Luận án tiến sĩ 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

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển và giải pháp bảo vệ bãi biển cửa, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• 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 và giải pháp bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• 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
• 2.2.1. Tài liệu địa hình
• 2.2.2. Tài liệu thủy, hải văn
• 2.2.3. Số liệu bùn cát đáy
• 2.3. Phương pháp phân tích nước dâng do sóng từ bộ số liệu đo đạc
• 2.3.1. Cơ sở khoa học phân tích nước dâng do sóng từ hình ảnh camera
• 2.3.2. Phân tích ảnh, trích xuất dao động mực nước từ camera và cọc tiêu
• 2.3.3. Tính toán nước dâng do sóng từ chuỗi số liệu đo đạc
• 2.4. Phương pháp mô hình toán mô phỏng nước dâng do sóng
• 2.4.1. Giới thiệu mô hình sử dụng trong nghiên cứu luận án
• 2.4.2. Tính toán lan truyền sóng từ nước sâu vào vùng ven bờ
• 2.4.3. Tính toán nước dâng do sóng và biến động bãi biển
• 2.5. 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
• 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
• 3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển
• 3.4.1. Trường hợp tính toán và vị trí các mặt cắt tính toán
• 3.4.2. Kết quả mô phỏng nước dâng do sóng trong bão ven biển Cửa Đại
• 3.4.3. Phân tích ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển
• 3.5. 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 ngăn cát, giảm sóng
• 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
• 4.9.1. Phương pháp đánh giá
• 4.9.2. Độ cao sóng sau khi bố trí các phương án công trình bảo vệ
• 4.9.3. Biến động bãi biển theo các phương án bố trí công trình
• 4.10. Lựa chọn phương án công trình
• 4.11. 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
• 0.3. Những tồn tại và kiến nghị hướng tiếp tục nghiên cứu
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng quan về biến động bãi biển và nước dâng do sóng

Nghiên cứu tập trung vào biến động bãi biển tại khu vực Cửa Đại, Hội An, đặc biệt là tác động của nước dâng do sóng. Nước dâng do sóng là hiện tượng mực nước biển tăng cao do năng lượng sóng truyền vào bờ, gây xói lở và thay đổi địa hình bãi biển. Khu vực Cửa Đại chịu ảnh hưởng nặng nề từ các cơn bão và gió mùa Đông Bắc, dẫn đến tình trạng xói lở nghiêm trọng. Nghiên cứu sử dụng các phương pháp đo đạc và mô hình toán học để phân tích tác động của sóng biển đến biến động địa chất và đề xuất các giải pháp bảo vệ hiệu quả.

1.1. Hiện trạng biến động bãi biển Cửa Đại

Khu vực Cửa Đại đã chứng kiến sự xói lở nghiêm trọng từ năm 2009, đặc biệt tại các khu nghỉ dưỡng ven biển. Các công trình bảo vệ hiện có không đủ hiệu quả, dẫn đến thiệt hại lớn về kinh tế và môi trường. Nghiên cứu chỉ ra rằng sóng biển trong các cơn bão đã gây xói lở chân đụn cát và lấn sâu vào đất liền, đe dọa hạ tầng kỹ thuật và cuộc sống người dân.

1.2. Tác động của nước dâng do sóng

Nước dâng do sóng được xác định là yếu tố chính gây biến động bãi biển. Quá trình truyền năng lượng sóng vào bờ làm tăng mực nước, gây xói lở và thay đổi địa hình. Nghiên cứu sử dụng mô hình SWAN và XBEACH để mô phỏng và phân tích tác động của nước dâng do sóng đến biến động địa chất tại Cửa Đại.

II. Phương pháp nghiên cứu và kết quả phân tích

Nghiên cứu áp dụng các phương pháp đo đạc địa hình, thủy văn và mô hình toán học để phân tích biến động bãi biển. Dữ liệu từ các trạm đo đạc và hình ảnh camera được sử dụng để trích xuất thông tin về nước dâng do sóng và biến động địa hình. Kết quả cho thấy sóng biển trong các cơn bão đã gây xói lở nghiêm trọng tại Cửa Đại, đặc biệt là khu vực bãi Tân Mỹ và bãi Agribank.

2.1. Phương pháp đo đạc và mô hình hóa

Nghiên cứu sử dụng hệ thống camera và cọc tiêu để đo đạc dao động mực nước và biến động địa hình. Mô hình SWAN được sử dụng để tính toán lan truyền sóng, trong khi mô hình XBEACH mô phỏng biến động bãi biển dưới tác động của nước dâng do sóng.

2.2. Kết quả phân tích

Kết quả cho thấy nước dâng do sóng trong các cơn bão đã gây xói lở nghiêm trọng tại Cửa Đại. Độ cao sóng và mực nước dâng được ghi nhận cao hơn mức bình thường, dẫn đến thay đổi địa hình bãi biển. Nghiên cứu cũng chỉ ra sự cần thiết của các giải pháp bảo vệ hiệu quả hơn.

III. Đề xuất giải pháp bảo vệ bãi biển Cửa Đại

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các giải pháp bảo vệ được đề xuất bao gồm xây dựng công trình ngăn cát, giảm sóng và bố trí hợp lý các kè mỏ hàn. Các phương án được đánh giá về hiệu quả kỹ thuật và khả năng giảm thiểu biến động bãi biển. Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kết hợp các giải pháp công trình và phi công trình để bảo vệ bền vững Cửa Đại, Hội An.

