Tổng quan về luận án

Khu vực dải ven biển Cửa Đại, thành phố Hội An (tỉnh Quảng Nam) sở hữu chiều dài nghiên cứu 7,6 km trải dài từ cửa sông Cửa Đại đến bãi tắm An Bàng, đóng vai trò là trung tâm du lịch nghỉ dưỡng và không gian sinh thái đặc biệt quan trọng của miền Trung. Tuy nhiên, từ năm 2009 đến nay, bờ biển này đối mặt với hiện tượng xói lở thảm khốc trong mùa gió Đông Bắc và các đợt thiên tai cực đoan, đe dọa trực tiếp đến chuỗi resort cao cấp, hạ tầng ven bờ và sinh kế cộng đồng. Hàng trăm tỷ đồng từ ngân sách nhà nước và khối doanh nghiệp tư nhân đã được đầu tư xây dựng các tuyến kè bảo vệ trực tiếp, song phần lớn các công trình này đều bị sóng bão làm mất ổn định, sập chân khay hoặc xói lở nghiêm trọng khu vực bãi kế cận.

Thực trạng này đặt ra một khoảng trống nghiên cứu cốt lõi (research gap): các công trình khoa học trước đây (Lê Đình Mầu, 2003, 2012, 2015; Huỳnh Công Hoài và nnk, 2018; Nguyễn Kim Đan và Nguyễn Trung Việt, 2016-2017) chủ yếu tập trung vào bức tranh tổng thể về cán cân vận chuyển bùn cát dọc bờ (longshore sediment transport) hoặc thống kê đường bờ theo mùa, mà thiếu vắng các khảo sát thực nghiệm chi tiết và mô phỏng chuyên sâu về động lực học đới sóng tràn (swash zone), đặc biệt là tác động của hiện tượng nước dâng do sóng (wave setup - NDDS) trong bão lên vùng bãi cao và chân cồn cát (coastal sand dunes).

Để giải quyết vấn đề trên, luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình Biển (Mã số: 958 02 03) của tác giả Nguyễn Ngọc Thế, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Thanh Tùng và GS. Nguyễn Trung Việt tại Trường Đại học Thủy Lợi (2021), đã thiết lập các câu hỏi và giả thuyết khoa học mang tính đột phá:

  1. Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Biên độ và quy luật phân bố không gian - thời gian của nước dâng do sóng trong điều kiện sóng bão cực đoan tại bờ biển Cửa Đại diễn ra như thế nào?
  2. Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Cơ chế tác động thủy thạch động lực của nước dâng do sóng ảnh hưởng đến quá trình phá hủy chân đụn cát và biến dạng mặt cắt ngang bãi biển bộc lộ những quy luật vật lý nào?
  3. Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Giải pháp kết cấu công trình biển nào vừa triệt tiêu hiệu quả năng lượng sóng ngoài xa, hạn chế nước dâng vùng bờ, vừa phục hồi và ổn định bãi tắm tự nhiên bền vững?

Giả thuyết nghiên cứu:

  • Giả thuyết H1: Nước dâng do sóng trong bão đóng góp tỷ trọng đáng kể vào mực nước tổng cộng ven bờ, làm dịch chuyển đới sóng đổ và sóng tràn vươn sâu lên bãi cao, kích hoạt cơ chế sụt trượt chân cồn cát.
  • Giả thuyết H2: Vận chuyển bùn cát ngang bờ (cross-shore transport) dưới tác động kết hợp của sóng bão và nước dâng do sóng chiếm ưu thế tuyệt đối so với bùn cát dọc bờ trong thời đoạn bão, đưa cát ra xa bờ tạo thành bãi ngầm (sand bars).
  • Giả thuyết H3: Tổ hợp công trình đê ngầm giảm sóng xa bờ kết hợp hệ thống kè mỏ hàn là giải pháp tối ưu kiểm soát trường sóng, giảm nước dâng do sóng và duy trì bồi tụ dạng Tombolo/Salient.

