Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nước Dâng Do Sóng Đến Biến Động Bãi Biển Cửa Đại, Hội An

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển và giải pháp công trình bảo vệ, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Thế
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình biển
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Nước Dâng Do Sóng Đến Biến Động Bãi Biển Cửa Đại, Hội An
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 0.6. Cấu trúc của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN
• 1.1. Khái quát chung về nước dâng do sóng và ảnh hưởng của nước dâng do sóng
• 1.2. Các thuật ngữ liên quan đến nước dâng do sóng
• 1.3. Phạm vi ảnh hưởng và tác động của nước dâng do sóng tới bãi biển
• 1.4. Tổng quan các nghiên cứu về nước dâng do sóng trên thế giới
• 1.5. Tổng quan các nghiên cứu tại Việt Nam về nước dâng do bão, nước dâng do sóng và công trình bảo vệ bờ biển
• 1.6. Các nghiên cứu về nước dâng, nước dâng do sóng
• 1.7. Các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển đã áp dụng tại Việt Nam
• 1.8. Các nghiên cứu liên quan đến biển Cửa Đại, Hội An
• 1.9. Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án
• 1.10. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC XÁC ĐỊNH NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN
• 2.1. Lựa chọn phương pháp xác định nước dâng do sóng trong luận án
• 2.2. Các số liệu cơ bản phục vụ nghiên cứu
• 2.3. Tài liệu địa hình
• 2.4. Tài liệu thủy, hải văn
• 2.5. Số liệu bùn cát đáy
• 2.6. Phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ bộ số liệu đo đạc
• 2.7. Cơ sở khoa học phân tích nước dâng do sóng từ hình ảnh camera
• 2.8. Phân tích ảnh, trích xuất dao động mực nước từ camera và cọc tiêu
• 2.9. Tính toán nước dâng do sóng từ chuỗi số liệu đo đạc
• 2.10. Phương pháp mô hình toán mô phỏng nước dâng do sóng và biến động bãi biển dưới tác động của nước dâng do sóng
• 2.11. Giới thiệu mô hình sử dụng trong nghiên cứu luận án
• 2.12. Tính toán lan truyền sóng từ nước sâu vào vùng ven bờ
• 2.13. Tính toán nước dâng do sóng và biến động bãi biển dưới tác động của nước dâng do sóng
• 2.14. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC DÂNG DO SÓNG ĐẾN BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN
• 3.1. Phân tích và khái quát một số quy luật về biến động mặt cắt ngang bãi biển từ số liệu đo đạc
• 3.2. Phân tích biến động mặt cắt ngang bãi biển qua các giai đoạn
• 3.3. Khái quát một số quy luật biến động mặt cắt ngang bãi biển Cửa Đại
• 3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển bằng mô hình toán
• 3.5. Trường hợp tính toán và vị trí các mặt cắt tính toán
• 3.6. Kết quả mô phỏng nước dâng do sóng trong bão ven biển Cửa Đại
• 3.7. Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển
• 3.8. Phân tích ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển
• 3.9. Kết luận Chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN CỬA ĐẠI, HỘI AN
• 4.1. Giới thiệu chung
• 4.2. Vị trí địa lý, địa hình và địa mạo khu vực nghiên cứu
• 4.3. Hiện trạng bãi biển Cửa Đại, Hội An
• 4.4. Mục tiêu giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An
• 4.5. Các căn cứ nghiên cứu đề xuất phương án bố trí công trình bảo vệ bãi biển
• 4.6. Phương án bố trí công trình đê ngầm giảm sóng từ xa
• 4.7. Phương án chung bố trí mặt bằng công trình
• 4.8. Các phương án bố trí công trình
• 4.9. Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của các phương án bố trí công trình
• 4.10. Phương pháp đánh giá
• 4.11. Độ cao sóng sau khi bố trí các phương án công trình bảo vệ
• 4.12. Biến động bãi biển theo các phương án bố trí công trình
• 4.13. Lựa chọn phương án công trình
• 4.14. Kết luận Chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 0.1. Những kết quả đạt được cửa luận án
• 0.2. Những đóng góp mới của luận án
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Biến Động Bãi Biển Cửa Đại Hội An

Bãi biển Cửa Đại, Hội An, nổi tiếng với vẻ đẹp tự nhiên, là điểm đến du lịch hấp dẫn. Tuy nhiên, khu vực này đang đối mặt với tình trạng xói lở bờ biển nghiêm trọng, đặc biệt vào mùa gió Đông Bắc. Các công trình bảo vệ bờ biển hiện tại chưa phát huy hiệu quả, gây ảnh hưởng lớn đến kinh tế, xã hội và môi trường. Nghiên cứu về ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển Cửa Đại là vô cùng cấp thiết. Tình trạng xói lở bờ biển Cửa Đại diễn ra liên tục từ năm 2009, ảnh hưởng đến các khu nghỉ dưỡng cao cấp. Chính quyền địa phương và các doanh nghiệp đã đầu tư lớn vào các công trình bảo vệ, nhưng hiệu quả còn hạn chế. Các khu vực chưa có công trình bảo vệ như bãi biển Tân Mỹ, bãi biển từ khách sạn Agribank đến bãi biển An Bàng, tình trạng xói lở khu vực bãi cao và chân các đụn cát ngày càng nghiêm trọng, đường bờ của khu vực này ngày càng lấn sâu vào phía trong đất liền gây ảnh hưởng lớn đến hạ tầng kỹ thuật và cuộc sống của người dân trong khu vực này.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Biến Động Bãi Biển

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá và dự báo biến động bãi biển Cửa Đại, từ đó đề xuất các giải pháp bảo vệ bờ biển hiệu quả và bền vững. Việc hiểu rõ cơ chế tác động của nước dâng do sóng là yếu tố then chốt để đưa ra các biện pháp ứng phó phù hợp. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý và bảo vệ bãi biển Cửa Đại, đảm bảo sự phát triển bền vững của khu vực.

1.2. Vị Trí Chiến Lược Của Bãi Biển Cửa Đại Hội An

Bãi biển Cửa Đại nằm ở vị trí trung tâm của dải bờ biển kéo dài từ chân núi Sơn Trà đến phường Cửa Đại. Đây là một trong những bãi biển đẹp nhất châu Á, thu hút đông đảo du khách trong và ngoài nước. Việc bảo vệ bãi biển Cửa Đại không chỉ có ý nghĩa về mặt kinh tế mà còn về mặt văn hóa và du lịch.

II. Thách Thức Xói Lở Bờ Biển Cửa Đại Do Nước Dâng Do Sóng

Tình trạng xói lở bờ biển tại Cửa Đại ngày càng trở nên nghiêm trọng do tác động của nhiều yếu tố, trong đó có nước dâng do sóng. Các đợt sóng lớn kết hợp với thủy triều và biến đổi khí hậu làm gia tăng nguy cơ xói lở, đe dọa đến các công trình ven biển và đời sống của người dân. Theo tài liệu gốc, tình trạng xói lở nghiêm trọng bãi biển phía Bắc Cửa Đại, Hội An bắt đầu xảy ra liên tục từ năm 2009 trở lại đây, tại nơi đang tập trung các khu nghỉ dưỡng cao cấp nhất của thành phố du lịch này. Đứng trước tình trạng xói lở nghiêm trọng đó chính quyền địa phương cũng như chủ các khu nghỉ dưỡng ven biển đã bỏ ra hàng trăm tỷ đồng để xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển nhưng qua thời gian sử dụng các công trình này hầu như không phát huy được hiệu quả bảo vệ bờ và bãi biển.

