Tổng quan nghiên cứu

Bãi biển Cửa Tùng thuộc huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị từng được ví như "nữ hoàng của các bãi tắm" nhờ dải cát mịn màng dài gần 1 km và cảnh quan thiên nhiên độc đáo. Tuy nhiên, trong hơn hai thập kỷ qua, khu vực này đối mặt với hiện tượng xói lở nghiêm trọng làm thu hẹp nghiêm trọng diện tích bãi biển. Điển hình vào năm 2010, đợt thiên tai mưa lũ kéo dài kết hợp triều cường đã phá hủy hoàn toàn 150 m trong tổng số 1.000 m tuyến bờ kè chắn sóng, đe dọa trực tiếp đến đời sống dân cư và gây thiệt hại nặng nề cho hạ tầng du lịch địa phương.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ sự suy giảm bãi cát do tác động tổng hợp giữa các yếu tố tự nhiên khắc nghiệt và các công trình can thiệp nhân tạo. Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu toàn diện chế độ thủy động lực, xác định cơ chế vận chuyển bùn cát và nguyên nhân gây xói lở bãi biển, từ đó tính toán đề xuất phương án nuôi bãi nhân tạo bền vững nhằm khôi phục không gian bãi tắm Cửa Tùng.

Phạm vi nghiên cứu bao quát đoạn bờ biển dài 10 km (gồm 5 km phía bờ Bắc và 5 km phía bờ Nam Cửa Tùng) cùng hạ lưu sông Bến Hải kéo dài từ cầu Hiền Lương ra tới biển, nằm trong tọa độ địa lý từ 16°96' đến 17°07' vĩ độ Bắc và từ 107°05' đến 107°08' kinh độ Đông. Chuỗi số liệu hải văn khí tượng được phân tích trong giai đoạn 20 năm (1990–2009) kết hợp các đợt khảo sát trắc đạc địa hình chi tiết vào năm 2012.

Ý nghĩa của đề tài được khẳng định qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật mềm với độ tin cậy cao, thay thế cho các giải pháp công trình cứng vốn dễ gây mất mỹ quan và gia tăng xói lở thứ cấp, góp phần phục hồi hệ sinh thái biển và tạo động lực phát triển kinh tế du lịch cho tỉnh Quảng Trị.

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 thạch động lực học biển hiện đại:

Thứ nhất, lý thuyết thủy lực dòng chảy hai chiều dựa trên hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds kết hợp với các giả thiết Boussinesq và áp suất thủy tĩnh để mô tả động lực học dòng chảy tổng hợp do triều, gió và dòng sông.

Thứ hai, lý thuyết truyền sóng phi tuyến và bảo toàn mật độ tác động sóng trong vùng nước nông, mô phỏng các hiện tượng sóng vỡ, khúc xạ, tiêu tán năng lượng do ma sát đáy và tương tác sóng - dòng chảy.

Thứ ba, lý thuyết vận chuyển bùn cát không kết dính và biến đổi hình thái bờ biển thông qua các mô hình vận chuyển bùn cát tổng cộng (bao gồm tải đáy và tải lơ lửng) của Engelund - Hansen, Bijker và Fredsoe.

Bên cạnh đó, tác giả sử dụng các khái niệm thủy hải văn then chốt như chế độ bán nhật triều không đều với biên độ triều dao động từ 0,4 m đến 0,8 m, dòng rip ven bờ, suất vận chuyển cát dọc bờ và mô hình mặt cắt ngang bãi biển cân bằng nhằm phân tích trạng thái động lực bờ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ mô hình bao gồm: chuỗi số liệu gió và sóng quan trắc liên tục 20 năm tại trạm khí tượng hải văn Cồn Cỏ (1990–2009); dữ liệu bình đồ địa hình ven bờ đo đạc trực tiếp vào tháng 6/2012 quy đổi về hệ tọa độ UTM48; dữ liệu độ sâu ngoài khơi do Hải quân Việt Nam cung cấp; và lưu lượng xả bình quân nhiều năm của sông Bến Hải là 40 m³/s.

Phương pháp lấy mẫu và thiết lập miền tính được thực hiện trên lưới phi cấu trúc với quy mô 12.268 phần tử tam giác và tứ giác, cho phép làm mịn tối đa tại các vùng chuyển tiếp nhạy cảm như cửa sông và mép bờ biển.

