Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển và giải pháp bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An" do nghiên cứu sinh Nguyễn Ngọc Thế thực hiện tại Trường Đại học Thủy Lợi, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Trần Thanh Tùng và GS.TS. Nguyễn Trung Việt, thuộc ngành Kỹ thuật xây dựng công trình Biển (mã số: 9 58 02 03), bảo vệ năm 2021.

  • Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu: Bãi biển Cửa Đại (thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam) nằm ở trung tâm dải bờ biển kéo dài từ chân núi Sơn Trà (Đà Nẵng) qua phường Điện Dương (thị xã Điện Bàn) đến phường Cửa Đại. Khu vực này tập trung nhiều khu nghỉ dưỡng, đóng vai trò quan trọng đối với ngành du lịch và kinh tế địa phương. Tuy nhiên, từ năm 2009 trở lại đây, dải bờ phía Bắc Cửa Đại liên tục xảy ra hiện tượng xói lở nghiêm trọng trong mùa gió Đông Bắc và các đợt thiên tai cực đoan (bão, triều cường, sóng lớn). Các công trình bảo vệ bờ trực tiếp được đầu tư xây dựng trước đó hầu như không phát huy hiệu quả trong bão: sóng tràn qua đỉnh kè, phá hủy hạ tầng phía sau và gây xói lở mạnh tại các khu vực bãi cao, chân đụn cát tự nhiên (như tại bãi Tân Mỹ, bãi tắm khách sạn Agribank đến An Bàng). Mặc dù các nghiên cứu trước đã chỉ ra các nguyên nhân chung như thiếu hụt bùn cát, thay đổi hướng sóng và tác động nhân tạo, văn bản luận án xác định vẫn còn khoảng trống lớn về nghiên cứu thực nghiệm hiện trường và định lượng chuyên sâu về vai trò của thành phần nước dâng do sóng (NDDS) trong bão đối với sự xói lở bãi cao và chân đụn cát ven bờ, cũng như thiếu cơ sở khoa học để thiết lập giải pháp công trình bảo vệ tổng thể, bền vững.

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

    1. Nghiên cứu xây dựng kỹ thuật quan trắc và phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ số liệu đo đạc tại hiện trường, sử dụng bộ số liệu này để kiểm định mô hình toán mô phỏng nước dâng do sóng ở vùng ven bờ khu vực Cửa Đại, Hội An.
    2. Áp dụng mô hình toán đã được hiệu chỉnh, kiểm định để mô phỏng độ lớn và phân bố nước dâng do sóng dọc bờ; phân tích, đánh giá phạm vi, mức độ ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển, xác lập cơ sở khoa học phục vụ đề xuất định hướng giải pháp công trình bảo vệ bãi biển khu vực Cửa Đại, Hội An.
  • Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

    • Đối tượng nghiên cứu: Hiện tượng nước dâng do sóng và sự biến động của bãi biển dưới tác động của nước dâng do sóng.
    • Phạm vi không gian: Bãi biển phía Bắc Cửa Đại, Hội An với chiều dài 7,6 km, tính từ khu vực giáp cửa sông Cửa Đại kéo dài lên phía Bắc đến hết bãi tắm An Bàng.
    • Phạm vi thời gian và tư liệu: Chuỗi số liệu khí tượng bão giai đoạn 1979–2020; các đợt đo đạc địa hình, thủy hải văn chuyên sâu trong các năm 2016, 2017 và chuỗi quan trắc liên tục phục vụ phân tích mực nước giai đoạn 2015–2017.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Văn bản luận án đã tổng quan hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến thủy thạch động lực học ven bờ, nước dâng do sóng và giải pháp công trình bảo vệ bờ biển:

  • Các hướng nghiên cứu trên thế giới:

    • Cơ sở lý thuyết ứng suất bức xạ sóng: Lý thuyết nền tảng của Longuet-Higgins (1962), Longuet-Higgins và Stewart (1963, 1964) đã xác lập khái niệm ứng suất bức xạ ($S_{xx}, S_{xy}$) và cơ chế biến đổi mực nước trung bình trong đới sóng vỡ, giải thích hiện tượng hạ mực nước ngoài đới sóng vỡ (wave setdown) và nước dâng trong vùng sóng vỡ (wave setup). Bowen và cộng sự (1968), Holman R. A. (1990) đã kiểm chứng lý thuyết này qua thí nghiệm vật lý và dữ liệu đo đạc.
    • Động lực học vùng sóng tràn (Swash zone) và xói lở đụn cát: Butt & Russell (1999), Masselink & Puleo (2006), Bakhtyar và cộng sự (2009), Short (1999) chứng minh vùng sóng tràn có chế độ thủy động lực phức tạp với dòng chảy xiết không ổn định, điều khiển vận chuyển bùn cát và phá hủy chân đụn cát thông qua cơ chế tạo rãnh, nứt do kéo và sạt lở trượt phẳng.
    • Công thức thực nghiệm xác định nước dâng do sóng: King và cộng sự (1990) tại bãi biển Woolacombe; Hanslow và Nielsen (1993) đề xuất công thức tính nước dâng tại mép bờ $\bar{\eta}w = 0{,}38 (H{s0} L_0)^{0{,}5}$; Stockdon và cộng sự (2006) thiết lập công thức cho bãi biển tự nhiên và bãi có công trình ngầm; Tanaka và Shuto (1992), Tanaka và cộng sự (2009) đánh giá tương tác ngập lụt ven bờ.
    • Phương pháp mô hình số và quan trắc hiện đại: Funakoshi và cộng sự (2008) kết hợp mô hình ADCIRC và SWAN chỉ ra nước dâng do sóng đóng góp 10–15% vào mực nước cực trị; Chen và cộng sự (2008); Raimundo Ibaceta và Rafael Almar (2015) ứng dụng thiết bị Lidar tại Grand Popo (Benin).
  • Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam:

    • Nghiên cứu nước dâng do bão và nước dâng do sóng: Các nghiên cứu giai đoạn sớm của 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), cùng các chương trình nghiên cứu của Viện Cơ học từ những năm 1980 và đề tài hợp tác Việt - Trung. Các công trình ứng dụng mô hình số trị gần đây gồm: Nguyễn Xuân Hiển (2013) tính toán nước dâng tại Hải Phòng (nước dâng do sóng chiếm 20–30% tổng nước dâng); Đỗ Đình Chiến (2014) dùng mô hình SuWAT mô phỏng bão Xangsane năm 2006 tại Đà Nẵng (nước dâng do sóng chiếm tới 35%); Nguyễn Bá Thủy (2017), Vũ Hải Đăng và cộng sự (2017) đánh giá tương tác triều - sóng - nước dâng bằng SuWAT và WRF; Nguyễn Ngọc Thế và cộng sự (2019) phối hợp SWAN và SWASH tại Cửa Đại; ứng dụng công nghệ Vectrino II của Nguyễn Trung Việt (2013) và video-camera của Lê Thanh Bình (2013) tại Nha Trang.
    • Nghiên cứu về dải bờ Cửa Đại, Hội An: Lê Đình Mầu (2003, 2012, 2015) chỉ ra xu thế dịch chuyển đường bờ 23 m/năm giai đoạn 1965–2003 và cơ chế vận chuyển bùn cát ngang bờ trong bão chiếm ưu thế; Đề tài KH&CN do Nguyễn Kim Đan và Nguyễn Trung Việt chủ trì (2016–2017) xác định nguyên nhân thiếu hụt bùn cát và tác động công trình; Huỳnh Công Hoài và cộng sự (2018) mô phỏng sóng bằng mô hình TOMAWAC xác định chiều cao sóng cực đại 4,7 m từ hướng ĐĐB và ĐB; Vũ Minh Cát (2013) mô phỏng hình thái đáy cửa sông bằng MIKE21-FM Couple.
    • Tổng kết giải pháp công trình tại Việt Nam: Đánh giá thực trạng các giải pháp công trình bảo vệ trực tiếp (kè mái nghiêng, tường chắn), đê chắn sóng xa bờ (bờ biển Cà Mau, Bạc Liêu và thử nghiệm 230 m tại Cửa Đại), kè mỏ hàn (đã áp dụng tại Cát Hải, Nam Thịnh, Nghĩa Phúc, Lạch Vạn, Hội Thống, Cẩm Nhượng, Quảng Phúc, Bầu Tró, Eo Bầu, Phú Thuận, Tam Hải, Cần Giờ) và giải pháp nuôi bãi nhân tạo.
  • Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Các nghiên cứu trước tại Việt Nam chủ yếu tính toán nước dâng do sóng qua công thức kinh nghiệm hoặc mô hình số nhưng việc kiểm chứng chỉ dựa vào vết ngập lũ sau bão nên độ chính xác hạn chế; chưa có nghiên cứu thực nghiệm đo đạc dao động mực nước thực tế trong bão bằng camera kết hợp cọc tiêu để phân tách nước dâng do sóng; đồng thời thiếu đánh giá định lượng về sự kết hợp giữa nước dâng do sóng và triều cao gây sạt lở bãi cao, đụn cát ven bờ Cửa Đại nhằm làm căn cứ thiết kế đê ngầm giảm sóng từ xa kết hợp mỏ hàn.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp giữa quan trắc thực nghiệm hiện trường, phân tích thống kê và mô hình toán số trị:

[Số liệu địa hình, thủy hải văn, khí tượng bão] 
  • Lý thuyết và khung phân tích:

    • Lý thuyết ứng suất bức xạ của Longuet-Higgins và Stewart mô tả sự truyền động lượng sóng lên cột nước: $$\frac{\partial \bar{\eta}}{\partial x} = -\frac{1}{\rho g (h + \bar{\eta})} \left( \frac{\partial S_{xx}}{\partial x} + \frac{\partial S_{xy}}{\partial y} \right)$$
    • Cơ chế thủy thạch động lực học và quá trình xói lở bờ cát trong bão, tương tác phi tuyến giữa sóng vỡ, nước dâng bão và dòng chảy rút ngầm vùng sóng tràn.
  • Nguồn số liệu cơ bản phục vụ nghiên cứu:

    1. Số liệu địa hình: Bản đồ số hóa địa hình đáy biển tỷ lệ 1/100.000 từ Sơn Trà đến Cửa Lở do Viện Hải dương học Nha Trang thực hiện năm 2015; bình đồ chi tiết tỷ lệ 1/5000 (dưới nước) và 1/2000 (trên cạn) lập tháng 10/2016 nội suy trên lưới ô vuông $15 \times 15\text{ m}$.
    2. Số liệu thực đo địa hình: Đo đạc bổ sung mặt cắt ngang (MCN) bằng máy toàn đạc điện tử Leica TS02 (độ chính xác khoảng cách $[3+2\text{ppm}\times D]\text{ mm}$, góc $\pm 2''$) và máy đo sâu Garmin. Luận án thực hiện 9 đợt đo tại 2 vị trí mốc: mốc MCN-01 (đo bãi ra độ sâu $h > 10\text{ m}$ vào các thời điểm 23/3/2016, 17/8/2016, 26/10/2016, 28/12/2016, 23/3/2017) và mốc MCN-02 (đo khu vực gần bờ trước, trong và sau bão Sarika vào các ngày 12/10, 14/10, 17/10, 18/10/2016).
    3. Số liệu thủy hải văn thu thập và thực đo:
      • Số liệu sóng nước sâu tính toán từ mô hình SWAN với trường gió tái phân tích NCEP giai đoạn 1988–2017.
      • Số liệu mực nước tự ghi 10 phút/lần tại trạm cầu cảng Đồn biên phòng Cửa Đại ($15^\circ 52' 33{,}81''\text{E}$, độ sâu $-3{,}0\text{ m}$) bằng thiết bị Level Troll 500 (In-Situ, Mỹ) từ 12/1/2016 đến 4/3/2017, đối chiếu tương quan với trạm hải văn Sơn Trà.
      • Số liệu khảo sát hải văn chuyên đề bằng máy AWAC và AQUAPRO trong 2 đợt: đợt 1 (tháng 10/2016) và đợt 2 (tháng 3/2017) tại các trạm SMS01, SMS02, SCR1 và MN01.
      • Số liệu bão: Thống kê 83 cơn bão ảnh hưởng đến khu vực Quảng Nam giai đoạn 1979–2020 từ dữ liệu JMA.