2.1. Ảnh Hưởng Của Biến Đổi Khí Hậu Đến Xói Lở Bờ Biển

Biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất và cường độ của các cơn bão, gây ra nước biển dâng và sóng lớn, làm trầm trọng thêm tình trạng xói lở bờ biển. Việc nghiên cứu và dự báo tác động của biến đổi khí hậu là rất quan trọng để đưa ra các giải pháp ứng phó hiệu quả.

2.2. Tác Động Của Thủy Triều Và Dòng Chảy Ven Bờ

Thủy triều và dòng chảy ven bờ cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình biến động bãi biển. Sự tương tác giữa sóng, thủy triều và dòng chảy tạo ra các cơ chế xói lở phức tạp, cần được nghiên cứu kỹ lưỡng.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Nước Dâng Do Sóng Cửa Đại

Nghiên cứu này sử dụng kết hợp nhiều phương pháp khác nhau để đánh giá ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển Cửa Đại. Các phương pháp bao gồm: phân tích số liệu đo đạc, mô hình hóa toán học và phân tích hình ảnh. Việc kết hợp các phương pháp này giúp tăng độ tin cậy và chính xác của kết quả nghiên cứu. Theo tài liệu gốc, nghiên cứu sử dụng các số liệu cơ bản phục vụ nghiên cứu như: Tài liệu địa hình, Tài liệu thủy, hải văn, Số liệu bùn cát đáy. Phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ bộ số liệu đo đạc, Cơ sở khoa học phân tích nước dâng do sóng từ hình ảnh camera, Phân tích ảnh, trích xuất dao động mực nước từ camera và cọc tiêu, Tính toán nước dâng do sóng từ chuỗi số liệu đo đạc.

3.1. Phân Tích Số Liệu Đo Đạc Địa Hình Và Thủy Văn

Phân tích số liệu đo đạc địa hình và thủy văn giúp xác định các quy luật biến động bãi biển và mối quan hệ giữa nước dâng do sóng và xói lở bờ biển. Các số liệu này bao gồm: số liệu địa hình bãi biển, số liệu mực nước, số liệu sóng và số liệu dòng chảy.

3.2. Mô Hình Hóa Toán Học Biến Động Bãi Biển

Mô hình hóa toán học được sử dụng để mô phỏng quá trình biến động bãi biển dưới tác động của nước dâng do sóng. Mô hình giúp dự báo xói lở bờ biển và đánh giá hiệu quả của các giải pháp bảo vệ bờ biển. Mô hình sử dụng trong nghiên cứu luận án là mô hình Delft3D và XBeach.

3.3. Phân Tích Hình Ảnh Camera Giám Sát Bãi Biển

Phân tích hình ảnh từ camera giám sát bãi biển giúp theo dõi và đánh giá biến động bãi biển một cách trực quan. Phương pháp này cho phép quan sát các hiện tượng xói lở và bồi tụ theo thời gian thực, cung cấp thông tin quan trọng cho việc quản lý và bảo vệ bờ biển.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Nước Dâng Do Sóng Tại Cửa Đại

Kết quả nghiên cứu cho thấy nước dâng do sóng có ảnh hưởng đáng kể đến biến động bãi biển Cửa Đại. Các đợt sóng lớn kết hợp với nước dâng làm gia tăng nguy cơ xói lở, đặc biệt là trong mùa mưa bão. Nghiên cứu cũng xác định được các khu vực bãi biển dễ bị tổn thương nhất và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xói lở. Theo tài liệu gốc, nghiên cứu đã phân tích và khái quát một số quy luật về biến động mặt cắt ngang bãi biển từ số liệu đo đạc, nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển bằng mô hình toán.

4.1. Xác Định Các Khu Vực Bãi Biển Dễ Bị Xói Lở

Nghiên cứu đã xác định được các khu vực bãi biển dễ bị xói lở nhất, bao gồm các khu vực có địa hình thấp, không có công trình bảo vệ và chịu tác động trực tiếp của sóng lớn. Các khu vực này cần được ưu tiên bảo vệ và có các biện pháp ứng phó kịp thời.

4.2. Đánh Giá Mức Độ Ảnh Hưởng Của Nước Dâng Do Sóng

Nghiên cứu đã đánh giá mức độ ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển thông qua việc so sánh các số liệu đo đạc và kết quả mô phỏng. Kết quả cho thấy nước dâng làm gia tăng đáng kể nguy cơ xói lở và làm thay đổi hình thái bãi biển.

V. Đề Xuất Giải Pháp Bảo Vệ Bãi Biển Cửa Đại Bền Vững

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các giải pháp bảo vệ bãi biển Cửa Đại cần được thiết kế một cách tổng thể và bền vững, kết hợp các biện pháp công trình và phi công trình. Các giải pháp cần đảm bảo hiệu quả bảo vệ bờ biển, giảm thiểu tác động đến môi trường và phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội của địa phương. Theo tài liệu gốc, nghiên cứu đề xuất phương án bố trí công trình đê ngầm giảm sóng từ xa, phương án chung bố trí mặt bằng công trình, đánh giá hiệu quả kỹ thuật của các phương án bố trí công trình.

5.1. Giải Pháp Công Trình Đê Ngầm Giảm Sóng Và Kè Mỏ Hàn

Các giải pháp công trình như đê ngầm giảm sóng và kè mỏ hàn có thể được sử dụng để giảm thiểu tác động của sóng và nước dâng đến bãi biển. Các công trình này cần được thiết kế phù hợp với điều kiện địa hình và thủy văn của khu vực.

5.2. Giải Pháp Phi Công Trình Trồng Rừng Ngập Mặn Và Bồi Đắp Bãi

Các giải pháp phi công trình như trồng rừng ngập mặn và bồi đắp bãi có thể giúp tăng cường khả năng chống xói lở của bãi biển một cách tự nhiên. Các giải pháp này cần được thực hiện một cách khoa học và bền vững.

VI. Kết Luận Và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Cửa Đại

Nghiên cứu này đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển Cửa Đại. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học quan trọng cho việc quản lý và bảo vệ bãi biển Cửa Đại một cách bền vững. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của các giải pháp bảo vệ bờ biển và dự báo biến động bãi biển trong tương lai. Theo tài liệu gốc, những kết quả đạt được của luận án là những đóng góp mới của luận án.

6.1. Đánh Giá Hiệu Quả Các Giải Pháp Bảo Vệ Bờ Biển

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của các giải pháp bảo vệ bờ biển đã được triển khai tại Cửa Đại. Việc đánh giá cần dựa trên các số liệu đo đạc và kết quả mô phỏng, từ đó đưa ra các khuyến nghị để cải thiện hiệu quả của các giải pháp.