Lý do lựa chọn bộ phần mềm MIKE 21/3 Coupled Model FM (kết hợp các mô đun HD dòng chảy, SW phổ sóng, ST vận chuyển cát và LITPROF diễn biến mặt cắt ngang) là nhờ khả năng tính toán tương tác động học phi tuyến đa chiều giữa sóng, dòng chảy và bùn cát. Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với số liệu thực đo mực nước từ ngày 01/6/2012 đến 08/6/2012 đạt hệ số tương quan Nash–Sutcliffe F2 = 0,87 (vượt ngưỡng yêu cầu 0,8), khẳng định mức độ tin cậy của mô hình toán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu chỉ ra sự phân hóa sâu sắc của trường thủy động lực học theo hai mùa gió rõ rệt:

  • Trong mùa Đông (từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau), trường sóng hướng Đông Bắc chiếm ưu thế với chiều cao sóng trung bình từ 0,7 m đến 0,8 m và cực đại lên đến 3,0 m đến 4,0 m, tạo ra dòng chảy dọc bờ hướng Bắc - Nam với vận tốc dòng chảy lớn, vận chuyển lượng bùn cát khổng lồ rời khỏi bãi biển Cửa Tùng.
  • Ngược lại trong mùa Hè, sóng hướng Tây Nam có chiều cao nhỏ hơn (0,55 m đến 0,75 m) tạo dòng chảy theo hướng Nam - Bắc đưa cát quay trở lại nhưng cường độ bồi tụ không đủ bù đắp lượng xói lở mùa Đông.

Thứ hai, các công trình nhân tạo tại khu vực bờ Nam là tác nhân trực tiếp phá vỡ cân bằng bùn cát. Tuyến kè mố phía Nam cầu Tùng Luật dài 430 m, cao 1,5 m và rộng 6 m vươn vuông góc ra biển đã tạo thành một bức tường chắn cát, giữ lại toàn bộ nguồn trầm tích từ phía Nam di chuyển lên. Sự suy giảm nguồn cát bồi bổ từ 70% trở lên cho bãi tắm phía Bắc đã khiến tốc độ xói lở thực tế tại các điểm khảo sát bờ Nam và lân cận đạt trung bình 5,5 m/năm (dao động từ 3,4 m đến 8,4 m/năm theo chuỗi so sánh địa hình 44 năm).

Thứ ba, việc thi công xây dựng Cảng cá Cửa Tùng năm 2004 đã nạo vét và múc đi hơn 200.000 m³ cát từ cồn cát chắn cửa tự nhiên để san lấp mặt bằng. Việc loại bỏ cồn cát tiền tiêu này đã làm tăng đột ngột bề rộng mặt cắt ngang cửa sông, làm lệch trục động lực dòng chảy và tạo điều kiện cho sóng truyền thẳng vào vùng bãi nông gây sạt lở mạnh vách thềm cát cao 5 m đến 6 m.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi gây sạt lở nghiêm trọng tại Cửa Tùng là sự kết hợp giữa quy luật biến động năng lượng sóng tự nhiên và sự can thiệp công trình thiếu đồng bộ. Khi mực nước biển dâng với tốc độ 1,8 mm đến 3,1 mm/năm làm tăng độ dốc bãi, năng lượng sóng không bị tiêu hao do ma sát đáy mà tập trung đánh phá trực tiếp vào chân bờ.

Dữ liệu mô phỏng được định lượng rõ ràng qua bảng cân bằng suất chuyển bùn cát và các biểu đồ mặt cắt ngang đại diện (từ mặt cắt MC1 đến MC7). Kết quả phân tích cho thấy sự chênh lệch lớn giữa lượng cát dịch chuyển mùa Đông và lượng bồi tụ mùa Hè, khẳng định bãi biển đang ở trạng thái thâm hụt trầm tích nghiêm trọng.