    4. Số liệu trầm tích bùn cát đáy: Phân tích thành phần cỡ hạt lấy mẫu năm 2016 đưa vào mô hình hình thái.
Tên trạm Vĩ độ / Kinh độ Độ sâu (m) Tham số quan trắc chính Thời gian đo đạc
SMS01 $15^\circ 55' 8{,}63''\text{E}$ (10/2016); $15^\circ 54' 1{,}94''\text{E}$ (3/2017) $-8{,}0$ đến $-6{,}0$ Sóng, dòng chảy, mực nước (AWAC) Tháng 10/2016 & Tháng 3/2017
SMS02 $15^\circ 52' 43{,}56''\text{E}$ (10/2016); $15^\circ 52' 43{,}73''\text{E}$ (3/2017) $-6{,}0$ Sóng, dòng chảy, mực nước (AWAC) Tháng 10/2016 & Tháng 3/2017
SCR1 $15^\circ 53' 58{,}64''\text{E}$ (10/2016); $15^\circ 54' 3{,}37''\text{E}$ (3/2017) $-1{,}2$ đến $-1{,}8$ Dòng chảy vùng sóng đổ (AQUAPRO) Tháng 10/2016 & Tháng 3/2017
MN01 $15^\circ 52' 33{,}81''\text{E}$ (Cầu cảng Đồn biên phòng Cửa Đại) $-3{,}0$ Mực nước tự ghi (Level Troll 500) 12/01/2016 đến 04/03/2017
  • Phương pháp quan trắc và phân tích nước dâng do sóng bằng camera kết hợp cọc tiêu:

    • Thiết lập hệ thống camera và 6 cọc tiêu quan trắc (C1 đến C6) bố trí dọc theo mặt cắt ngang bãi tắm khách sạn Agribank trong đợt bão Doksuri (từ ngày 12 đến 15/9/2017).
    • Thu nhận chuỗi hình ảnh định dạng .avi, mỗi phiên quan trắc ghi nhận trên 100 con sóng (thời gian quan sát 500–700 giây, tương đương 10–15 phút/obs).
    • Sử dụng thuật toán xử lý tín hiệu màu R-G-B trích xuất đường dao động mực nước mặt cắt qua các cọc tiêu, hiệu chỉnh sai số biến dạng ảnh theo tỷ lệ độ dài/pixel thực tế; tính toán mực nước trung bình và bóc tách thành phần nước dâng do sóng thực đo.
  • Phương pháp mô hình số trị:

    • Mô hình SWAN (Simulating Waves Nearshore): Mô phỏng lan truyền, biến dạng phổ sóng từ vùng nước sâu vào vùng ven bờ, cung cấp điều kiện biên sóng chi tiết. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với số liệu sóng thực đo tại các trạm SMS01 và SMS02.
    • Mô hình XBEACH: Mô phỏng thủy động lực phi tĩnh, lan truyền sóng trong vùng sóng vỡ, tính toán chi tiết giá trị nước dâng do sóng, tương tác dòng chảy và diễn biến hình thái xói bồi mặt cắt ngang bãi cát dưới tác động của bão.