6.2. Dự Báo Biến Động Bãi Biển Trong Tương Lai

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc dự báo biến động bãi biển trong tương lai, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Việc dự báo cần dựa trên các kịch bản biến đổi khí hậu khác nhau và các mô hình toán học tiên tiến.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu về động lực học đới ven bờ và hình thái bãi biển dưới tác động của các hiện tượng khí tượng hải văn cực đoan là một trong những thách thức trọng tâm của ngành Kỹ thuật xây dựng công trình Biển hiện đại. 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 dưới sự hướng dẫn của PGS. Trần Thanh Tùng và GS. Nguyễn Trung Việt tại Trường Đại học Thủy Lợi (mã số chuyên ngành: 9 58 02 03), là công trình tiên phong tại Việt Nam tích hợp phương pháp quan trắc thực nghiệm hiện trường độ phân giải cao bằng công nghệ video-camera với chuỗi mô hình số trị liên hoàn SWAN - XBEACH nhằm làm sáng tỏ cơ chế xói lở bãi biển trong bão.

Thực tế lịch sử cho thấy bãi biển Cửa Đại, thành phố Hội An từng được vinh danh là một trong những bãi biển đẹp nhất châu Á. Tuy nhiên, từ năm 2009 đến nay, bờ biển này đối mặt với hiểm họa xói lở nghiêm trọng, phá hủy hàng loạt khu nghỉ dưỡng cao cấp ven bờ. Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi được xác định: các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam chủ yếu tập trung vào nước dâng do bão (storm surge do gió và khí áp) trên bình diện vĩ mô hoặc tính toán nước dâng do sóng (NDDS - wave set-up) bằng các công thức kinh nghiệm bán định lượng; việc kiểm định mô hình số trị trước đây chủ yếu dựa vào dấu vết ngập cục bộ còn sót lại sau bão vốn có độ sai lệch cao. Luận án giải quyết triệt để khoảng trống này bằng cách xác lập kỹ thuật trích xuất dao động mực nước tức thời và NDDS từ chuỗi ảnh camera kết hợp cọc tiêu ngoài hiện trường trong điều kiện bão thực tế, từ đó định lượng chính xác sự đóng góp của NDDS đến biến động bãi cao và phá hủy chân đụn cát ven bờ.

Nghiên cứu đặt ra ba câu hỏi khoa học và hệ thống giả thuyết tương ứng:

• Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Làm thế nào để định lượng chính xác độ lớn và quy luật phân bố của nước dâng do sóng tức thời trong bão tại dải ven bờ nông Cửa Đại thông qua kỹ thuật đo đạc không tiếp xúc?
  • Giả thuyết 1 (H1): Tín hiệu quang phổ màu RGB từ chuỗi khung hình video-camera kết hợp hệ thống cọc tiêu chuẩn hóa cho phép trích xuất dao động mặt nước với độ chính xác tương đương các thiết bị hải văn áp suất cao cấp.
• Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Mức độ đóng góp cơ học của nước dâng do sóng vào mực nước cực trị tổng cộng (Total Water Level - TWP) và vai trò của nó trong quá trình xói lở bãi cát dốc và đụn cát ven bờ diễn ra như thế nào?
  • Giả thuyết 2 (H2): Nước dâng do sóng nâng cao đường mực nước trung bình lên vùng bãi cao, cho phép sóng bão duy trì năng lượng lớn vươn sâu xâm thực trực tiếp vào chân đụn cát, kích hoạt cơ chế phá hủy sạt trượt trắc diện bãi.
• Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Cấu trúc công trình bảo vệ bờ biển nào tối ưu hóa khả năng tiêu tán năng lượng sóng từ xa và thúc đẩy bồi tụ bùn cát tự nhiên mà không gây xói lở cục bộ ở hạ lưu dòng ven?
  • Giả thuyết 3 (H3): Hệ thống đê ngầm giảm sóng phá sóng từ xa kết hợp nuôi bãi nhân tạo tạo điều kiện hình thành các khối bồi tích dạng tombolo, giảm thiểu tối đa sóng tràn và ổn định lâu dài đường bờ.

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) kết hợp lý thuyết động lực học vùng sóng tràn (Swash Zone Dynamics) của Butt & Russell (1999) và Short (1999). Phạm vi không gian nghiên cứu bao trùm dải bờ biển dài 7,6 km từ cửa sông Cửa Đại kéo dài lên phía Bắc đến hết bãi tắm An Bàng, tỉnh Quảng Nam; quy mô thời gian bao gồm chuỗi số liệu khí tượng bão 42 năm (1979 - 2020), các đợt bão thực nghiệm điển hình như Sarika (10/2016), Doksuri (09/2017) và chuỗi quan trắc địa hình - hải văn 2015 - 2017.

Literature Review và Positioning

Các nghiên cứu quốc tế về nước dâng do sóng bắt nguồn từ các công trình kinh điển của Longuet-Higgins & Stewart (1962, 1963, 1964) khi thiết lập khái niệm toán học về ten-sơ ứng suất bức xạ sóng ($S_{xx}, S_{xy}, S_{yy}$) để giải thích hiện tượng biến đổi mực nước trung bình trong đới sóng vỡ. Bowen et al. (1968) và Holman (1990) đã kiểm chứng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và hiện trường, chứng minh sự tồn tại của hiện tượng hạ mực nước ngoài đới sóng vỡ (wave set-down) và dâng cao mực nước bên trong đới sóng đổ (wave set-up). Hàng loạt công thức thực nghiệm được thiết lập cho các bờ biển tự nhiên, tiêu biểu như King et al. (1990) tại bãi biển Woolacombe (Vương quốc Anh) thiết lập tỷ lệ dâng nước cực đại $0,11 < \bar{\eta}/h_{b,rms} < 0,15$; Hanslow & Nielsen (1993) đưa ra phương trình tính toán nước dâng sát mép bờ $\bar{\eta}w = 0,38\sqrt{H{s0}L_0}$; và Stockdon et al. (2006) hoàn thiện mô hình dự báo nước dâng dựa trên độ dốc bãi biển và chiều dài sóng nước sâu cho hơn 10 vùng bờ biển toàn cầu. Về mặt mô phỏng, Funakoshi et al. (2008) và Chen et al. (2008) khi kết hợp các mô hình ADCIRC và SWAN đã chỉ ra rằng NDDS đóng góp từ 10% đến 30% vào mực nước cực trị ven bờ trong bão.

Tại Việt Nam, các công trình của Lê Phước Trình (1970), Đỗ Ngọc Quỳnh (1982), Bùi Xuân Thông (2000) đã mở đường cho tính toán nước dâng do bão trên quy mô lớn. Gần đây, Nguyễn Xuân Hiển (2013) tại vùng biển Hải Phòng và Đỗ Đình Chiến (2014), Vũ Hải Đăng et al. (2017) ứng dụng mô hình SuWAT cho cơn bão Xangsane (2006) tại Đà Nẵng, ghi nhận NDDS có thể chiếm tới 30% - 35% tổng mực nước dâng ven bờ. Về mặt diễn biến đường bờ Cửa Đại, nghiên cứu của Lê Đình Mầu (2015) ghi nhận rằng "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". Nghiên cứu của Nguyễn Kim Đan và Nguyễn Trung Việt (2016-2017) đã chỉ ra các nguyên nhân căn bản: "thiếu hụt bùn cát, do thay đổi hướng sóng, do tác động từ xây dựng công trình trong khu vực". Đồng thời, nghiên cứu của Lê Đình Mầu (2012) khẳng định rằng "cơ chế VCBC ngang bờ trong bão chiếm ưu thế hơn VCBC dọc bờ", và Huỳnh Công Hoài et al. (2018) chỉ ra "xói lở nghiêm trọng bãi biển Cửa Đại, Hội An chủ yếu xảy ra về thời kỳ mùa gió Đông Bắc".

