Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu tương tác sóng - đảo Phú Quý và đề xuất giải pháp giảm sóng quanh đảo" do nghiên cứu sinh Mai Quang Khoát thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Mai Văn Công và GS.TS. Phạm Ngọc Quý, bảo vệ tại Trường Đại học Thủy lợi năm 2021 thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy (mã số: 9580202).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sóng biển là yếu tố động lực học biển chi phối trực tiếp đến độ ổn định của đới bờ, bãi biển và hình thái đường bờ. Tại Việt Nam, nhiều đề tài và dự án đã được triển khai nhằm điều tra hiện trạng xói lở, bồi tụ và diễn biến hình thái tại các vùng cửa sông, bờ biển ven bờ lục địa. Tuy nhiên, các nghiên cứu chuyên sâu về trường sóng lan truyền từ ngoài khơi tương tác với vùng ven bờ các đảo ngoài khơi (bao gồm các hiện tượng khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ và sóng vỡ) cũng như tác động của chúng đến biến động hình thái bờ đảo còn rất hạn chế.

Huyện đảo Phú Quý (tỉnh Bình Thuận) là quần đảo gồm 10 đảo lớn nhỏ, trong đó đảo Phú Quý là đảo lớn nhất, giữ vị trí chiến lược về phát triển kinh tế biển và an ninh quốc phòng khu vực Nam Trung Bộ. Trong những năm gần đây, dưới tác động của trường sóng lớn trong các đợt gió mùa và bão, hiện tượng xói lở bờ bãi quanh đảo diễn ra thường xuyên và có xu thế gia tăng. Hoạt động xây dựng các công trình dân dụng, hệ thống đê kè bảo vệ bờ phía Tây và đê phá sóng mở rộng cảng cá phía Nam đã làm phân bố lại trường sóng, dòng chảy ven bờ và chế độ bồi xói cục bộ. Do đó, việc nghiên cứu tương tác sóng - đảo và đề xuất các giải pháp công trình giảm sóng nhằm bảo vệ bờ, duy trì bãi cát phục vụ dân sinh và du lịch là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Mô phỏng và xác định trường sóng quanh vùng bờ đảo theo các mùa gió thịnh hành và đánh giá tương tác của trường sóng (nhiễu xạ, khúc xạ, phản xạ) với đảo Phú Quý.
  2. Đề xuất các giải pháp công trình làm giảm năng lượng sóng tác động trực tiếp vào đường bờ đảo nhằm tăng cường ổn định bờ, khôi phục bãi ven đảo phục vụ phòng chống thiên tai và phát triển kinh tế - xã hội bền vững.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vùng bờ biển quanh đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận; sự lan truyền sóng biển từ ngoài khơi vào vùng ven bờ đảo và tương tác giữa sóng biển với vùng bờ đảo cùng các công trình giảm sóng.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Khu vực biển và đường bờ bao quanh đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận.
    • Nội dung: Đánh giá trường sóng quanh đảo theo các hướng gió mùa thịnh hành (gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam) cùng các tổ hợp bão thiết kế; khảo sát các hiện tượng khúc xạ, nhiễu xạ tại vùng khuất sóng, phản xạ và sóng vỡ; nghiên cứu các phương án bố trí và kết cấu đê phá sóng giảm năng lượng sóng tác động trực tiếp lên bờ đảo.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Các cơ sở lý thuyết về sóng biển được đặt nền móng từ lý thuyết sóng đơn của Russell (1840) và lý thuyết sóng tuyến tính biên độ nhỏ của Airy (1845). Các hiện tượng lan truyền và biến đổi sóng tiếp tục được phát triển bởi Harrison (1848), Johnson (1919) và William Morris Davis về hiện tượng khúc xạ sóng. O'Brien và Mason (1940), Penney và Price (1944), Sommerfeld, Putnam và Arthur (1948) đã xây dựng các nghiệm giải tích và đồ họa cho hiện tượng nhiễu xạ sóng qua vật cản. Arthur (1946, 1951) đã công bố các nghiên cứu về sự khúc xạ và nhiễu xạ sóng xung quanh các đảo có đường đẳng sâu tròn đồng tâm, chỉ ra vai trò của địa hình đáy nông và sự biến thiên hướng sóng tới vùng khuất sau đảo.