Khung lý thuyết của luận án được xây dựng dựa trên Lý thuyết Ứng suất bức xạ sóng (Radiation Stress Theory) của Longuet-Higgins & Stewart (1962, 1964), Thuyết biến dạng sóng và dòng chảy sóng tràn (Bowen et al., 1968; Butt & Russell, 1999; Masselink & Puleo, 2006; Short, 1999). Phạm vi dữ liệu bao gồm chuỗi quan trắc khí tượng hải văn 41 năm (1979–2020) với 83 cơn bão ảnh hưởng, số liệu đo đạc chi tiết 9 đợt trắc diện bãi (2016–2017) kết hợp công nghệ trích xuất hình ảnh camera quan trắc dao động mực nước thực địa trong siêu bão Doksuri (2017) và Sarika (2016).

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu về nước dâng do sóng bắt nguồn từ các nền tảng giải tích của Longuet-Higgins (1962) và Longuet-Higgins & Stewart (1963, 1964), định nghĩa các thành phần tensor ứng suất bức xạ ($S_{xx}, S_{xy}, S_{yy}$) tác động lên cột nước biển, giải thích hiện tượng hạ thấp mực nước ngoài đới sóng vỡ (wave setdown) và nước dâng trong đới sóng vỡ (wave setup). Bowen et al. (1968) đã kiểm chứng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và xác nhận tương quan chặt chẽ giữa độ dốc đáy biển, chỉ số sóng vỡ $\kappa$ và biên độ dâng nước. Về sau, King et al. (1990) tại bãi biển Woolacombe (Anh) đã thiết lập công thức xác định chiều cao nước dâng theo độ cao sóng vỡ quân phương: $$0,11 < \bar{\eta}/h_{b,rms} < 0,15$$ Hanslow & Nielsen (1993) mở rộng thực nghiệm tại nhiều bãi biển quốc tế với chiều cao sóng ngoài khơi trên 4,2 m, đo được nước dâng tới 1,6 m. Stockdon et al. (2006) tổng hợp dữ liệu từ 10 bãi biển trên thế giới để chuẩn hóa công thức thực nghiệm tính toán nước dâng và nước leo (wave runup) cho cả bãi tự nhiên lẫn bờ có công trình.

Trên bình diện mô hình hóa tích hợp, Funakoshi et al. (2008) kết hợp mô hình hoàn lưu bão ADCIRC với mô hình sóng SWAN chứng minh nước dâng do sóng đóng góp từ 10% đến 15% vào mực nước cực trị trong bão. Chen et al. (2008) chỉ ra tỷ lệ này có thể thay đổi cục bộ tùy thuộc vào độ dốc và cấu trúc địa hình đáy. Gần đây, Raimundo Ibaceta & Rafael Almar (2020) đã ứng dụng thiết bị công nghệ hiện đại Lidar tại bãi biển Grand Popo (Benin) để phân tích sự tiêu tán năng lượng sóng và phản xạ sóng trong đới ven bờ.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu lịch sử của Lê Phước Trình (1970), Trần Kỳ (1970), Đỗ Ngọc Quỳnh (1982), Bùi Xuân Thông (2000) và các đề tài cấp Nhà nước của Viện Cơ học đã đặt nền móng tính toán nước dâng do bão khí tượng. Gần đây, Nguyễn Xuân Hiển (2013) tính toán nước dâng tổng cộng cho Hải Phòng chỉ ra nước dâng do sóng chiếm 20–30%; Đỗ Đình Chiến (2014) và Vũ Hải Đăng et al. (2017) ứng dụng mô hình SuWAT cho bão Xangsane (2006) tại Đà Nẵng khẳng định nước dâng do sóng chiếm tới 35% tổng lượng nước dâng. Nguyễn Trung Việt (2013) sử dụng thiết bị Vectrino II đo dao động mực nước tại Nha Trang, và Lê Thanh Bình (2014) ứng dụng video-camera trích xuất chu kỳ và vận tốc truyền sóng.

Về khu vực bãi biển Cửa Đại, các tranh luận học thuật từng xuất hiện giữa các quan điểm:

  • Luồng quan điểm 1 (Thiên về cán cân dọc bờ): Cho rằng thiếu hụt nguồn bùn cát từ hệ thống sông Thu Bồn do các hồ chứa thủy điện thượng nguồn kết hợp dòng chảy bùn cát dọc bờ hướng Bắc - Nam là nguyên nhân cốt tử làm bãi biển xói lở triền miên.
  • Luồng quan điểm 2 (Thiên về động lực sóng bão cực đoan): Khẳng định sóng gió mùa Đông Bắc và sóng bão hướng Đông Bắc (chiều cao cực đại lên tới 4,7 m như mô phỏng TOMAWAC của Huỳnh Công Hoài et al., 2018) đóng vai trò kích hoạt các đợt sạt lở dữ dội ngắn hạn.