Trong bức tranh tổng quan đó, các công trình trước đây tồn tại hai luồng tranh luận đối lập về động lực xói lở:

• Luồng quan điểm thứ nhất: Nhấn mạnh sự suy giảm bùn cát dọc bờ (longshore sediment transport deficit) do thủy điện bậc thang trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn và tác động cản cát của các công trình kè cứng tại chỗ.
• Luồng quan điểm thứ hai: Khẳng định chính sự thay đổi trường sóng mùa Đông Bắc kết hợp cơ chế vận chuyển bùn cát ngang bờ (cross-shore sediment transport) trong các đợt bão cực đoan mới là tác nhân quyết định cuốn trôi cát ra xa bờ.

Luận án định vị mình ở giao điểm khoa học then chốt: bổ sung mắt xích động lực học vi mô còn thiếu – tác động của nước dâng do sóng tức thời nâng mực nước hiệu dụng lên cao, tạo điều kiện cho sóng phá hủy trực tiếp chân đụn cát. So sánh với các nghiên cứu đo đạc video quang học của Raimundo Ibaceta & Rafael Almar (2020) tại bãi biển Grand Popo (Benin) sử dụng công nghệ LiDAR, hay nghiên cứu trích xuất video timestack của Lê Thanh Bình (2014) tại Nha Trang, nghiên cứu của Nguyễn Ngọc Thế mang tính đột phá khi giải mã tín hiệu quang phổ RGB trực tiếp trong điều kiện thời tiết bão cấp 9 - cấp 13 để hiệu chỉnh mô hình hình thái 2D thời gian thực.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng trực tiếp Lý thuyết ứng suất bức xạ của Longuet-Higgins & Stewart (1962, 1964) và Lý thuyết cân bằng hình thái động lực học (Morphodynamic Equilibrium Theory) của Wright & Short (1984) sang môi trường bãi biển cát mịn nhiệt đới có chế độ nhật triều không đều và độ dốc đáy phức tạp. Mối quan hệ vi phân giữa gradient ứng suất bức xạ $S_{xx}$ và độ nghiêng mặt nước trung bình vuông góc bờ được chuẩn hóa:

$$\frac{\partial \bar{\eta}}{\partial x} = -\frac{1}{\rho g (h + \bar{\eta})} \left( \frac{\partial S_{xx}}{\partial x} + \frac{\partial S_{xy}}{\partial y} \right)$$

Đóng góp lý thuyết then chốt thể hiện qua các mệnh đề được kiểm chứng:

• Mệnh đề 1 (Theoretical Proposition 1): Nước dâng do sóng không chỉ là một hàm tuyến tính của độ cao sóng vỡ $H_b$ mà phụ thuộc phi tuyến vào chỉ số sóng vỡ $\kappa$ và sự biến đổi trắc diện đáy bãi theo công thức $\bar{\eta}_b = -\frac{\kappa H_b}{16 [1 + \frac{3}{8}\kappa^2]}$.
• Mệnh đề 2 (Theoretical Proposition 2): Trong các cơn bão cực đoan, mực nước dâng do sóng tại mép bờ tạo ra một "bước nhảy thủy lực động" (dynamic hydraulic step), triệt tiêu đới đệm bảo vệ tự nhiên của bãi triều, dời vị trí đới sóng vỡ vào sát chân đụn cát, chuyển hóa hoàn toàn cơ chế vận chuyển bùn cát từ dọc bờ sang cuốn trôi ngang bờ dạng dòng xối (offshore undertow flux).

Sự dịch chuyển mô hình (paradigm shift) ở đây nằm ở việc bác bỏ giả định truyền thống xem nhẹ NDDS trong tính toán đê kè biển tại Việt Nam, chứng minh rằng bỏ qua NDDS sẽ dẫn đến đánh giá thấp cao trình sóng tràn từ 0,6 m đến 1,2 m trong bão, trực tiếp dẫn đến hiện tượng sập đổ kè mái nghiêng và kè mềm tại Cửa Đại.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp liên hoàn 3 lý thuyết nền tảng:

1. Lý thuyết trường sóng ngẫu nhiên phi tuyến (Nonlinear Random Wave Theory): Phân tích truyền sóng từ nước sâu vào nước nông qua phương trình cân bằng phổ tác động sóng (mô hình SWAN).
2. Lý thuyết động lực học sóng tràn phi thủy tĩnh (Non-hydrostatic Swash Hydrodynamics): Giải hệ phương trình phi tuyến nước nông tích hợp sóng đơn kỳ và sóng trọng trường thấp (infragravity waves) (mô hình XBEACH).
3. Lý thuyết cân bằng vận chuyển bùn cát và sạt trượt bờ dốc (Sediment Mass Conservation and Avalanching Dynamics): Tính toán xói lở bãi cát và phá hủy chân đụn cát dựa trên ngưỡng góc nghỉ tới hạn (critical avalanching slope).

Điều kiện biên lý thuyết (boundary conditions) được giới hạn rõ ràng: áp dụng cho vùng bờ bãi cát biến tính dưới tác động sóng bão mùa Đông Bắc, độ dốc bãi biển $0,02 \le \tan\beta \le 0,08$, đường kính hạt trung bình $d_{50} = 0,22 \div 0,35\text{ mm}$, và biên độ triều nhỏ hơn 1,5 m.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên lập trường nhận thức luận Hiện thực phê phán (Critical Realism) kết hợp Thực chứng luận định lượng (Positivism), nhấn mạnh vào việc kiểm chứng các quy luật thủy động lực học khách quan thông qua dữ liệu thực nghiệm hiện trường và mô phỏng số học nghiêm ngặt.

Thiết kế nghiên cứu đa tầng (Multi-level nested research design) bao gồm 3 cấp độ:

• Cấp độ 1 (Vùng biển mở ngoài khơi): Mô hình hóa lan truyền sóng từ vùng nước sâu ngoài khơi miền Trung vào vùng ven biển Quảng Nam bằng mô hình SWAN trên lưới phi cấu trúc lồng ghép, tái phân tích trường gió NCEP từ năm 1988 đến 2017.
• Cấp độ 2 (Đới ven bờ Cửa Đại): Mô hình hóa chi tiết trường sóng, dòng chảy và nước dâng do sóng trên lưới tính toán mịn $15\text{ m} \times 15\text{ m}$ (mô hình XBEACH).
• Cấp độ 3 (Trắc diện bãi tắm và chân đụn cát): Quan trắc vi mô dao động mực nước tức thời và biến dạng trắc diện bãi tại các mặt cắt điển hình MCN-01, MCN-02 (khu vực bãi Tân Mỹ và bãi tắm khách sạn Agribank).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập dữ liệu hiện trường được thực hiện với độ chính xác cao:

• Quan trắc trắc diện địa hình: Sử dụng máy toàn đạc điện tử Leica TS02 với độ chính xác đo khoảng cách $[3\text{ mm} + 2\text{ ppm} \times D]$ và đo góc $\pm 2''$, kết hợp máy đo sâu hồi âm Garmin. Thực hiện đo đạc 9 đợt khảo sát chi tiết kéo dài từ tháng 03/2016 đến tháng 03/2017 qua các thời kỳ mùa gió Tây Nam và gió Đông Bắc, bao gồm các đợt đo trước, trong và ngay sau bão Sarika (10/2016).
• Quan trắc hải văn: Thiết lập đồng bộ các trạm quan trắc tự ghi:
  • Trạm SMS01 (phía Bắc Cửa Đại, độ sâu $-8,0\text{ m}$) và SMS02 (trước cửa sông, độ sâu $-6,0\text{ m}$) lắp đặt máy đo sóng và dòng chảy AWAC.
  • Trạm SCR1 (độ sâu $-1,2\text{ m} \div -1,8\text{ m}$) đặt máy AQUAPRO tự ghi dòng chảy vùng sóng đổ.
  • Trạm đo mực nước liên tục MN01 đặt tại cầu cảng đồn biên phòng Cửa Đại sử dụng cảm biến áp suất Level Troll 500 (hãng In-Situ, Mỹ) với tần suất đo 10 phút/mẫu suốt giai đoạn 12/01/2016 đến 04/03/2017, kết nối đối sánh với trạm hải văn quốc gia Sơn Trà.
• Công nghệ quan trắc video-camera và cọc tiêu: Lắp đặt hệ thống 06 cọc tiêu chuẩn hóa (C1 đến C6) bố trí dọc theo mặt cắt ngang bãi tắm Agribank trong bão Doksuri (12 - 15/09/2017). Camera chuyên dụng ghi hình liên tục các quan trắc (mỗi obs thu nhận trên 100 con sóng, thời lượng 10 - 15 phút, chu kỳ 5 - 7 giây/sóng). Thuật toán xử lý ảnh trích xuất tín hiệu quang phổ màu RGB dọc theo vạch cọc tiêu để nhận dạng mực nước tức thời với tỷ lệ sai số độ dài cực nhỏ ($< 1,5%$).
• Tam giác hóa phương pháp (Methodological Triangulation): Kết hợp chặt chẽ giữa đo đạc trắc địa quang học, đo đạc cảm biến âm học/áp suất dưới nước và mô phỏng số trị thủy thạch động lực học.

Data và phân tích

Số liệu phân tích hạt trầm tích đáy tại khu vực nghiên cứu cho thấy thành phần cát hạt trung và mịn, cấp phối hạt đồng nhất với đường kính hạt $d_{50} = 0,25\text{ mm}$, đưa trực tiếp vào mô-đun vận chuyển bùn cát của XBEACH.

Mô hình số trị được hiệu chỉnh (calibration) và kiểm định (validation) độc lập qua hai đợt đo thủy hải văn tháng 10/2016 và tháng 03/2017:

• Hiệu chỉnh mô hình sóng SWAN đạt hệ số tương quan $R^2 > 0,88$, sai số tuyệt đối trung bình độ cao sóng $\text{MAE} < 0,12\text{ m}$, chu kỳ sóng sai số $< 0,6\text{ s}$.
• Mô hình XBEACH kiểm định trường sóng và nước dâng do sóng trong bão Doksuri (2017) cho kết quả trùng khớp cao với số liệu camera, sai số mực nước dâng cực đại $\Delta \bar{\eta} < 0,08\text{ m}$.
• Kiểm tra tính bền vững (robustness checks): Mô hình được chạy thử nghiệm qua 3 nhóm kịch bản (KB1: triều trung bình có NDDS; KB2: triều cao có NDDS; KB3: triều trung bình không xét NDDS) trên 4 mặt cắt tính toán đại diện (CD01 đến CD04).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Định lượng chính xác độ lớn nước dâng do sóng tại Cửa Đại: Trong các đợt bão cực đoan (như bão Doksuri 2017 và Sarika 2016), nước dâng do sóng tại vị trí sát mép bờ đạt giá trị từ 0,65 m đến 1,18 m. NDDS đóng góp từ 25% đến 38% vào tổng mực nước dâng ven bờ trong bão, khẳng định NDDS là thành phần động lực bắt buộc phải tính toán trong thiết kế công trình.
2. Quy luật biến động dị thường của dòng chảy vùng sóng đổ: Dữ liệu thực đo từ trạm SCR1 trong vùng sóng đổ chỉ ra rằng vận tốc và hướng dòng chảy thay đổi tuần hoàn theo chu kỳ sóng vào - ra mà không hình thành dòng triều dọc bờ rõ rệt trong bão. Điều này cung cấp bằng chứng thực nghiệm trực tiếp chứng minh nhận định của Lê Đình Mầu (2012): "cơ chế VCBC ngang bờ trong bão chiếm ưu thế hơn VCBC dọc bờ".
3. Cơ chế phá hủy bãi cao và sạt trượt chân đụn cát do NDDS: So sánh giữa kịch bản KB1 (có xét NDDS) và KB3 (không xét NDDS) tại mặt cắt CD04 cho thấy: khi có NDDS, chiều rộng xói lở mặt bãi tăng thêm từ 18,5 m đến 34,2 m; chiều sâu xói chân đụn cát tăng từ 1,2 m đến 2,4 m ($p < 0,01$). Nước dâng dời vùng sóng vỡ trực tiếp vào sườn đụn cát, gây xói hàm ếch và kích hoạt sạt trượt cơ học theo mặt trượt trụ tròn.
4. Nguyên nhân thất bại của các công trình bảo vệ bờ dạng kè đứng/kè nghiêng đơn lẻ: Luận án chứng minh các công trình kè cứng tại chỗ (như kè khách sạn Fusion Alya, Vinpearl) thất bại vì chỉ bảo vệ phần chân đụn cát thụ động. Sóng bão kết hợp NDDS dâng cao tràn qua đỉnh kè, trong khi chân kè bị xói sâu cục bộ từ 1,5 m đến 2,8 m do phản xạ sóng, dẫn đến sập toàn bộ mái kè.
5. Hiện tượng bồi tụ hình thành tombolo sau đê ngầm giảm sóng: Mô phỏng các phương án công trình cho thấy giải pháp đê ngầm giảm sóng xa bờ ($L_B = 200 \div 300\text{ m}$, khoảng cách tới bờ $X = 250 \div 300\text{ m}$) làm giảm 60% - 75% chiều cao sóng tới bờ, kích thích bùn cát bồi lắng thành các doi cát tombolo phía sau đê, khôi phục bãi tắm tự nhiên.

Implications đa chiều

• Đóng góp học thuật: Xác lập phương pháp luận chuẩn mực về tích hợp công nghệ thị giác máy tính (computer vision) trong quan trắc thủy động lực ven bờ nhiệt đới; làm phong phú lý thuyết vận chuyển bùn cát trong điều kiện bão.
• Đổi mới phương pháp: Cung cấp bộ quy trình đo đạc và thuật toán trích xuất NDDS từ camera có chi phí thấp, độ bền cao trong bão, có thể chuyển giao cho toàn bộ các trạm giám sát bờ biển tại Việt Nam.
• Ứng dụng thực tiễn: Cung cấp thông số thiết kế chuẩn xác (cao trình đỉnh kè, độ sâu chân khay chống xói) cho các dự án chỉnh trị bờ biển Cửa Đại và các tỉnh duyên hải miền Trung.
• Khuyến nghị chính sách: Kiến nghị Bộ Nông nghiệp & PTNT và UBND tỉnh Quảng Nam chuyển đổi chiến lược từ "kè cứng bảo vệ cục bộ" sang "giải pháp chỉnh trị tổng thể: Đê ngầm giảm sóng từ xa kết hợp nuôi bãi nhân tạo và mỏ hàn mềm", đảm bảo hài hòa sinh thái và phát triển kinh tế du lịch bền vững.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn thừa nhận một số giới hạn nghiên cứu:

• Giới hạn dữ liệu bão: Hệ thống camera mới chỉ ghi nhận liên tục trong bão Doksuri (2017) và Sarika (2016); chưa thu thập được dữ liệu hình ảnh quang học ban đêm khi bão đổ bộ trùng thời điểm triều cường nửa đêm do hạn chế ánh sáng.
• Giới hạn mô hình 2D: Mô hình XBEACH dạng 2DH (hai chiều ngang) chưa mô tả đầy đủ hiệu ứng dòng xoáy thứ sinh ba chiều (3D) phức tạp xung quanh đầu mỏ hàn và cấu trúc đê ngầm rỗng.
• Đặc trưng bùn cát: Giả định đường kính hạt bùn cát đồng nhất trên toàn mặt cắt, chưa xét đến hiện tượng phân loại bùn cát (sediment sorting) dọc theo trắc diện từ bãi ngập đến đụn cát.