Cuối thập niên 1950, Pierson đưa ra hướng tiếp cận coi sóng biển là quá trình ngẫu nhiên và chuẩn dừng thông qua phân tích phổ sóng. Tại Liên Xô, Zenkovish (1950), Loginov, Leontriev đã nghiên cứu tác động của sóng đến hình thái đường bờ. Năm 1951, Beach Erosion Board (BEB) do J. Spencer Smith lãnh đạo tại Mỹ đã thực hiện các nghiên cứu về vận chuyển bùn cát và xói lở bờ biển. Kế thừa các kết quả này, Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Bờ biển Quân đội Mỹ (CERC) đã ban hành Cẩm nang Bảo vệ Bờ biển (Shore Protection Manual - SPM) qua các phiên bản 1975, 1977, 1984.

Về công cụ mô phỏng số trị:

  • Mô hình sóng ven bờ: RCPWAVE (CERC, 1985) dựa trên phương trình Mild-Slope của Berkhoff (1972); HINDWAVE (Viện Thủy lực Wallingford, Anh); MIKE 21 (Viện Thủy lực Đan Mạch - DHI); Phatos (Kostensen, 1986).
  • Mô hình biến động đường bờ và đáy biển: GENESIS (Hải quân Mỹ và Đại học Lund, 1989); UNIBEST (Delft Hydraulics, 1990); LITPACK (DHI, 1991); NPM (Wallingford, 1993); XBeach (Roelvink và cộng sự, 2009).
  • Nghiên cứu sóng tương tác với đảo: Chao và cộng sự (2006) mô phỏng sự phản xạ và nhiễu xạ của sóng đơn nội tại qua đảo san hô Dongsha ở Biển Đông bằng mô hình thủy tĩnh 3D có xét đến hiệu ứng Coriolis; Jia và cộng sự (2018) kết hợp mô hình khúc xạ phi tuyến với dữ liệu ảnh viễn thám vệ tinh SAR (Envisat ASAR, TerraSAR-X) để quan sát sự kết nối lại của các nhánh sóng phía sau đảo Dongsha.

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, các nghiên cứu động lực học sóng và hình thái bờ biển ven lục địa đã được triển khai từ sớm:

  • GS. Lương Phương Hậu và cộng sự (1992) nghiên cứu trường sóng và vận chuyển bùn cát tại cửa sông Nam Triệu, Soài Rạp và vùng ven biển Thuận An, Hòa Duân.
  • PGS.TSKH. Nguyễn Văn Cư chủ trì nghiên cứu trường khúc xạ sóng và sa bồi luồng tàu cảng Hải Phòng.
  • PGS. Nguyễn Thọ Sáo thực hiện mô hình toán phân bố sóng và vận chuyển bùn cát (đề tài KT-03-14, 1991–1995).
  • GS.TSKH. Phạm Văn Ninh và TS. Nguyễn Mạnh Hùng (Viện Cơ học) chủ trì đề tài cấp nhà nước KHCN 06.07 về tính toán sóng, dòng chảy sóng và biến động đường bờ.