Trích dẫn từ các tài liệu nguồn cho thấy: Lê Đình Mầu (2015) ghi nhận: "từ những năm 1965 trở lại đây vùng ven biển Cửa Đại, Hội An hiện tượng xói lở luôn chiếm ưu thế hơn hiện tượng bồi tụ và cường độ xói lở ngày càng gia tăng, đường bờ ngày càng lấn sâu vào trong đất liền"; Nguyễn Kim Đan và Nguyễn Trung Việt (2016-2017) xác định nguyên nhân đa hợp gồm: "thiếu hụt bùn cát, do thay đổi hướng sóng, do tác động từ xây dựng công trình trong khu vực"; Lê Đình Mầu (2012) nhấn mạnh: "cơ chế VCBC ngang bờ trong bão chiếm ưu thế hơn VCBC dọc bờ"; và Nguyễn Ngọc Thế (2016-2017) kết luận: "các công trình được xây dựng không phát huy hiệu quả trong bão, trong bão hiện tượng xói lở nghiêm trọng thường xảy ra vùng bãi cao và chân đụn cát ven bờ".

Vị thế khoa học của luận án: Khác với các công trình trước đây chỉ tách nước dâng do sóng gián tiếp từ vết nước điều tra sau bão (vốn tiềm ẩn sai số lớn), luận án này là công trình tiên phong tại Việt Nam trực tiếp đo đạc dao động mực nước mặt cắt bờ trong tâm bão thực tế bằng công nghệ xử lý ảnh camera kết hợp cọc tiêu trắc diện, cung cấp dữ liệu kiểm định độ chính xác cao cho mô hình XBeach và đề xuất giải pháp công trình đê ngầm giảm sóng bảo vệ bãi biển đồng bộ.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng Lý thuyết Ứng suất bức xạ sóng của Longuet-Higgins & Stewart (1964) trong môi trường thực địa bãi biển nhiệt đới chịu tác động tương hỗ giữa triều, gió và sóng bão hỗn hợp.

Khung khái niệm chứng minh rằng: khi sóng truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông ven bờ Cửa Đại, quá trình biến dạng sóng và sóng đổ (wave breaking) tạo ra građien ứng suất bức xạ $\partial S_{xx}/\partial x$, làm thay đổi độ dốc mặt nước tự do theo phương trình cân bằng xung lượng: $$\frac{\partial \bar{\eta}}{\partial x} = -\frac{1}{\rho g (h + \bar{\eta})} \frac{\partial S_{xx}}{\partial x}$$

Sự đóng góp lý thuyết được thể hiện qua các mệnh đề xác lập:

  • Mệnh đề P1: Nước dâng do sóng nâng cao đường mực nước trung bình cục bộ tại mép nước lên từ 0,6 m đến trên 1,2 m trong bão, triệt tiêu vùng đệm bảo vệ tự nhiên của bãi thoải.
  • Mệnh đề P2: Cơ chế xói lở đụn cát không diễn ra thuần túy do ma sát đáy đáy đơn thuần, mà do sóng tràn mang năng lượng cao tấn công trực tiếp vào chân vách cát (dune toe), tạo khe nứt kéo (tension cracks), dẫn đến hiện tượng trượt cung tròn và đổ sụp mảng khối (cantilever failure) theo cơ chế mô tả của van Gent (2008).
  • Chuyển dịch nhận thức (Paradigm Shift): Chuyển từ quan điểm truyền thống xem "xói lở bờ biển là do dòng chảy dọc bờ làm trôi cát" sang quan điểm "xói lở cực đoan trong bão chủ yếu do nước dâng do sóng kích hoạt vận chuyển bùn cát ngang bờ, kéo cát ra xa hình thành các đụn cát ngầm ngoài khơi".
[Bão & Gió mùa ĐB] 
                                            [NƯỚC DÂNG DO SÓNG (NDDS)]
                                            [Mực nước tổng cộng TWP cực trị]
     [Bãi tự nhiên chưa có kè]                                                   [Bãi đã xây kè cứng trực tiếp]
  [Sóng vươn sâu vào Bãi cao & Chân cồn cát]                                  [Sóng bão vượt đỉnh kè, xói chân khay]
  [Tạo vết nứt kéo, sập đổ mảng cồn cát]                                       [Phá hủy mái kè, xói sạt hạ tầng sau bờ]
                                    [Vận chuyển bùn cát ngang bờ ra khơi]
                                        [Hình thành Bar chắn ngầm ngoài khơi]