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 này tổng kết toàn diện các khái niệm, cơ chế vật lý và lịch sử nghiên cứu về nước dâng do sóng cùng các giải pháp công trình ven biển:

  • Khái quát các thuật ngữ: mực nước cực trị trong bão ($TWP$), nước dâng do bão ($NDDB$), nước dâng do sóng ($NDDS$), đới sóng vỡ, vùng sóng tràn ($swash\ zone$) và dòng rút ven bờ ($rip\ current$).
  • Phân tích cơ chế phá hủy đụn cát ven bờ: nước dâng do sóng đẩy cao mực nước tác động trực tiếp vào chân đụn cát, gây nứt kéo bề mặt, sạt trượt mảng cát và sóng rút cuốn trôi bùn cát ra xa bờ lắng đọng thành các doi cát ngầm (bar chắn ngoài).
  • Thống kê, đánh giá các công trình bảo vệ bờ biển đã triển khai tại Việt Nam (kè mái nghiêng, đê biển, mỏ hàn, nuôi bãi). Đánh giá nguyên nhân các công trình kè mềm, kè mái nghiêng tại bờ biển phía Bắc Cửa Đại bị sụp đổ, xói lở chân và tràn đỉnh trong các đợt bão năm 2016–2020 do chưa tính toán đầy đủ thành phần nước dâng do sóng.
  • Xác lập cơ sở khoa học để luận án tập trung giải quyết việc định lượng nước dâng do sóng và đánh giá tác động biến động bãi.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN

Chương 2 trình bày chi tiết phương pháp luận, cơ sở dữ liệu thực đo và quy trình ứng dụng công nghệ, mô hình số:

  • Tổng hợp số liệu bão giai đoạn 1979–2020: Trong tổng số 83 cơn bão ảnh hưởng trong bán kính 200 km, bão tập trung cao nhất vào tháng 9 (30,12%) và tháng 10 (30,12%), tổng cộng hai tháng chiếm 60,24%. Bão đổ bộ vào khu vực nghiên cứu có tốc độ gió ven bờ đạt khoảng cấp 10.
  • Trình bày quy trình công nghệ quan trắc hình ảnh camera kết hợp 6 cọc tiêu tại bãi biển Agribank trong bão Doksuri (14–15/9/2017). Thuật toán đọc tín hiệu R-G-B và trích xuất khung hình cho phép xác định chính xác dao động mực nước tức thời và giá trị nước dâng do sóng thực tế tại mép bờ.
  • Thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định chuỗi mô hình liên kết SWAN – XBEACH:
    • Mô hình SWAN: Thiết lập 2 cấp lưới lồng nhau (vùng 1 và vùng 2), hiệu chỉnh và kiểm định các tham số chiều cao sóng ($H_s$), chu kỳ sóng ($T_p$) và hướng sóng qua 2 đợt đo hải văn tháng 10/2016 và tháng 3/2017 tại trạm SMS01 và SMS02.
    • Mô hình XBEACH: Hiệu chỉnh bộ tham số thủy động lực và hình thái bãi biển dựa trên bộ số liệu nước dâng do sóng và diễn biến mặt cắt bãi đo đạc thực tế trong bão Doksuri (2017) và bão Sarika (2016).
Bán kính bão ảnh hưởng Tháng 5–8 Tháng 9 Tháng 10 Tháng 11–12 Tổng cộng (1979–2020)
Bán kính 100 km 9 cơn (25,00%) 14 cơn (38,89%) 11 cơn (30,56%) 2 cơn (5,56%) 36 cơn (100%)
Bán kính 150 km 16 cơn (26,67%) 22 cơn (36,67%) 15 cơn (25,00%) 7 cơn (11,67%) 60 cơn (100%)
Bán kính 200 km 21 cơn (25,30%) 25 cơn (30,12%) 25 cơn (30,12%) 12 cơn (14,46%) 83 cơn (100%)

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 số liệu đo đạc thực tế và mô phỏng các kịch bản để làm rõ quy luật xói lở bãi biển:

  • Quy luật biến động bãi từ số liệu đo đạc: Kết quả đo đạc MCN-01 qua 5 đợt (2016–2017) chỉ ra bãi biển có xu thế bồi tụ và thoải dần trong mùa gió Tây Nam nhưng bị xói lở dữ dội trong mùa gió Đông Bắc. Số liệu đo đạc MCN-02 trong bão Sarika (10/2016) cho thấy mặt cắt bãi hạ thấp cao độ nhanh chóng, đụn cát bị xói lấn sâu vào đất liền chỉ sau một đợt bão.
  • Mô phỏng nước dâng do sóng theo các kịch bản: Thiết lập các kịch bản tính toán theo các tần suất bão khác nhau ($P = 1%$, $2%$, $5%$, $10%$, $20%$) kết hợp các điều kiện mực nước triều:
    • Kịch bản 1 (KB1): Sóng bão kết hợp mực nước triều trung bình và có xét nước dâng do sóng.
    • Kịch bản 2 (KB2): Sóng bão kết hợp mực nước triều cao và có xét nước dâng do sóng.
    • Kịch bản 3 (KB3): Sóng bão kết hợp mực nước triều trung bình nhưng không xét nước dâng do sóng.
  • Kết quả phân tích định lượng:
    • Giá trị nước dâng do sóng lớn nhất xuất hiện tại sát mép bờ các mặt cắt CD01, CD02, CD03, CD04 đạt từ $0{,}6\text{ m}$ đến trên $1{,}2\text{ m}$ tùy cấp bão.
    • So sánh KB1 và KB3 chứng minh: khi có xét đến nước dâng do sóng, cao trình xói đáy tăng thêm từ $0{,}5\text{ m}$ đến $1{,}2\text{ m}$, chiều rộng xói lấn sâu vào bãi cát và đụn cát tăng từ 15 m đến trên 35 m so với trường hợp chỉ tính sóng thông thường.
    • Tại các mặt cắt đã có kè bảo vệ (CD01, CD02), nước dâng do sóng làm gia tăng chiều sâu xói chân kè, dẫn đến mất ổn định và sụp đổ mái nghiêng. Tại các mặt cắt bãi tự nhiên (CD03, CD04), nước dâng do sóng kết hợp triều cao làm dịch chuyển đường viền ngập nước lên cao, trực tiếp gây sạt lở đụn cát.

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN

Chương này đề xuất và đánh giá hiệu quả kỹ thuật của phương án bảo vệ tổng thể dải bờ Cửa Đại:

  • Mục tiêu giải pháp: Giảm năng lượng sóng tác động vào bờ, kiểm soát vận chuyển bùn cát dọc bờ và ngang bờ, giữ ổn định và tái tạo bãi tắm phục vụ du lịch.
  • Đề xuất phương án bố trí mặt bằng công trình:
    • Giải pháp đê ngầm giảm sóng từ xa (đặt ngầm ngoài đới sóng vỡ) kết hợp hệ thống kè mỏ hàn nối tiếp nhằm phân chia trường sóng và hướng dòng chảy.
    • Mô phỏng đánh giá hiệu quả kỹ thuật qua mô hình XBEACH cho các phương án mặt bằng công trình khác nhau.
  • Đánh giá hiệu quả giảm sóng và bồi tụ bãi:
    • Đê ngầm làm giảm đáng kể chiều cao sóng truyền vào dải nước nông ven bờ (chiều cao sóng sau đê ngầm giảm từ $40%$ đến trên $60%$ tùy vị trí).
    • Quá trình thủy thạch động lực sau khi bố trí công trình tạo điều kiện hình thành các khối bồi tụ cát dạng tombolo ở vùng bóng sóng sau đê ngầm, giúp mở rộng mặt bằng bãi cát ra phía biển và bảo vệ chân các công trình hiện hữu trong bờ.
    • Luận án lựa chọn phương án công trình tối ưu đáp ứng cả tiêu chí an toàn kỹ thuật, duy trì cảnh quan du lịch và độ ổn định lâu dài.