Đối với khu vực hải đảo, các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào mô hình kinh tế sinh thái hoặc khảo sát công trình quốc phòng: Đề tài KC09-12 và đề tài độc lập 2000/01 do GS. Lê Đức Tố chủ nhiệm; các nghiên cứu giải pháp chống xói lở đảo Trường Sa do GS. Nguyễn Hoa Thịnh và PGS. Hoàng Xuân Lượng (Học viện Kỹ thuật Quân sự, 1995–2005) thực hiện; các khảo sát khí tượng hải văn tại quần đảo Trường Sa và nhà giàn DK do Trịnh Việt An (Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 1994–1996) chủ trì; nghiên cứu biến động cực trị khí tượng thủy văn đảo miền Trung do TS. Kiều Xuân Tuyền (2013–2015) chủ trì.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu trong nước trước đây tập trung vào vùng bờ lục địa hoặc nghiên cứu định tính, kinh tế sinh thái cho vùng đảo. Luận án của NCS. Mai Quang Khoát tập trung giải quyết khoảng trống về việc ứng dụng chuỗi mô hình toán số trị hiện đại kết hợp dữ liệu viễn thám nhiều thời kỳ để phân tích định lượng trường sóng tương tác với địa hình quanh đảo ngoài khơi (đảo Phú Quý), làm rõ hiện tượng nhiễu xạ tại vùng khuất sóng và đề xuất giải pháp công trình đê giảm sóng ngầm/đỉnh thấp phù hợp với điều kiện tự nhiên của đảo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  1. Lý thuyết sóng tuyến tính biên độ nhỏ (Sóng Airy): Sóng hình sin lan truyền trên lớp nước có độ sâu $h$, dao động mặt nước được mô tả qua phương trình: $$\eta = \frac{H}{2} \cos\left[2\pi\left(\frac{x}{L} - \frac{t}{T}\right)\right]$$ Vận tốc truyền sóng $c = L/T$, hệ thức tán sắc: $c/c_0 = \tanh(kh) = L/L_0$.
  2. Các quá trình biến đổi sóng:
    • Khúc xạ: Biến đổi vận tốc truyền sóng và hướng mặt sóng theo độ sâu theo định luật Snell: $\frac{\sin\alpha}{\sin\alpha_0} = \frac{L}{L_0} = \frac{c}{c_0}$.
    • Phản xạ: Hiện tượng sóng đổi hướng khi gặp biên cứng thẳng đứng, tạo ra sóng đứng (standing waves).
    • Nhiễu xạ: Hiện tượng sóng lan truyền bẻ cong xung quanh vật cản (mũi đảo, đê chắn sóng) do sự bức xạ và phân tán năng lượng sang vùng bóng tối khuất sóng.
    • Sóng vỡ: Xác định theo tiêu chí độ dốc sóng ($H/L \le 1/7$) và tỷ số chiều cao sóng trên độ sâu nước ($\gamma = H/h \approx 0{,}78$, thực tế dao động từ 0,2 đến 0,78 tùy độ dốc bãi).
  3. Cơ chế tiêu hao năng lượng qua đê phá sóng: Năng lượng sóng tới ($H_i$) bị tiêu tán chủ yếu qua sóng vỡ trên đỉnh đê, sóng phản xạ tại mái đê phía biển, ma sát đáy và truyền qua thân đê ($H_t$).
  4. Công thức tính toán kết cấu công trình:
    • Công thức Hudson tính khối lượng khối phủ mái đê: $$M = \frac{\gamma_r H_D^3}{K_D \left(\frac{\gamma_r}{\gamma_w} - 1\right)^3 \cot\alpha}$$
    • Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 12261:2018 áp dụng tính toán kích thước tầng đệm, cơ chân đê và đường kính đá bảo vệ chân đê ($D_{n50}$).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp bốn nhóm phương pháp tiếp cận và kỹ thuật phân tích:

Nhóm phương pháp Kỹ thuật & Công cụ áp dụng Mục đích / Dữ liệu đầu vào
Phương pháp viễn thám & GIS Google Earth Engine (GEE), chỉ số mNDWI, chỉ số WFI, phần mềm DSAS (Digital Shoreline Analysis System) Trích xuất đường bờ tự động từ ảnh vệ tinh Landsat (2000–2020), tính toán các chỉ số biến động đường bờ: EPR (End Point Rate), LRR (Linear Regression Rate), LCI90 (Khoảng tin cậy 90%).
Phương pháp xử lý số liệu thực tế Thống kê số liệu quan trắc khí tượng hải văn, số liệu đo đạc mặt cắt ngang bãi Phân tích hoa gió, hoa sóng 40 năm (1979–2019); xử lý số liệu đo sóng tại trạm P1 (18/12/2012 – 03/01/2013); đo vẽ 24 mặt cắt địa hình quanh đảo.
Phương pháp mô hình toán số trị Bộ phần mềm MIKE 21-SW, MIKE 21-BW (so sánh đối sánh với XBeach) - MIKE 21-SW: Mô phỏng truyền sóng phổ từ ngoài khơi vào vùng nước ven bờ đảo trên lưới phi cấu trúc.
- MIKE 21-BW: Mô phỏng chi tiết miền thu hẹp bước lưới mịn (5m), giải phương trình Boussinesq xét đầy đủ sóng phi tuyến, sóng vỡ, phản xạ và nhiễu xạ quanh đảo và qua công trình đê.
Phân tích đa tiêu chí Khung ma trận đánh giá kỹ thuật, kinh tế, môi trường cảnh quan So sánh, lựa chọn phương án cao trình đỉnh đê ($Z_d$), hình thức tuyến đê (liên tục vs phân đoạn) và loại khối phủ mái đê.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu tương tác giữa sóng và bờ đảo