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp 3 trụ cột lý thuyết:

  1. Thủy động lực học sóng phi tuyến trong vùng sóng vỡ;
  2. Cơ chế biến dạng hình thái động lực học trầm tích (morphodynamics);
  3. Cơ học phá hủy trượt sạt mái đất cát ven biển.

Điều kiện biên xác lập (Boundary Conditions): Khung phân tích áp dụng cho dải bờ cát thoải mịn đến trung bình ($D_{50} = 0,25 - 0,35 \text{ mm}$), chế độ nhật triều không đều có biên độ triều nhỏ ($< 1,2 \text{ m}$), chịu tác động của bão biển Đông và gió mùa Đông Bắc có chiều cao sóng ngoài khơi $H_s \ge 2,0 \text{ m}$.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ triết lý nghiên cứu Hiện thực phê phán (Critical Realism) kết hợp Thực chứng (Positivism), phối hợp đồng bộ giữa quan trắc thực nghiệm hiện trường độ chính xác cao và mô phỏng số trị thủy động lực học đa quy mô.

Thiết kế đa tầng (multi-level design) bao gồm:

  • Cấp độ 1 (Quy mô đại dương - vùng biển khơi): Mô phỏng trường sóng toàn Biển Đông và lan truyền sóng nước sâu vào vùng biển Quảng Nam bằng mô hình SWAN.
  • Cấp độ 2 (Quy mô khu vực ven bờ 7,6 km): Mô phỏng tương tác sóng, dòng chảy và trường nước dâng chi tiết trên lưới phi cấu trúc kích thước ô $15 \times 15\text{ m}$.
  • Cấp độ 3 (Quy mô trắc diện cục bộ đới sóng tràn): Mô hình hóa chi tiết biến động mặt cắt ngang bãi biển và phá hủy cồn cát bằng mô hình XBeach.
       QUY MÔ ĐẠI DƯƠNG / BIỂN ĐÔNG
  [Mô hình SWAN: Trường gió & Khí áp NCEP]
       QUY MÔ VEN BỜ CỬA ĐẠI (7.6 km)
  [Lưới tính toán địa hình chi tiết 15m x 15m]
       QUY MÔ MẶT CẮT TRẮC DIỆN BÃI
  [Mô hình XBEACH: Sóng tràn, Nước dâng do sóng, Xói sụt cồn cát]
  [HỆ THỐNG QUAN TRẮC THỰC NGHIỆM ĐỒNG BỘ HIỆN TRƯỜNG]

Quy trình nghiên cứu rigorous

Chiến lược thu thập dữ liệu và công cụ đo đạc thực địa:

  1. Đo đạc địa hình trắc diện: Sử dụng máy toàn đạc điện tử Leica TS02 (độ chính xác góc $\pm 2''$, đo khoảng cách $[3+2\text{ ppm}\times D]\text{ mm}$) và máy đo sâu hồi âm Garmin. Khảo sát 9 đợt đo tại các mặt cắt chuẩn MCN-01 (đo sâu ra tới $H > 10\text{ m}$) và MCN-02 (khu vực bãi Tân Mỹ trước, trong và sau bão Sarika 10/2016).
  2. Đo đạc hải văn liên tục:
    • Đặt 02 trạm tự ghi AWAC/AquaPro: Trạm SMS01 (phía Bắc Cửa Đại, độ sâu $-8,0\text{ m}$ và $-6,0\text{ m}$) và Trạm SMS02 (trước cửa sông Cửa Đại, độ sâu $-6,0\text{ m}$) để đo phổ sóng, dòng chảy và mực nước.
    • Thiết lập trạm SCR1 tại đới sóng đổ (độ sâu $-1,2\text{ m}$ đến $-1,8\text{ m}$) đo dòng chảy ven bờ.
    • Cảm biến áp lực tự ghi Level Troll 500 (In-Situ, USA) đặt tại cầu cảng Đồn Biên phòng Cửa Đại ($15^\circ 52'33''\text{N}, 108^\circ 22'25''\text{E}$), tần suất thu mẫu $10\text{ phút/lần}$ liên tục trong hơn 1 năm (12/01/2016 – 04/03/2017).
  3. Kỹ thuật trích xuất dao động mực nước bằng Video-Camera kết hợp cọc tiêu:
    • Lắp đặt hệ thống 06 cọc tiêu quy chuẩn (C1 đến C6) cắm vuông góc với đường bờ tại bãi tắm khách sạn Agribank.
    • Camera kỹ thuật số quay liên tục thu nhận trên 100 con sóng mỗi đợt quan trắc (thời gian ghi 10–15 phút, chu kỳ sóng 5–7 giây/con sóng).
    • Xây dựng thuật toán xử lý ảnh: Phân tích ma trận màu RGB trên mặt cắt cọc tiêu, xác định vị trí tiếp xúc của mực nước dao động qua biến thiên ngưỡng độ sáng/màu, chuyển đổi từ tọa độ pixel sang cao độ hình học thực tế qua tỷ lệ pixel chuẩn hóa.
Trạm quan trắc Vĩ độ Kinh độ Độ sâu đặt trạm Tham số đo đạc chính Thiết bị sử dụng
SMS01 $15^\circ 55'08.63''\text{N}$ $108^\circ 23'45.0''\text{E}$ $-8.0\text{ m}$ / $-6.0\text{ m}$ Sóng ($H_s, T_p, Dir$), Dòng chảy, Mực nước AWAC (Nortek)
SMS02 $15^\circ 52'43.56''\text{N}$ $108^\circ 24'10.0''\text{E}$ $-6.0\text{ m}$ Sóng ($H_s, T_p, Dir$), Dòng chảy, Mực nước AquaPro ADCP
SCR1 $15^\circ 53'58.64''\text{N}$ $108^\circ 23'05.0''\text{E}$ $-1.2\text{ m}$ / $-1.8\text{ m}$ Vận tốc & Hướng dòng chảy đới sóng đổ Cảm biến lưu tốc
Trạm MN01 $15^\circ 52'33.81''\text{N}$ $108^\circ 22'25.1''\text{E}$ $-3.0\text{ m}$ Mực nước tự ghi (chu kỳ 10 phút/mẫu) In-Situ Level Troll 500
Hệ Cọc C1–C6 Bãi KS Agribank Ven mép nước $0.0\text{ m} \to +2.5\text{ m}$ Dao động sóng tràn, Nước dâng do sóng Video Camera + RGB Staff

Data và phân tích

Dữ liệu địa hình số hóa đáy biển tỷ lệ 1/100.000 (Viện Hải dương học Nha Trang, 2015) kết hợp bình đồ chi tiết dưới nước tỷ lệ 1/5.000 và trên bờ tỷ lệ 1/2.000 được nội suy lưới vuông $15\times 15\text{ m}$.

Mô hình SWAN được hiệu chỉnh và kiểm định với số liệu sóng thực đo 2 đợt (tháng 10/2016 đại diện gió mùa Tây Nam và tháng 03/2017 đại diện gió mùa Đông Bắc). Kết quả kiểm định cho thấy hệ số tương quan $R^2 > 0,88$, sai số quân phương RMSE chiều cao sóng $< 0,15\text{ m}$. Mô hình XBeach được hiệu chỉnh các tham số dòng chảy đáy, độ nhám bãi cát và hệ số xói lở cồn cát, cho kết quả mô phỏng trắc diện đáy và nước dâng do sóng trùng khớp chặt chẽ với số liệu trích xuất từ camera trong bão Doksuri (14–15/09/2017).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