Kết quả và những đóng góp mới

  1. Những đóng góp mới về mặt khoa học và phương pháp:

    • Xây dựng thành công kỹ thuật quan trắc và quy trình công nghệ phân tích, bóc tách nước dâng do sóng ven bờ từ chuỗi hình ảnh camera kết hợp hệ thống cọc tiêu quan trắc hiện trường trong điều kiện thời tiết bão thực tế.
    • Cung cấp bộ số liệu đo đạc đồng bộ (sóng, dòng chảy, dao động mực nước, biến động mặt cắt bãi) có độ tin cậy cao, giải quyết hạn chế thiếu dữ liệu thực đo hiện trường tại Việt Nam; thiết lập cơ sở kiểm định chính xác cho mô hình toán mô phỏng tương tác sóng - nước dâng - biến động bãi (SWAN và XBEACH).
    • Làm rõ định lượng quy luật biến động bãi biển Cửa Đại: chỉ ra cơ chế nước dâng do sóng nâng cao mực nước cục bộ vùng ven bờ, cho phép sóng bão tác động trực tiếp vào vùng bãi cao và chân đụn cát, gây ra hiện tượng nứt trượt và xói lở nghiêm trọng dải bờ.
  2. Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật:

    • Cung cấp bộ thông số tính toán định lượng về phạm vi, chiều sâu và chiều rộng xói lở bãi biển Cửa Đại theo các cấp bão và tổ hợp triều - nước dâng do sóng.
    • Đề xuất giải pháp công trình đê ngầm giảm sóng từ xa kết hợp kè mỏ hàn hợp lý cho 7,6 km bờ biển phía Bắc Cửa Đại; chứng minh hiệu quả giảm sóng và khả năng kích thích bồi tụ hình thành các dải cát dạng tombolo, bảo đảm ổn định bờ và giữ gìn cảnh quan du lịch.
  3. Kiến nghị:

    • Cần áp dụng quy trình tính toán có xét đầy đủ thành phần nước dâng do sóng trong các tiêu chuẩn thiết kế công trình bảo vệ bờ biển tại khu vực miền Trung.
    • Khi triển khai xây dựng công trình bảo vệ bờ biển Cửa Đại, Hội An, cần ưu tiên giải pháp đê ngầm giảm sóng từ xa kết hợp nuôi bãi nhân tạo, tránh xây dựng đơn lẻ các tuyến kè đứng hoặc kè mái nghiêng trực tiếp tại mép nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu rõ một số hạn chế và các định hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Hạn chế:

    • Chuỗi số liệu quan trắc dao động mực nước bằng camera kết hợp cọc tiêu mới chỉ thực hiện được tập trung trong một số đợt bão điển hình (tiêu biểu như bão Doksuri năm 2017) do điều kiện thời tiết bão gió cực đoan gây khó khăn lớn cho việc bảo vệ thiết bị quan trắc tại hiện trường.
    • Số liệu đo đạc dòng chảy vùng sóng đổ tại trạm SCR1 bằng máy AQUAPRO trong hai đợt khảo sát chưa tách chiết được hoàn toàn các đặc trưng của dòng triều và dòng chảy dọc bờ quy mô lớn do ảnh hưởng mạnh của chuyển động sóng cục bộ quanh trạm.
    • Mô phỏng biến động bãi biển chủ yếu tập trung phân tích biến động mặt cắt ngang hai chiều (2D) trong đới tương tác bão, chưa mô phỏng liên tục quá trình phục hồi bãi trong thời gian nhiều năm liên tiếp.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Mở rộng lắp đặt hệ thống trạm camera giám sát bờ biển tự động, cố định dài hạn có khả năng truyền dữ liệu thời gian thực để thu thập chuỗi số liệu liên tục qua nhiều mùa mưa bão.
    • Nghiên cứu mô phỏng tích hợp 3 chiều (3D) tương tác thủy thạch động lực học giữa sóng, triều, nước dâng do bão và dòng lũ xả từ hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn qua cửa Đại.
    • Tiếp tục quan trắc, đánh giá diễn biến hình thái đáy biển và sự bồi tụ cát dạng tombolo sau khi các đoạn công trình đê ngầm giảm sóng được thi công thử nghiệm trên thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị ứng dụng và tham khảo cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Cơ quan quản lý và quy hoạch: Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Nam, Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng các Công trình Nông nghiệp và PTNT tỉnh Quảng Nam, UBND thành phố Hội An và Tổng cục Phòng chống Thiên tai (Bộ Nông nghiệp và PTNT) có thể sử dụng các kết quả mô phỏng và phương án tuyến công trình đê ngầm giảm sóng để lập quy hoạch, phê duyệt các dự án đầu tư bảo vệ bờ biển bền vững.
  • Đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy - hải văn: Cung cấp cơ sở tính toán chiều cao sóng truyền sau đê ngầm, cao trình đỉnh kè, chiều sâu xói chân công trình có xét đến thành phần nước dâng do sóng trong điều kiện bão cực đoan.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Cung cấp tài liệu tham khảo trong các chuyên ngành Kỹ thuật công trình biển, Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Hải văn học và Quản lý dải ven bờ; đặc biệt là phương pháp xử lý ảnh camera trích xuất dao động mực nước và kỹ thuật ghép nối mô hình SWAN – XBEACH.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nước dâng do sóng (NDDS) được tính toán bằng phương pháp thực nghiệm nào trong luận án?
    Luận án ứng dụng kỹ thuật quan trắc hiện trường bằng hệ thống camera kết hợp 6 cọc tiêu (C1–C6) đặt dọc mặt cắt ngang bãi biển khách sạn Agribank trong bão Doksuri (tháng 9/2017). Hình ảnh thu được được xử lý bằng chương trình phân tích tín hiệu dải màu R-G-B để trích xuất dao động mực nước tức thời, hiệu chỉnh sai số quang học pixel và tính toán nước dâng do sóng thực đo.