Chương 1 hệ thống hóa các cơ sở lý luận về động lực học sóng biển ven bờ và tổng thuật tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:

  • Phân tích cơ chế vật lý của các hiện tượng lan truyền sóng: sự hình thành sóng do gió, sự tiêu tán và phân tán sóng lừng, các quá trình khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và các dạng sóng vỡ (sóng nhào, sóng đổ, sóng trào).
  • Tổng kết các dạng công trình bảo vệ bờ biển được chia thành hai nhóm chính:
    • Bảo vệ chủ động: Các công trình kiểm soát năng lượng sóng từ xa và giữ cát, bồi bãi như mỏ hàn (groins), đê chắn sóng ngoài khơi (offshore breakwaters), đê ngầm, ngưỡng ngầm và giải pháp nuôi bãi nhân tạo (beach nourishment).
    • Bảo vệ bị động: Các công trình ngăn chặn tác động phá hoại trực tiếp tại tuyến bờ như kè bờ cứng, tường chắn sóng (seawalls).
  • Tổng quan hiện trạng các công trình bảo vệ bờ đã xây dựng tại đảo Phú Quý: Kè chống xâm thực ổn định bờ biển đảo Phú Quý (Giai đoạn 1 và Giai đoạn 2), Đê khu neo đậu tránh trú bão cho tàu cá huyện Phú Quý, công trình cải tạo đê chắn sóng cảng Phú Quý.

Chương 2: Nghiên cứu đánh giá hiện trạng biến động đường bờ dưới tác động của trường sóng quanh đảo Phú Quý

Chương 2 tập trung phân tích các điều kiện tự nhiên và đánh giá định lượng diễn biến đường bờ đảo Phú Quý:

  • Điều kiện tự nhiên: Đảo Phú Quý chịu ảnh hưởng của chế độ gió mùa rõ rệt với hai hướng gió chính: Gió mùa Đông Bắc (từ tháng 10 đến tháng 4 năm sau) và gió mùa Tây Nam (từ tháng 5 đến tháng 9). Luận án phân tích chuỗi số liệu sóng 40 năm (1979–2019) và tần suất xuất hiện sóng cực trị giai đoạn 1980–2020.
  • Phân chia đường bờ đảo: Dựa trên hình thái bãi và hướng sóng thịnh hành, bờ đảo được chia thành các khu vực: Bờ Bắc, Bờ Đông, Bờ Tây Nam và Bờ Tây.
  • Kết quả giải đoán ảnh viễn thám giai đoạn 2000–2020: Ứng dụng công cụ DSAS xử lý chuỗi ảnh vệ tinh Landsat trên nền tảng GEE qua các chỉ số mNDWI và WFI cho 3 xã (Long Hải, Ngũ Phụng, Tam Thanh):
    • Khu vực bờ Bắc và bờ Đông có xu thế xói lở mạnh và liên tục dưới tác động trực diện của sóng mùa Đông Bắc.
    • Phân tích tương quan giữa hai chỉ số EPR và LRR cho thấy độ tin cậy cao của phương pháp giải đoán đường bờ vệ tinh.
  • Phân tích cơ chế biến động qua số liệu quan trắc 24 mặt cắt ngang bãi:
    • Quá trình xói lở tại đảo Phú Quý chủ yếu diễn ra theo cơ chế dịch chuyển bùn cát ngang bờ trong vùng sóng vỡ.
    • Các yếu tố dân sinh (hoạt động xây dựng cảng Phú Quý, hầm nuôi hải sản thôn Đông Hải, bè nuôi cá bờ Đông) cùng với đặc điểm nền địa chất san hô và đá bazan phân hóa là các yếu tố tác động cộng hưởng đến xói lở bờ.