Chương trình nghiên cứu tương lai (Future Research Agenda):

1. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI/Deep Learning) và camera hồng ngoại tầm xa để tự động hóa trích xuất trường sóng và biến động bãi biển 24/7 trong mọi điều kiện bão lũ.
2. Nâng cấp mô hình hình thái học sang mô hình 3D hoàn chỉnh (như Delft3D-Flexible Mesh kết hợp SWASH 3D) để đánh giá chi tiết cấu trúc dòng rip và xói cục bộ chân công trình.
3. Nghiên cứu tác động liên hợp giữa nước biển dâng do biến đổi khí hậu toàn cầu đến năm 2050 - 2100 với tần suất bão siêu cấp đối với sự ổn định của hệ thống bãi biển Cửa Đại.
4. Mở rộng thử nghiệm các vật liệu đê ngầm giảm sóng rỗng bằng bê tông sinh thái kích thích san hô và thảm thực vật biển phát triển.

Tác động và ảnh hưởng

• Ảnh hưởng học thuật: Luận án mở ra hướng nghiên cứu thực nghiệm hiện đại về thủy thạch động lực học vùng bờ tại Việt Nam; các bài báo công bố từ luận án trên các tạp chí uy tín trong nước và quốc tế tạo nền tảng trích dẫn học thuật vững chắc cho các nghiên cứu sinh chuyên ngành Công trình Biển và Hải dương học.
• Chuyển đổi ngành công nghiệp xây dựng thủy lợi - công trình biển: Thay đổi hoàn toàn tư duy thiết kế truyền thống của các viện nghiên cứu và doanh nghiệp tư vấn xây dựng công trình thủy; thúc đẩy ứng dụng giải pháp công trình xanh (đê ngầm giảm sóng, nuôi bãi) thay cho tường kè bê tông đứng làm biến mất bãi tắm.
• Tác động chính sách và xã hội: Đóng góp trực tiếp vào đề án tổng thể bảo vệ bờ biển Hội An của Chính phủ và tỉnh Quảng Nam, bảo vệ hạ tầng du lịch trị giá hàng tỷ USD, bảo tồn không gian sinh kế cho hàng vạn hộ dân làm nghề du lịch và đánh bắt thủy hải sản tại Cửa Đại và An Bàng.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Giới học thuật: Tiếp cận phương pháp luận nghiên cứu kết hợp thực nghiệm video-camera hiện đại và bộ thông số mô hình XBEACH đã được kiểm định chính xác cho vùng biển nhiệt đới.
• Các cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Nông nghiệp & PTNT, Tổng cục Phòng chống thiên tai, Sở Nông nghiệp Quảng Nam): Sở hữu cơ sở khoa học định lượng vững chắc để thẩm định, phê duyệt và giám sát các dự án đầu tư bảo vệ bờ biển.
• Các kỹ sư và doanh nghiệp tư vấn thiết kế công trình thủy: Có được các công thức, biểu đồ tra cứu độ sâu xói chân khay và cao trình dâng nước sóng để tính toán kết cấu đê ngầm và kè biển an toàn, tiết kiệm 15% - 25% chi phí đầu tư do tối ưu hóa kích thước công trình.
• Cộng đồng dân cư và doanh nghiệp du lịch Hội An: Hưởng lợi trực tiếp từ việc khôi phục bãi cát trắng nguyên sơ, tái thiết cảnh quan du lịch bền vững và loại bỏ nguy cơ sạt lở nhà cửa, khu nghỉ dưỡng mỗi mùa mưa bão.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất là việc mở rộng Lý thuyết ứng suất bức xạ của Longuet-Higgins & Stewart (1962, 1964) trong việc thiết lập cơ chế tương tác phi tuyến giữa nước dâng do sóng và sự phá hủy cơ học của chân đụn cát ven biển. Luận án đã lượng hóa chính xác vai trò của NDDS như một cơ chế nâng mực nước cơ sở, chuyển hóa động năng sóng bão thành áp lực thủy động xâm thực trực tiếp vào vùng bãi cao – điều mà các lý thuyết vận chuyển bùn cát dọc bờ truyền thống bỏ qua.

2. Sự đổi mới về mặt phương pháp luận so với ít nhất hai nghiên cứu trước đây?

So với nghiên cứu của Nguyễn Xuân Hiển (2013) (chỉ tính NDDS bằng mô hình số trị vĩ mô kết hợp điều tra vết lũ lịch sử) và nghiên cứu của Lê Thanh Bình (2014) (dùng camera phân tích cường độ sáng trung bình tĩnh tại một mặt cắt trong điều kiện sóng êm), luận án đã tạo bước đột phá phương pháp luận: thiết lập quy trình giải mã quang phổ RGB động trên hệ thống cọc tiêu hiện trường trực tiếp trong bão dữ dội (sóng ngoài khơi $> 5\text{ m}$, gió cấp 9 - cấp 13), thu nhận chuỗi dao động sóng thời gian thực với hơn 100 con sóng/obs để hiệu chỉnh mô hình hình thái XBEACH với độ chính xác cao.

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ dữ liệu thực tế là gì?

Phát hiện bất ngờ và phản trực giác nhất là dữ liệu đo đạc dòng chảy tự ghi từ máy AQUAPRO tại trạm SCR1 trong vùng sóng vỡ: dòng chảy ven bờ trong bão không biểu hiện rõ nét dòng chảy dọc bờ hay dòng triều, mà dao động hỗn loạn theo từng chu kỳ sóng xối theo phương ngang bờ. Điều này đập tan giả định lâu nay cho rằng xói lở Cửa Đại trong bão chủ yếu do dòng chảy dọc bờ cuốn cát đi, khẳng định cơ chế cuốn trôi cát ngang bờ ra các cồn cát ngầm ngoài khơi mới là động lực thống trị trong các hiện tượng thời tiết cực đoan.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lặp nghiên cứu (replication protocol) không?

Có. Luận án cung cấp chi tiết toàn bộ quy trình công nghệ: sơ đồ bố trí cọc tiêu C1-C6, thông số kỹ thuật góc đặt camera, bảng tỷ lệ chuyển đổi pixel sang kích thước thực tế ($mm/pixel$), thuật toán tách ngưỡng màu RGB, cùng bộ tham số hiệu chỉnh mô hình SWAN và XBEACH ($cf = 0,0015$, gamma breaker, avalanching angles) cho phép các nhà khoa học khác tái lặp hoàn toàn quy trình tại bất kỳ bãi biển nào.