  1. Quy mô và cường độ nước dâng do sóng cực đại: Mô phỏng và thực nghiệm chỉ ra trong các đợt bão lớn (như bão Doksuri 2017 với sóng nước sâu $H_0 > 5\text{ m}$, bão Rai, Sarika 2016), nước dâng do sóng tại vị trí sát mép bờ bãi biển Cửa Đại đạt giá trị từ 0,65 m đến 1,22 m, đóng góp tới 25–35% vào mực nước dâng tổng cộng trong bão.
  2. Phát hiện bất ngờ về cơ chế dòng chảy vùng sóng đổ: Số liệu đo đạc thực tế từ trạm SCR1 trong cả 2 đợt khảo sát ghi nhận hướng dòng chảy vùng sóng đổ không hình thành dòng chảy dọc bờ ổn định mà liên tục đảo chiều vuông góc với đường bờ theo chu kỳ sóng (dao động tới lui của hạt nước), chứng minh cơ chế vận chuyển bùn cát ngang bờ chiếm ưu thế áp đảo trong việc bào mòn và hạ thấp mặt cắt bãi trong bão.
  3. Quy luật phá hủy hình thái bãi theo mùa và trong bão: Bãi biển Cửa Đại diễn biến theo chu kỳ hai mùa tương phản rõ rệt: bồi tụ phục hồi vào mùa gió Tây Nam và xói lở dữ dội vào mùa gió Đông Bắc. Khi bão đổ bộ trùng thời điểm triều cao, nước dâng do sóng cộng hưởng nâng cao mực nước đưa sóng tấn công trực tiếp vào chân cồn cát cao trình $+2,5\text{ m} \to +3,5\text{ m}$, làm thụt lùi đường bờ từ 15 m đến trên 30 m chỉ sau một cơn bão.
  4. Cơ chế sụp đổ của các công trình bảo vệ bờ dạng tường cứng trực tiếp: Các kè mái nghiêng và kè đứng xây dựng dọc bãi biển làm gia tăng hiện tượng phản xạ sóng, kết hợp nước dâng do sóng dâng cao gây hiện tượng sóng tràn qua đỉnh (overtopping), đồng thời tạo dòng xoáy xói sâu chân kè từ 1,5 m đến 2,8 m, dẫn đến sập mái và phá hủy toàn bộ công trình bảo vệ phía sau.

Implications đa chiều

  • Về mặt lý thuyết: Cung cấp minh chứng thực nghiệm xác thực về sự tương tác giữa sóng ngẫu nhiên và biến động mực nước trong đới sóng tràn, làm phong phú lý thuyết hình thái động lực học bờ biển nhiệt đới gió mùa.
  • Về mặt phương pháp luận: Quy trình quan trắc sóng và mực nước bằng Video-Camera kết hợp cọc tiêu trắc diện và thuật toán nhận dạng ảnh màu RGB là phương pháp luận phi xâm nhập, chi phí thấp nhưng đạt độ chính xác cao, có thể nhân rộng cho các vùng bờ biển phức tạp trên toàn quốc.
  • Về mặt giải pháp kỹ thuật công trình: Bác bỏ hoàn toàn giải pháp xây dựng kè cứng trực tiếp bảo vệ cục bộ; khẳng định phương án tối ưu phải là giải pháp bảo vệ bờ từ xa: Tổ hợp đê ngầm giảm sóng ngoài khơi kết hợp kè mỏ hàn giữ cát và nuôi bãi nhân tạo. Đê ngầm đặt tại vị trí đới sóng vỡ ngoài làm tiêu tán năng lượng sóng trước khi truyền vào bờ, giảm biên độ nước dâng do sóng từ 50–70%, tạo điều kiện hình thành các bãi bồi ổn định dạng Tombolo phía sau đê.
  • Về mặt quy hoạch và chính sách: Đề xuất chính quyền tỉnh Quảng Nam và thành phố Hội An thiết lập hành lang bảo vệ bờ biển tối thiểu 50–100 m tính từ mép triều cao, tích hợp yếu tố nước dâng do sóng vào quy chuẩn tính toán cao trình đỉnh công trình ven biển và quy hoạch không gian du lịch sinh thái.

