững tại miền Trung Việt Nam.