5. Khung chương trình nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo như thế nào?

Luận án định hình chương trình 10 năm tới gồm 3 trụ cột: (1) Tích hợp mạng lưới trạm quan trắc camera AI thông minh tự động cảnh báo xói lở đường bờ thời gian thực; (2) Nghiên cứu mô hình 3D tương tác sóng - cấu trúc đê ngầm rỗng sinh thái; (3) Tích hợp mô hình kinh tế - kỹ thuật trong quản trị tổng hợp vùng bờ biển thích ứng biến đổi khí hậu toàn cầu.

Kết luận

1. Xác lập kỹ thuật quan trắc hiện trường tiên phong: Xây dựng thành công quy trình ứng dụng công nghệ video-camera kết hợp hệ thống cọc tiêu để đo đạc và trích xuất chính xác dao động mực nước và nước dâng do sóng trong điều kiện bão thực tế ven biển miền Trung Việt Nam.
2. Định lượng chính xác tác động của NDDS: Chứng minh NDDS trong bão tại Cửa Đại đạt từ 0,65 m đến 1,18 m, đóng góp 25% - 38% vào tổng mực nước dâng ven bờ, là nhân tố quyết định gây xói lở bãi cao và sụt lở chân đụn cát.
3. Làm sáng tỏ quy luật thủy thạch động lực học: Cung cấp bằng chứng thực nghiệm khẳng định cơ chế vận chuyển bùn cát ngang bờ chiếm ưu thế tuyệt đối so với vận chuyển bùn cát dọc bờ trong các đợt thời tiết cực đoan mùa gió Đông Bắc.
4. Giải mã nguyên nhân hư hỏng công trình cũ: Chỉ rõ nguyên nhân sụp đổ của các tuyến kè mềm và kè mái nghiêng bê tông tại Cửa Đại là do không tính đến NDDS, dẫn đến xói sâu chân khay và sóng tràn phá hủy đỉnh kè.
5. Đề xuất giải pháp công trình tổng thể đột phá: Xác lập cơ sở khoa học vững chắc cho giải pháp đê ngầm giảm sóng xa bờ kết hợp nuôi bãi nhân tạo, tạo điều kiện bồi tụ tự nhiên các khối tombolo, khôi phục và bảo vệ bền vững bãi biển Cửa Đại, Hội An.
6. Mở ra các hướng nghiên cứu liên ngành: Đặt nền móng cho việc ứng dụng thị giác máy tính và trí tuệ nhân tạo trong hải dương học công trình, cung cấp công cụ phục vụ đắc lực cho công tác quy hoạch, quản lý và bảo vệ bờ biển Việt Nam trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC DÂNG DO SÓNG VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BỜ BIỂN 1. Khái quát chung về nước dâng do sóng và ảnh hưởng của nước dâng do sóng 1. Các thuật ngữ liên quan đến nước dâng do sóng Mực nước cực trị trong bão là giá trị dâng lên của mực nước biển trong bão so với mực nước trung bình, là tổng các thành phần thủy triều, nước dâng do bão và nước dâng do sóng, trong đó, nước dâng do bão là thành phần quan trọng. Nước dâng do bão là hiện tượng mực nước biển dâng cao hơn mức bình thường dưới tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khí tượng khi có bão.

NDDB thường xảy ra trên một đoạn bờ biển khoảng 100 dặm hoặc hơn. Mặc dù tần suất xuất hiện không nhiều nhưng nó lại rất nguy hiểm do mực nước thường dâng cao và bất ngờ, gây hậu quả nghiêm trọng cho khu vực ven biển. Nước dâng do sóng là sự tăng lên của mực nước trung bình do sự truyền của năng lượng sóng lên cột nước trong quá trình truyền sóng và đặc biệt là quá trình sóng đổ. Các nghiên cứu về lý thuyết cũng như mô hình số trị cho thấy, nước dâng do sóng có độ lớn đáng kể tại vùng nước nông ven bờ do độ sâu giảm.

Theo các đánh giá khác nhau, khoảng thời gian tối thiểu để hình thành nước dâng do sóng là 1 giờ. Trong các cơn bão, thời gian kéo dài nước dâng do sóng trùng với thời gian của sóng bão và tồn tại trong nhiều giờ. Các nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh sự đóng góp đáng kể của nó vào mực nước cực trị trong bão tại các điểm ven bờ [11]. Trong những đợt gió mùa mạnh, nước dâng do sóng có thể kéo dài đến hàng ngày [12].1 Sơ đồ mô tả các thuật ngữ về nước dâng do bão, nước dâng do sóng.

`7 Đối với bãi biển tự nhiên, những biến đổi của mực nước và đặc trưng sóng có thể dẫn đến những biến đổi của mặt cắt ngang cũng như hình dạng bãi biển. Hệ quả quan trọng nhất là hiện tượng xói lở bờ. Trong trường hợp sóng bão, sự biến đổi của mặt cắt ngang bão biển là đáng kế và đòi hỏi một khoảng thời gian dài mới có thể phục hồi được [13]. Phạm vi ảnh hưởng và tác động của nước dâng do sóng tới bãi biển Phạm vi ảnh hưởng của nước dâng do sóng tới bãi biển thường trong khu vực nước nông ven bờ, khu vực chịu tác động mạnh nhất thuộc vùng sóng tràn (Swash zone), đây là một khu vực có biến động mạnh và có chế độ thủy động lực rất phức tạp.2 Hình thái bãi biển [14].2 chỉ ra các khái niệm cơ bản, thành phần cấu tạo của địa hình bờ biển.

Bờ phía trong là vùng phía trong của bãi biển hoặc bờ biển có ranh giới từ vị trí mực nước cao trung bình đến rãnh xói của đụn cát; Bờ phía ngoài là vùng có ranh giới từ vị trí mực nước trung bình cao nhất đến vị trí mực nước trung bình thấp nhất, vùng này bao gồm đới sóng vỡ và vùng sóng tràn; Đới sóng vỡ là vùng có ranh giới từ mực nước trung bình thấp nhất đến vị trị trí sóng vỡ hoàn toàn; Vùng sóng tràn là khu vực sóng tràn lên bãi sau khi vỡ hoàn toàn; Vùng sóng vỡ của bờ là vùng phía trong của đới sóng vỡ ngoài, có giới hạn là vị trí mực nước thấp nhất; Đới sóng vỡ ngoài là vùng có ranh giới từ khi sóng đổ lần đầu đến vị trí ngoài của đới sóng vỡ ngoài. Vùng sóng đổ là khu vực từ giới hạn ngoài của đới sóng đổ và điểm sóng bổ nhào. `8 Trong các nghiên cứu của Butt & Russell (1999), Masselink & Puleo (2006), Bakhtyar et al (2009) đã chứng minh rằng vùng sóng tràn là khu vực biến động nhất trong khu vực gần bờ và nó được đặc trưng bởi dòng chảy mạnh và không ổn định, mức biến động cao, vận chuyển bùn cát diễn ra mạnh mẽ gây thay đổi hình thái bãi biển trong một khoảng thời gian nhỏ [15], [16], [17]. Nghiên cứu của Short (1999) đã mô tả hai đặc điểm bổ sung làm cho hình thái động lực vùng sóng tràn độc đáo so với phần còn lại của bãi biển.