Chương 3: Cơ sở khoa học mô phỏng sóng lan truyền vào vùng bờ đảo và sự tương tác sóng với đảo Phú Quý

Chương 3 thiết lập công cụ mô hình toán phục vụ mô phỏng trường sóng:

  • Lựa chọn mô hình: Sau khi phân tích so sánh giữa các mô hình MIKE 21-SW, MIKE 21-BW và XBeach, luận án lựa chọn giải pháp kết hợp chuỗi mô hình:
    • Mô hình toàn thể (MIKE 21-SW): Dùng để mô phỏng sự lan truyền sóng phổ từ vùng nước sâu ngoài khơi vào vùng nước ven bờ đảo.
    • Mô hình thu hẹp chi tiết (MIKE 21-BW): Dùng bước lưới trực giao mịn ($\Delta x = \Delta y = 5\text{ m}$) bao quanh đảo để mô phỏng tương tác sóng phi tuyến, sóng vỡ và trường sóng nhiễu xạ quanh đảo cũng như qua các phương án công trình giảm sóng.
  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình:
    • Sử dụng chuỗi số liệu đo đạc thực tế thông số sóng ($H_{m0}, H_{10}, H_{\max}, T_p, T_{m02}, \text{DirTp}$) tại trạm P1 ngoài khơi đảo Phú Quý từ ngày 18/12/2012 đến ngày 03/01/2013 để kiểm định mô hình MIKE 21-SW. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp cao giữa số liệu tính toán và số liệu đo đạc thực tế.
+-------------------------------------------------------------------+
|                        MIKE 21-SW (Biên rộng)                      |
|  - Mô phỏng phổ sóng lan truyền từ ngoài khơi vào vùng biển đảo   |
|  - Kiểm định bằng số liệu đo đạc trạm P1 (12/2012 - 01/2013)      |
+---------------------------------+---------------------------------+
                                  | (Điều kiện biên sóng)
                                  v
+-------------------------------------------------------------------+
|                        MIKE 21-BW (Biên hẹp)                       |
|  - Lưới ô vuông trực giao chi tiết (5m x 5m) quanh đảo            |
|  - Mô phỏng Boussinesq: Khúc xạ, Phản xạ, Nhiễu xạ, Sóng vỡ       |
|  - Đánh giá trường sóng trước và sau khi bố trí đê giảm sóng      |
+-------------------------------------------------------------------+

Chương 4: Mô phỏng sóng trong bão thiết kế tương tác với đảo Phú Quý và đề xuất giải pháp giảm sóng phù hợp

Chương 4 thực hiện mô phỏng các kịch bản sóng bão thiết kế và tính toán giải pháp công trình:

  • Mô phỏng trường sóng trong bão thiết kế (tần suất $P = 2%$):
    • Trường hợp sóng hướng Đông Bắc: Chiều cao sóng trong vùng sóng vỡ tác động trực tiếp lên bờ Bắc, Đông Bắc và Đông đảo (đoạn từ MC1 đến MC17) rất lớn, đạt $H_s = 2{,}2\text{ m} - 3{,}5\text{ m}$. Sóng tạo ra hiện tượng nhiễu xạ lớn truyền vòng qua hai đầu mũi đảo tác động sang vùng bờ khuất sóng phía Tây.
    • Trường hợp sóng hướng Tây Nam: Chiều cao sóng sát bờ phía Tây trực diện chỉ đạt $H_s < 1{,}0\text{ m}$, hiện tượng sóng giao thoa và nhiễu xạ sang phía bờ Đông không đáng kể.
  • Nghiên cứu các phương án bố trí và kết cấu đê giảm sóng:
    • Luận án xây dựng 3 kịch bản bố trí: HT00 (Hiện trạng chưa có đê), HT01 (Hệ thống đê giảm sóng liên tục), HT02 (Hệ thống 11 đoạn đê giảm sóng phân đoạn).
    • Khảo sát 3 phương án cao trình đỉnh đê: Đê nhô ($Z_d = +3{,}00\text{ m}$), Đê đỉnh thấp ($Z_d = +0{,}50\text{ m}$ - Phương án CT2), Đê ngầm ($Z_d = -1{,}00\text{ m}$ - Phương án CT3).
  • Kết quả mô phỏng giảm sóng:
    • Khi có hệ thống đê giảm sóng liên tục (HT01) với đỉnh thấp ($Z_d = +0{,}50\text{ m}$), chiều cao sóng sau đê tại các mặt cắt xung yếu (như MC13, MC14) giảm mạnh từ $2{,}2 - 3{,}5\text{ m}$ xuống chỉ còn $0{,}4 - 0{,}6\text{ m}$ (đáp ứng tiêu chí thiết kế $H_s < 1{,}0\text{ m}$). Chu kỳ sóng $T_p$ sau đê cũng suy giảm đáng kể.
Kịch bản mặt bằng Cao trình đỉnh đê ($Z_d$) Chiều cao sóng trước đê ($H_s$) Chiều cao sóng sau đê ($H_s$) Đánh giá kỹ thuật & cảnh quan
HT00 (Hiện trạng) Không có đê $2{,}2\text{ m} - 3{,}5\text{ m}$ $2{,}2\text{ m} - 3{,}5\text{ m}$ Xâm thực xói lở mạnh bờ Bắc và bờ Đông đảo.
HT01 (Đê liên tục) $+0{,}50\text{ m}$ (Đỉnh thấp - CT2) $2{,}5\text{ m} - 3{,}5\text{ m}$ $0{,}4\text{ m} - 0{,}6\text{ m}$ Phương án chọn: Giảm sóng tối ưu, đảm bảo mỹ quan bãi tắm du lịch.
HT02 (Đê phân đoạn) $+0{,}50\text{ m}$ (11 phân đoạn) $2{,}5\text{ m} - 3{,}5\text{ m}$ $0{,}8\text{ m} - 1{,}2\text{ m}$ Xuất hiện hiện tượng nhiễu xạ sóng qua các cửa mở giữa các đoạn đê.
  • Thiết kế chi tiết kết cấu đê phá sóng (Phụ lục 3):
    • Áp dụng công thức Hudson tính toán khối lượng khối phủ mái đê bảo vệ với chiều cao sóng thiết kế tại chân công trình $H_{13%} = 4{,}34\text{ m}$: Đá đổ yêu cầu $M = 9{,}1\text{ tấn}$; Tetrapod yêu cầu $M = 7{,}4\text{ tấn}$ ($K_D = 8$); khối Haro chỉ yêu cầu $M = 3{,}7\text{ tấn}$ ($K_D = 12$). Luận án kiến nghị chọn khối Haro đúc sẵn trọng lượng $M_{50} = 5{,}0\text{ tấn}$ ($D_{n50} = 1{,}29\text{ m}$) để tăng cường độ ổn định.
    • Thiết kế cấu tạo 3 lớp theo TCVN 12261:2018: Lớp khối phủ Haro 5,0 tấn; lớp tầng đệm đá hạt $500 - 1000\text{ kg}$; lõi đê đá hộc.
    • Cao trình đỉnh cơ chân đê xác định trong khoảng $-5{,}27\text{ m} < Z_{cd} < -0{,}84\text{ m}$; lớp đá bảo vệ chân đê có đường kính $D_{n50} = 0{,}60\text{ m}$, khối lượng viên đá $G = 300 - 700\text{ kg}$.

Kết quả và những đóng góp mới

Kết quả nghiên cứu chính

  1. Làm sáng tỏ bức tranh thủy động lực học sóng quanh đảo Phú Quý: xác định định lượng trường sóng, sự biến đổi chiều cao sóng và hiện tượng nhiễu xạ năng lượng sóng qua hai đầu mũi đảo sang vùng khuất sóng phía bờ Tây trong các mùa gió đặc trưng và bão thiết kế.
  2. Ứng dụng thành công phương pháp viễn thám đa thời gian kết hợp công cụ DSAS để lượng hóa tốc độ xói lở và bồi tụ đường bờ đảo Phú Quý trong 20 năm (2000–2020), xác định đoạn bờ xung yếu kéo dài từ mặt cắt 1-1 đến 17-17 (bờ Bắc, Đông Bắc và Đông đảo).
  3. Đánh giá chi tiết hiệu quả thủy lực giảm sóng của các phương án đê phá sóng xa bờ, chứng minh phương án đê liên tục đỉnh thấp ($Z_d = +0{,}50\text{ m}$) sử dụng khối phủ Haro có hiệu quả tiêu tán năng lượng sóng cao nhất, kiểm soát chiều cao sóng sau đê $H_s < 1{,}0\text{ m}$ trong bão thiết kế $P = 2%$.