  2. Tại sao các công trình kè bảo vệ trực tiếp bờ biển Cửa Đại trước đây thường bị hư hỏng trong bão?
    Do chưa tính toán đầy đủ thành phần nước dâng do sóng trong điều kiện bão kết hợp triều cao, làm mực nước ven bờ dâng cao hơn dự tính. Sóng bão vươn sâu tràn qua đỉnh công trình, khoét sâu chân kè mái nghiêng gây sạt trượt và phá hủy các công trình hạ tầng phía sau.

  3. Mô hình toán nào được luận án sử dụng để tính toán sóng và biến động bãi?
    Luận án sử dụng mô hình SWAN để tính toán lan truyền và biến dạng phổ sóng từ vùng nước sâu vào vùng ven bờ từ số liệu gió NCEP; sau đó sử dụng mô hình XBEACH để mô phỏng chi tiết nước dâng do sóng, dòng chảy và diễn biến hình thái xói lở mặt cắt bãi biển cát.

  4. Giải pháp công trình nào được luận án đề xuất để bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An?
    Luận án đề xuất giải pháp đê ngầm giảm sóng từ xa (đặt ngầm ngoài đới sóng vỡ) kết hợp hệ thống kè mỏ hàn. Giải pháp này giúp giảm $40\text{--}60%$ năng lượng sóng tới bờ, giữ cát và kích thích bồi tụ tự nhiên tạo các dải bồi cát dạng tombolo mà không phá vỡ cảnh quan bãi tắm du lịch.

  5. Tần suất và thời gian xuất hiện bão ảnh hưởng đến dải bờ biển Quảng Nam như thế nào?
    Theo thống kê 83 cơn bão giai đoạn 1979–2020 trong bán kính 200 km, bão tập trung chủ yếu vào tháng 9 (30,12%) và tháng 10 (30,12%), chiếm tổng cộng 60,24% toàn bộ các cơn bão trong năm; gió bão khi tiếp cận vùng ven bờ thường đạt khoảng cấp 10.


Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Ngọc Thế đã giải quyết một vấn đề khoa học và thực tiễn cấp bách thông qua việc định lượng ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến quá trình xói lở dải bờ biển Cửa Đại, Hội An. Bằng việc kết hợp phương pháp quan trắc hình ảnh camera - cọc tiêu tại hiện trường với bộ công cụ mô hình số trị SWAN và XBEACH, công trình đã làm sáng tỏ cơ chế phá hủy bãi cao và đụn cát ven bờ trong bão. Kết quả nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học tin cậy cho đề xuất giải pháp đê ngầm giảm sóng từ xa kết hợp kè mỏ hàn, đóng góp thiết thực cho công tác quy hoạch, xây dựng công trình bảo vệ bờ biển bền vững tại miền Trung Việt Nam.