Thứ nhất là độ sâu nước trong sóng tràn có thể rất nhỏ, đặc biệt trong pha nước đi xuống, dẫn đến một tình huống dòng chảy phức tạp. Thứ hai, một phần của đáy trong vùng sóng tràn là không bão hòa gây nên sự xâm nhập của nước ở phía dưới đáy, đây là một khía cạnh quan trọng liên quan đến vận chuyển bùn cát [18]. Đối với bãi biển cát, hình dạng của bãi biển thay đổi liên tục dưới tác động của sóng gió và dòng chảy và đặc biệt là thay đổi đáng kể trong thời gian xảy ra bão. Một cơn bão có thể làm xói lở mạnh chân và sườn ngoài của đụn cát và đưa phần lớn lượng cát bị xói lở ở chân và sườn ngoài ra khu vực gần bờ tạo thành các bar, làm phẳng bãi biển và khiến nó rộng hơn.

Mất cát từ một đụn cát dưới sự tác động của sóng, chủ yếu do quá trình tạo rãnh, sạt lở và sụt lún.3 Cơ chế phá hủy đụn cát ven bờ [19]. Sự tác động của NDDS vào các đụn cát có thể làm một phần của mặt ngoài đụn cát bị sụp đổ hoặc cũng có thể tạo ra một vết nứt sâu ở chân đụn cát dẫn đến sự sụp đổ của cả mảng đất cát phía trên đụn cát, bắt đầu bởi sự nứt do kéo ở bề mặt trên cùng của cồn cát, `9 sau đó là sự cố trượt dọc theo mặt phẳng hư hỏng bên trong hoặc bị lật do trọng lượng của phần nhô ra. Lớp trầm tích bị sụt này sẽ trượt xuống dưới, nơi nó có thể bị xói mòn thêm lần nữa bởi các quá trình do sóng gây ra. Sau đó, trầm tích được vận chuyển ra biển, nơi nó sẽ lắng xuống ở vùng nước sâu hơn phía ngoài tạo thành các bar chắn phía ngoài.

Ngoài tác động gây xói lở bãi biển, hiệu ứng NDDS tại các bãi biển có độ dốc khác nhau có thể gây ra hiện tượng dòng Rip, là nguyên nhân của các vụ đuối nước của người dân cũng như du khách tắm biển, nghỉ dưỡng. a) Nước dâng vươn phía trên b) Tác động bào mòn mặt bãi c) Nước rút mang bùn cát các đụn cát và phá hủy chân đụn cát khỏi vị trí ban đầu Hình 1.4 Hình ảnh minh họa tác động NDDS đến xói lở chân đụn cát tại bãi Tân Mỹ, Cửa Đại trong đợt bão tháng 10/2016. Tổng quan các nghiên cứu về nước dâng do sóng trên thế giới Trên thế giới, nước dâng do sóng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu từ những năm 1960 sau lý thuyết ban đầu được nghiên cứu của Longuet-Higgins (1962) và Longuet-Higgins và Stewart (1963, 1964) [20], [21], [22]. Các nghiên cứu này lần đầu đưa ra khái niệm về ứng xuất bức xạ và mối quan hệ với NDDS tại các điểm ven bờ.5 Ứng suất bức xạ sóng [23].

`10 Ứng suất bức xạ được đưa ra như sau: 1 Sxx = E(ncos 2 θ + n − ) (1. 2) 2 E Sxy = Syx = sin2θ (1. 3) 2 trong đó: Sxx, Syy, Sxy, Syx là các thành phần của ứng suất bức xạ theo các hướng x và y; E là mật độ năng lượng sóng, n là tỉ số giữa vận tốc nhóm sóng và vận tốc sóng;  là góc giữa hướng sóng và trục x. Nếu không xét đến tác động của ứng suất gió thì sự biến đổi của mực nước trong một chu kỳ sóng được đưa ra như sau: ∂(η̅) 1 ∂Sxx ∂Sxy (1.

5) ∂y ρg(h + η̅) ∂y ∂x trong đó, là thành phần nước dâng do ứng suất sóng,  là mật độ nước biển, g là gia tốc trọng trường, h là độ sâu, bx, by là ứng suất đáy theo hướng x, y. Trong trường hợp đơn giản khi sóng truyền vuông góc với hướng bờ và bỏ qua ứng suất mặt và ứng suất đáy. Khi đó sự biến đổi của mực nước trung bình theo phương vuông góc với bờ được đưa ra như sau: ∂(η̅) 1 ∂Sxx (1. 7) 2g Trong đó,u2 vàw2 lần lượt là giá trị tốc độ quỹ đạo sóng trung bình phương ngang và phương thẳng đứng theo thời gian.

Phương trình 1.7 là một dạng của phương trình Bernoulli cho dòng chảy không ổn định `11 và với giả thiết là không có biến động mực nước trung bình gây ra bởi sóng tại vùng nước sâu (C = 0) và khi đó nước dâng do sóng có giá trị âm (wave setdown) và được đưa ra như sau: Hb2 k b η ̅̅̅b = − (1. 8) 8sin2k b hb trong công thức (1.8): Hb và kb là độ cao sóng và số sóng tại điểm sóng đổ. Đối với điều kiện nước nông và giới hạn độ sâu sóng đổ (Hb =  (h + )), ta có: 𝜅Hb η ̅̅̅b = − (1. 10) 16 3κ2 (1 + ) 8 Có thể thấy rằng, giá trị của nước dâng do sóng phụ thuộc vào chỉ số sóng vỡ κ, giá trị này phụ thuộc vào độ dốc của địa hình đáy biển và các thông số sóng ngoài khơi.

Nghiên cứu của Holman R. A (1990), đã sử dụng các dữ liệu đo đạc và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, khẳng định về cấu trúc của trường mực nước, ở vùng sóng không đổ nhào quan sát thấy sự hạ thấp mực nước, còn ở vùng sóng vỗ bờ sự dâng lên. Hơn nữa giữa lý thuyết và thực nghiệm trùng hợp với nhau về định lượng [24], [25]. Lý thuyết Longuet-Higgins − Stewart tỏ ra phù hợp để giải thích sự hình thành của hiện tượng rút và dâng nước do sóng, cũng như giải thích cơ chế hình thành các mạch động vỗ bờ ở đới ven bờ [21].

Bowen và nnk (1968), đã tiến hành một thí nghiệm để kiểm tra lý thuyết này, đã mô phỏng quá trình sóng tràn vào bờ và bị phá hủy ở đới sóng vỗ bờ, kết quả của thí nghiệm được thể hiện trên hình 1. Kết quả thí nghiệm cho thấy sự phù hợp rất tốt giữa tính toán lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm. Ngoài ra có thể thấy rằng từ lý thuyết, bên ngoài `12 vùng sóng vỗ bờ đã quan sát thấy sự hạ thấp mực nước (nước rút do sóng), còn trong vùng sóng vỗ bờ đã quan sát thấy hiện tượng nước dâng [26].6 Trắc diện mực nước sóng (a) và độ cao sóng (b) theo dữ liệu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm của [26]. Tiếp theo đã có nhiều nghiên cứu về NDDS theo hướng thực nghiệm hiện trường tại các bãi biển phẳng với độ dốc nhỏ đến những bãi biển phức tạp như cửa sông, vũng, vịnh trên thế giới.