Những đóng góp mới của luận án

Luận án tự xác định 2 đóng góp mới về mặt học thuật và thực tiễn:

  1. Về mặt khoa học: Bằng tính toán đã xác định được quy luật phân bố trường sóng quanh đảo Phú Quý theo các mùa gió đặc trưng, làm cơ sở khoa học để xác định các điều kiện biên thủy hải văn trong công tác quy hoạch, thiết kế và xây dựng các công trình bảo vệ bờ và hạ tầng ven đảo.
  2. Về mặt thực tiễn: Đề xuất được giải pháp giảm sóng xa bờ phù hợp, đáp ứng đa mục tiêu: bảo vệ bờ, duy trì cảnh quan phục vụ du lịch, áp dụng cho bờ phía Bắc và phía Đông đảo Phú Quý.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Luận án mới chỉ khảo sát tương tác đơn lẻ của trường sóng với đảo Phú Quý mà chưa xét đến sự kết hợp đồng thời giữa sóng và dòng chảy biển tác động đến trường sóng nhiễu xạ xung quanh bờ đảo và sau công trình.
  • Do điều kiện số liệu đo đạc thực tế ngoài hải đảo còn hạn chế, luận án mới chỉ thực hiện hiệu chỉnh và kiểm định đối với mô hình sóng biên rộng MIKE 21-SW; mô hình thu hẹp sóng Boussinesq (MIKE 21-BW) chưa được kiểm định trực tiếp bằng số liệu đo đồng thời tại chân công trình.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Thiết lập mô hình mô phỏng trường dòng chảy riêng biệt khi tương tác với đảo để đánh giá mức độ lan truyền dòng chảy ven bờ đảo.
  2. Mô phỏng bài toán tương tác tổng hợp kết hợp giữa sóng và dòng chảy tác động lên đảo Phú Quý.
  3. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả gây bồi bùn cát của hệ thống đê giảm sóng và tác động lâu dài của chúng đến biến động hình thái đáy và bờ đảo.
  4. Nghiên cứu đánh giá các giải pháp kết hợp công trình và phi công trình (kết hợp đê ngầm giảm sóng với giải pháp nuôi bãi nhân tạo) nhằm khôi phục các bãi tắm ven đảo.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Cơ sở đào tạo và viện nghiên cứu: Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy, Kỹ thuật Công trình Biển, Kỹ thuật Bờ biển và Hải dương học có thể tham khảo phương pháp luận thiết lập chuỗi mô hình số trị kết hợp (MIKE 21-SW và MIKE 21-BW) cùng kỹ thuật phân tích biến động đường bờ bằng Google Earth Engine và công cụ DSAS.
  • Cơ quan quản lý và tư vấn thiết kế: Các cơ quan quản lý nhà nước về phòng chống thiên tai, Ban Quản lý dự án nông nghiệp và giao thông tỉnh Bình Thuận, UBND huyện đảo Phú Quý có cơ sở khoa học tin cậy để lập quy hoạch bảo vệ dải ven bờ, thiết kế chi tiết các tuyến đê giảm sóng xa bờ sử dụng khối Haro và bố trí các công trình hạ tầng cảng, khu neo đậu tàu thuyền tránh trú bão.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án lựa chọn bộ mô hình toán nào để mô phỏng trường sóng quanh đảo Phú Quý?

Luận án sử dụng bộ mô hình MIKE do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển, bao gồm: mô hình MIKE 21-SW để mô phỏng sự lan truyền phổ sóng từ ngoài khơi vào vùng biển ven đảo trên lưới phi cấu trúc, và mô hình MIKE 21-BW (dựa trên hệ phương trình sóng Boussinesq phi tuyến) với bước lưới 5m để mô phỏng chi tiết các quá trình khúc xạ, phản xạ, nhiễu xạ và sóng vỡ quanh đảo và qua công trình đê.