So sánh với các nghiên cứu chỉnh trị bờ biển tại khu vực Duyên hải miền Trung, việc áp dụng kè cứng đơn thuần chỉ chuyển dịch vị trí xói lở sang các vùng lân cận, trong khi phương án nuôi bãi nhân tạo giúp tái tạo lại cấu trúc bãi thoai thoải, tạo lớp đệm tự nhiên làm tiêu tán năng lượng sóng hiệu quả nhất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng động lực học, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể:

  • Thứ nhất, triển khai giải pháp công trình mềm nuôi bãi khôi phục bãi tắm Cửa Tùng với tổng khối lượng cát cần bơm nạp ước tính khoảng 180.000 m³ đến 250.000 m³. Vật liệu cát nạp được lựa chọn phải có cấp phối hạt tương đương hoặc thô hơn bùn cát bản địa với đường kính hạt trung bình d50 xấp xỉ 0,25 mm. Mục tiêu tái lập chiều rộng mặt bãi đạt từ 50 m đến 60 m và nâng cao trình đỉnh bãi lên +2,0 m nhằm đảm bảo ổn định trước sóng triều trong thời gian 12 tháng thi công. Cơ quan chủ trì thực hiện là Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Trị phối hợp với Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

  • Thứ hai, cải tạo và điều chỉnh công năng hệ sinh thái công trình kè cửa sông hiện hữu. Đề xuất mở các cửa thông cát hoặc hạ thấp cao trình một phần tuyến kè Nam dài 430 m nhằm giảm 40% hiệu ứng cản cát dọc bờ, tạo điều kiện cho dòng bùn cát tự nhiên mùa Hè lưu thông từ phía Nam lên bổ cập cho bờ Bắc trong giai đoạn 2026–2028. Cơ quan thực hiện là Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Công trình Giao thông và Nông nghiệp tỉnh.

  • Thứ ba, kiểm soát nghiêm ngặt và chấm dứt 100% các hoạt động khai thác cát trái phép tại khu vực Mũi Hàu, lòng sông Bến Hải và vùng phụ cận cầu Tùng Luật. Mọi dự án nạo vét luồng hàng hải vào Cảng cá Cửa Tùng bắt buộc phải tận dụng lại toàn bộ khối lượng cát nạo vét để hoàn trả cho khu vực nuôi bãi ven bờ. Cơ quan phụ trách là Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Trị cùng Bộ đội Biên phòng địa phương.

  • Thứ tư, thiết lập hệ thống trạm quan trắc thủy thạch động lực và trắc đạc địa hình đáy định kỳ 6 tháng/lần (sau mùa bão lũ và sau mùa hè) nhằm theo dõi biến dạng đường bờ. Dựa trên dữ liệu quan trắc để xây dựng kế hoạch cấp cát bù bổ sung theo chu kỳ từ 3 đến 5 năm một lần. Cơ quan thực hiện là các Viện nghiên cứu chuyên ngành và Trung tâm Quy hoạch Tài nguyên nước.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Các nhà quản lý quy hoạch đô thị và cơ quan quản lý nhà nước (Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Xây dựng, Sở Giao thông Vận tải tỉnh Quảng Trị): Luận văn cung cấp luận cứ khoa học chuẩn xác để phê duyệt quy hoạch bảo vệ dải ven bờ, xây dựng phương án phòng tránh thiên tai và tối ưu hóa nguồn vốn đầu tư công.

  • Các kỹ sư thiết kế công trình thủy công, viện nghiên cứu chuyên ngành biển: Tài liệu là cẩm nang hữu ích về quy trình ứng dụng hệ mô hình toán MIKE 21/3 Coupled Model FM xử lý tương tác sóng - dòng chảy - bùn cát phức tạp và phương pháp tính toán thiết kế kích thước hạt, cao trình nuôi bãi ven bờ.

  • Doanh nghiệp đầu tư hạ tầng du lịch và nghỉ dưỡng ven biển: Cung cấp bức tranh toàn cảnh về nguy cơ xói lở cơ học, giúp nhà đầu tư xây dựng các giải pháp bảo vệ cảnh quan mặt nước và kéo dài tuổi thọ khai thác các khu nghỉ dưỡng bãi biển.

  • Học viên cao học, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Xây dựng công trình thủy, Kỹ thuật biển, Hải văn: Luận văn là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp nghiên cứu khoa học, cách thiết lập lưới tính 12.268 phần tử phi cấu trúc và phương pháp kiểm định mô hình toán theo tiêu chuẩn quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân cốt lõi gây sạt lở nghiêm trọng bãi biển Cửa Tùng là gì? Hiện tượng sạt lở bãi biển bắt nguồn từ việc mất cân bằng bùn cát nghiêm trọng do tác động kép. Mùa Đông sóng Đông Bắc cao tới 3,0 m đến 4,0 m xói mòn mạnh cát về phía Nam, nhưng kè chắn cát bờ Nam dài 430 m và việc múc hơn 200.000 m³ cát xây cảng cá đã ngăn dòng cát mùa Hè bổ cập trở lại bờ Bắc.