Limitations và Future Research

  1. Hạn chế về thời gian ghi hình camera trong điều kiện bão cực đoan: Mặc dù hệ thống camera đã thu thập thành công dữ liệu bão Doksuri (2017), nhưng trong các điều kiện mưa bão kèm gió giật cấp 12–13 vào ban đêm, việc ghi hình quang học gặp khó khăn do tầm nhìn hạn chế và thiếu ánh sáng tự nhiên.
  2. Giới hạn giả định về kích thước hạt bùn cát: Mô hình XBeach sử dụng thành phần hạt đại diện đồng nhất ($D_{50}$), chưa mô phỏng hết tính phân lớp phức tạp của trầm tích hỗn hợp cát - bùn mịn tại khu vực sát cửa sông Thu Bồn.
  3. Định hướng nghiên cứu tương lai:
    • Ứng dụng công nghệ Radar ven bờ hoặc hệ thống Stereo-Video hồng ngoại / Lidar quét 3D để thu thập dữ liệu sóng tràn và nước dâng 24/7 trong mọi điều kiện bão đêm.
    • Mở rộng mô hình hóa 3D hình thái động lực học tích hợp (Delft3D-FM kết hợp XBeach-3D) đánh giá tác động biến đổi khí hậu và nước biển dâng dài hạn trong 50–100 năm tới.
    • Nghiên cứu cơ chế vận hành tối ưu của các túi cát geotextile tube và vật liệu sinh thái làm đê ngầm giảm sóng thân thiện với môi trường du lịch.

Tác động và ảnh hưởng

  • Giá trị học thuật: Đặt nền tảng thực nghiệm đo đạc nước dâng do sóng đầu tiên tại Việt Nam, dự kiến đóng góp vào các công bố ISI/Scopus và làm tài liệu tham khảo chuẩn mực trong đào tạo sau đại học ngành Kỹ thuật Công trình Biển, Động lực học Ven biển.
  • Chuyển đổi ngành công nghiệp du lịch & Bất động sản ven biển: Cung cấp luận cứ khoa học để các tập đoàn nghỉ dưỡng tại Cửa Đại (Vinpearl, Palm Garden, Victoria, Agribank Resort...) tái cấu trúc các giải pháp kè mềm, tái tạo bãi tắm tự nhiên, cứu vãn hàng nghìn tỷ đồng tài sản hạ tầng ven bờ.
  • Hỗ trợ cơ quan quản lý nhà nước: Cung cấp luận cứ kỹ thuật trực tiếp cho Bộ Nông nghiệp và PTNT, UBND tỉnh Quảng Nam trong việc phê duyệt và triển khai Dự án tổng thể chống xói lở và bảo vệ bền vững bờ biển Hội An với nguồn vốn hỗ trợ quốc tế (AFD, WB).

Đối tượng hưởng lợi

  • Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học chuyên ngành Biển: Tiếp cận phương pháp tích hợp camera-cọc tiêu và bộ thông số mô hình XBeach/SWAN đã được hiệu chỉnh chính xác cho điều kiện bãi biển miền Trung.
  • Kỹ sư thiết kế công trình thủy công & Cảng - Đường thủy: Nắm vững quy trình tính toán mực nước tổng cộng cực trị có xét đến nước dâng do sóng, loại bỏ rủi ro vỡ kè do sóng tràn và xói chân khay.
  • Nhà hoạch định chính sách & Chính quyền đô thị Hội An: Có cơ sở khoa học tin cậy để lập bản đồ phân vùng rủi ro xói lở, cấp phép xây dựng các resort và triển khai công trình bảo vệ bờ bền vững.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào? Trả lời: Luận án đã mở rộng Lý thuyết Ứng suất bức xạ sóng của Longuet-Higgins & Stewart (1964) thông qua việc lượng hóa trực tiếp sự phân bố ứng suất bức xạ phi đối xứng và građien mực nước trong đới sóng tràn thực tế tại dải bờ biển miền Trung Việt Nam. Công trình chứng minh rằng nước dâng do sóng nâng cao mực nước mép bờ lên tới 1,22 m trong bão, chuyển dịch hoàn toàn điểm sóng đổ vào sát chân cồn cát, làm thay đổi căn bản cơ chế phá hủy bờ biển từ xói trôi đáy phẳng sang sụp đổ mảng cồn cát do mất chân khay.

2. Đột phá về phương pháp luận nghiên cứu so với các công trình trước đây là gì? Trả lời: So với các nghiên cứu trước đây (như Nguyễn Xuân Hiển, 2013 chỉ dùng công thức thực nghiệm; Đỗ Đình Chiến, 2014 dùng số liệu điều tra vết nước hồi tố), luận án tạo đột phá khi lần đầu tiên thiết lập thành công kỹ thuật quan trắc hiện trường kết hợp giữa Video-Camera kỹ thuật số và hệ thống 6 cọc tiêu quy chuẩn để trích xuất liên tục dao động mực nước mặt cắt bãi trong bão thật (bão Doksuri 2017). Phương pháp trích xuất tín hiệu màu RGB biến thiên theo thời gian giúp đo đạc trực tiếp sóng tràn và nước dâng do sóng mà không làm xáo trộn trường dòng chảy.

       QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH TRÍCH XUẤT NƯỚC DÂNG DO SÓNG

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ số liệu thực nghiệm là gì? Trả lời: Kết quả đo lưu tốc thực tế tại trạm sóng đổ SCR1 (độ sâu $-1,2\text{ m} \to -1,8\text{ m}$) cho thấy vận tốc dòng chảy dọc bờ không hình thành quy luật rõ rệt trong thời điểm bão, mà dòng chảy dao động ngang bờ vuông góc với bãi chiếm ưu thế tuyệt đối. Điều này khẳng định trong bão, cát không bị cuốn trôi dọc bờ sang khu vực lân cận mà bị kéo thẳng ra vùng biển sâu tạo thành các đụn cát ngầm, bác bỏ quan điểm cho rằng xây mỏ hàn đơn lẻ là đủ để giữ bãi trong bão.

4. Luận án có cung cấp quy trình nhân rộng (replication protocol) rõ ràng không? Trả lời: Luận án xây dựng quy trình chi tiết gồm: Sơ đồ bố trí cọc tiêu trắc diện ngoài hiện trường, quy chuẩn định dạng file video, thuật toán trích xuất khung hình đại diện, sơ đồ giải thuật đọc dữ liệu màu RGB và công thức chuẩn hóa pixel thành độ dài thực nghiệm ($Bảng\ 2.6, 2.7$), cho phép các nhóm nghiên cứu khác tái lập hoàn toàn quy trình quan trắc tại bất kỳ bãi biển nào.

5. Chương trình nghị sự nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo như thế nào? Trả lời: Luận án định hình chương trình nghiên cứu 10 năm tập trung vào: (1) Xây dựng mạng lưới camera thông minh AI tự động quan trắc cảnh báo xói lở ven biển thời gian thực; (2) Tích hợp mô hình dự báo bão - sóng - nước dâng do sóng độ phân giải cao phục vụ vận hành hồ chứa và sơ tán dân cư ven biển miền Trung; (3) Thử nghiệm và hoàn thiện công nghệ đê ngầm rạn san hô nhân tạo kết hợp nuôi bãi tái tạo bờ biển du lịch.

Kết luận

  1. Lượng hóa chính xác nước dâng do sóng: Xác định nước dâng do sóng tại Cửa Đại trong bão đạt từ 0,65 m đến 1,22 m, chiếm 25–35% tổng lượng nước dâng ven bờ, là nhân tố động lực quyết định gây ngập lụt và xói lở bãi cao.
  2. Làm rõ cơ chế phá hủy bãi biển trong bão: Chứng minh sự kết hợp giữa nước dâng do sóng và sóng tràn làm dịch chuyển vùng sóng vỡ vào sát bờ, kích hoạt cơ chế sụt trượt cồn cát và vận chuyển bùn cát ngang bờ ra khơi.
  3. Đột phá về công nghệ quan trắc thực địa: Xây dựng và chuẩn hóa thành công phương pháp đo đạc dao động mực nước mặt cắt bờ bằng công nghệ Video-Camera kết hợp cọc tiêu trắc diện và thuật toán xử lý ảnh RGB.
  4. Hiệu chỉnh thành công bộ mô hình số trị SWAN - XBeach: Thiết lập bộ thông số mô hình có độ tin cậy cao ($R^2 > 0,88$) mô phỏng chính xác quá trình lan truyền sóng, nước dâng và biến đổi địa hình mặt cắt bãi qua các mùa và các cơn bão điển hình.
  5. Đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bờ bền vững: Khẳng định tính ưu việt của giải pháp tổng thể đê ngầm giảm sóng ngoài khơi kết hợp kè mỏ hàn và nuôi bãi nhân tạo, thay thế hoàn toàn giải pháp kè cứng bảo vệ trực tiếp bờ biển.
  6. Mở ra 3 hướng nghiên cứu mới: Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) trong giám sát camera vùng bờ; Mô hình hóa 3D tương tác sóng - đê ngầm - bùn cát; và Quy hoạch thích ứng không gian dải ven biển miền Trung ứng phó biến đổi khí hậu toàn cầu.