2. Dữ liệu thực tế nào được sử dụng để kiểm định mô hình sóng trong luận án?

Mô hình MIKE 21-SW được hiệu chỉnh và kiểm định bằng chuỗi số liệu đo đạc sóng thực tế liên tục từ ngày 18/12/2012 đến ngày 03/01/2013 tại trạm đo P1 đặt tại vùng biển ngoài khơi đảo Phú Quý (bao gồm các thông số $H_{m0}, H_{10}, H_{\max}, T_p, T_{m02}, \text{DirTp}$).

3. Hướng sóng bão nào gây xói lở và tác động nguy hiểm nhất đến bờ đảo Phú Quý?

Kết quả mô phỏng cho thấy sóng trong bão thiết kế xuất hiện theo hướng Đông Bắc gây tác động mạnh nhất lên toàn bộ dải bờ phía Bắc, Đông Bắc và Đông của đảo (từ mặt cắt 1-1 đến mặt cắt 17-17), với chiều cao sóng trong vùng sóng vỡ đạt từ $2{,}2\text{ m}$ đến $3{,}5\text{ m}$, đồng thời gây ra trường sóng nhiễu xạ lớn truyền sang vùng bờ khuất phía Tây. Sóng theo hướng Tây Nam tác động yếu hơn nhiều với chiều cao sóng sát bờ $H_s < 1{,}0\text{ m}$.

4. Phương án công trình giảm sóng nào được luận án đề xuất lựa chọn tối ưu?

Luận án đề xuất lựa chọn phương án hệ thống đê giảm sóng xa bờ dạng đỉnh thấp/ngầm ($Z_d = +0{,}50\text{ m}$ - Phương án CT2), bố trí dạng tuyến liên tục (HT01) bảo vệ dải bờ phía Đông và Đông Bắc đảo. Phương án này giảm chiều cao sóng sau đê xuống còn $0{,}4 - 0{,}6\text{ m}$ trong điều kiện bão thiết kế tần suất $P = 2%$, đồng thời bảo tồn cảnh quan mặt nước phục vụ du lịch.

5. Vì sao khối phủ Haro được chọn cho kết cấu mái đê thay vì đá đổ hay Tetrapod?

Theo tính toán bằng công thức Hudson với sóng thiết kế $H_{13%} = 4{,}34\text{ m}$, khối Haro có hệ số ổn định cao ($K_D = 12$), yêu cầu khối lượng khối phủ chỉ $3{,}7\text{ tấn}$ (luận án chọn cấu kiện đúc sẵn $5{,}0\text{ tấn}$ để tăng an toàn), thấp hơn đáng kể so với Tetrapod ($7{,}4\text{ tấn}$, $K_D = 8$) và đá đổ ($9{,}1\text{ tấn}$, $K_D = 3$), mang lại hiệu quả vượt trội về mặt kỹ thuật và tiết kiệm chi phí thi công.

Kết luận

Luận án của NCS. Mai Quang Khoát đã giải quyết bài toán tương tác sóng - bờ đảo tại đảo Phú Quý thông qua việc tích hợp phương pháp viễn thám đa thời gian (GEE, DSAS) và chuỗi mô hình số trị thủy động lực (MIKE 21-SW, MIKE 21-BW). Kết quả nghiên cứu đã làm rõ quy luật phân bố trường sóng, xác định dải bờ phía Bắc và phía Đông đảo là khu vực chịu tác động xói lở trọng điểm trong mùa gió Đông Bắc. Trên cơ sở đó, giải pháp đê giảm sóng xa bờ đỉnh thấp ($Z_d = +0{,}50\text{ m}$) bố trí liền tuyến bằng khối phủ Haro 5,0 tấn đã được đề xuất và chứng minh đạt hiệu quả giảm chiều cao sóng xuống dưới $1{,}0\text{ m}$, cung cấp luận cứ khoa học phục vụ công tác quy hoạch, thiết kế công trình bảo vệ bờ và phát triển bền vững huyện đảo Phú Quý.