Tại sao phương án nuôi bãi nhân tạo lại ưu việt hơn giải pháp xây dựng kè cứng truyền thống? Phương án nuôi bãi khôi phục chiều rộng 50 m đến 60 m tạo nên độ dốc tự nhiên giúp tiêu hao năng lượng sóng từ xa mà không gây phản xạ phá hủy chân công trình. Phương án này vừa bảo tồn hoàn hảo cảnh quan sinh thái bãi tắm "nữ hoàng", vừa tiết kiệm khoảng 30% chi phí duy tu so với việc đổ bê tông kè cứng.

Độ tin cậy của mô hình toán Mike 21 trong luận văn được đánh giá như thế nào? Mô hình toán được thiết lập trên lưới phi cấu trúc 12.268 phần tử và kiểm định kỹ lưỡng bằng chuỗi số liệu thực tế đo đạc mực nước, sóng và dòng chảy giai đoạn 2009–2012. Chỉ số hiệu quả mô hình Nash–Sutcliffe đạt F2 = 0,87, chứng minh mô hình có độ chuẩn xác rất cao trong việc tái hiện trường thủy động lực học.

Loại cát nào phù hợp nhất để sử dụng cho việc nuôi bãi biển Cửa Tùng? Vật liệu cát nạp phải có đường kính hạt trung bình d50 xấp xỉ 0,25 mm, đồng nhất hoặc thô hơn một chút so với cát đáy tự nhiên tại hiện trường. Cỡ hạt này giúp bãi biển giữ được độ ổn định tối đa dưới tác động cuốn trôi của sóng triều và đảm bảo cảm giác êm mịn cho du khách tắm biển.

Chu kỳ và thời điểm nạp cát bảo dưỡng bãi biển được khuyến nghị ra sao? Thời điểm thích hợp nhất để thi công nạp cát là vào đầu mùa Hè (tháng 4 đến tháng 5) khi thời tiết lặng sóng và dòng chảy có xu thế bồi tụ. Dựa trên mô phỏng diễn biến hình thái đáy 3 năm, chu kỳ nạp cát bổ sung tối ưu được xác định là từ 3 đến 5 năm một lần để bù đắp lượng cát hao hụt tự nhiên do bão lũ.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định rõ nét cơ chế xói lở bãi biển Cửa Tùng xuất phát từ sự kết hợp bất lợi giữa sóng gió mùa Đông Bắc và việc xây dựng kè chắn cát bờ Nam dài 430 m làm gián đoạn nguồn bùn cát tự nhiên.
  • Ứng dụng thành công hệ mô hình MIKE 21/3 Coupled Model FM trên lưới phi cấu trúc 12.268 ô lưới, đạt độ tin cậy cao với chỉ số kiểm định mực nước F2 = 0,87.
  • Lượng hóa chi tiết cán cân bùn cát theo mùa và sự suy giảm đường bờ với tốc độ trung bình 5,5 m/năm trên cơ sở phân tích 7 mặt cắt địa hình đại diện.
  • Đề xuất giải pháp nuôi bãi nhân tạo thân thiện môi trường với quy mô cấp cát từ 180.000 m³ đến 250.000 m³ để khôi phục bãi cát rộng 50 m đến 60 m.
  • Xác lập khung thời gian quan trắc định kỳ 6 tháng/lần và chu kỳ bảo dưỡng nạp cát 3 đến 5 năm/lần nhằm duy trì sự ổn định bền vững cho bãi tắm.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là cung cấp cơ sở khoa học hoàn chỉnh và khả thi để hồi sinh bãi tắm Cửa Tùng. Các cấp chính quyền và cơ quan ban ngành tỉnh Quảng Trị cần sớm đưa phương án nuôi bãi vào kế hoạch triển khai thực tế nhằm phục hồi cảnh quan thiên nhiên và thúc đẩy du lịch địa phương phát triển mạnh mẽ.