3.1. Các phương án công trình

Nghiên cứu đề xuất các phương án bố trí công trình ngăn cát và giảm sóng, bao gồm đê ngầm và kè mỏ hàn. Các phương án được đánh giá dựa trên khả năng giảm độ cao sóng và biến động bãi biển.

3.2. Đánh giá hiệu quả

Các phương án được đánh giá thông qua mô phỏng và so sánh biến động bãi biển trước và sau khi bố trí công trình. Kết quả cho thấy các phương án đề xuất có khả năng giảm thiểu đáng kể tác động của nước dâng do sóng và biến động địa chất.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bãi biển Cửa Đại, thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam nằm ở vị trí trung tâm của dải bờ biển kéo dài từ chân núi Sơn Trà (thành phố Đà Nẵng) qua phường Điện Dương (thị xã Điện Bàn) đến phường Cửa Đại. Khu vực này tập trung hệ thống cồn cát trắng, cảnh quan ven bờ và các khu nghỉ dưỡng phục vụ phát triển kinh tế du lịch địa phương. Tuy nhiên, từ năm 2009 trở lại đây, khu vực ven bờ phía Bắc bãi biển Cửa Đại liên tục xảy ra hiện tượng xói lở nghiêm trọng trong mùa gió Đông Bắc và các đợt thiên tai bão, triều cường.

Mặc dù chính quyền địa phương và các doanh nghiệp du lịch đã đầu tư nguồn kinh phí lớn để xây dựng nhiều dạng công trình bảo vệ bờ biển (như kè cứng mái nghiêng, tường chắn sóng), phần lớn các công trình này bộc lộ nhược điểm: sóng bão vẫn gây xói lở mặt bãi, tràn qua đỉnh kè, phá hủy kết cấu công trình và hạ tầng phía sau. Tại các bãi biển tự nhiên chưa có công trình (khu vực bãi Tân Mỹ, đoạn từ khách sạn Agribank đến bãi tắm An Bàng), sóng vươn sâu gây xói lở chân đụn cát và làm đường bờ thoái lui vào đất liền.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định là: các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào bình diện chung về chế độ thủy thạch động lực, cán cân vận chuyển bùn cát dọc bờ hoặc nước dâng do bão trên diện rộng; còn thiếu các nghiên cứu định lượng chuyên sâu về tác động của các yếu tố động lực học ven bờ cực đoan, đặc biệt là hiện tượng nước dâng do sóng (NDDS) tác động trực tiếp lên bãi cao và chân đụn cát trong thời gian bão. Bên cạnh đó, số liệu thực đo về nước dâng do sóng trong điều kiện sóng lớn tại Việt Nam còn rất hạn chế, dẫn đến việc thiếu cơ sở thực nghiệm tin cậy để hiệu chỉnh mô hình và đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bền vững.

Mục tiêu nghiên cứu

1. Tính toán được nước dâng do sóng từ bộ số liệu thực đo tại hiện trường bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu và trên mô hình toán để làm rõ một số quy luật biến động bãi biển và ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển khu vực nghiên cứu.
2. Đề xuất được giải pháp công trình bảo vệ hiệu quả nhằm ổn định vùng bờ biển, phục vụ phát triển kinh tế du lịch biển bền vững trong khu vực nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Nước dâng do sóng và biến động bãi biển do tác động của nước dâng do sóng.
• Phạm vi không gian: Dải bãi biển phía Bắc Cửa Đại, Hội An với chiều dài 7,6 km, tính từ khu vực tiếp giáp cửa sông Cửa Đại lên đến hết bãi tắm An Bàng.
• Phạm vi thời gian và tài liệu:
  • Chuỗi số liệu thống kê các cơn bão từ Trung tâm Khí tượng Nhật Bản (JMA) giai đoạn 1979 – 2020.
  • Chuỗi số liệu gió tái phân tích từ NCEP giai đoạn 1988 – 2017 phục vụ mô phỏng sóng nước sâu.
  • Dữ liệu quan trắc địa hình, thủy hải văn đồng bộ trong các năm 2015, 2016, 2017 và dữ liệu vết bão năm 2020.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Nghiên cứu về nước dâng do sóng trên thế giới được hình thành từ lý thuyết ứng suất bức xạ sóng của Longuet-Higgins (1962), Longuet-Higgins và Stewart (1963, 1964). Các nghiên cứu này giải thích cơ chế hình thành hiện tượng nước rút do sóng (wave setdown) ở ngoài vùng sóng vỡ và nước dâng do sóng (wave setup) ở vùng sóng đổ dạt vào bờ. Thí nghiệm kiểm chứng của Bowen và cộng sự (1968), Holman (1990) đã xác nhận sự tương đồng giữa lý thuyết bức xạ sóng và dữ liệu thực nghiệm phòng thí nghiệm.

Về chế độ thủy động lực và biến động trầm tích vùng sóng tràn (swash zone), các công trình của Butt & Russell (1999), Short (1999), Masselink & Puleo (2006), Bakhtyar và cộng sự (2009) đã phân tích dòng chảy không ổn định và cơ chế xói mòn, sụt lún chân đụn cát do sóng.

Về công thức tính toán thực nghiệm nước dâng do sóng:

• King và cộng sự (1990) tại bãi biển Woolacombe (Anh) thiết lập quan hệ giữa nước dâng do sóng và độ cao sóng vỡ quân phương: $0{,}11 < \bar{\eta}/h_{b,rms} < 0{,}15$.
• Hanslow và Nielsen (1992, 1993, 1996) thiết lập công thức tính nước dâng tại mép bờ dựa trên độ cao và độ dài sóng nước sâu: $\bar{\eta} = 0{,}38 H_{s0}^{0{,}5} L_0^{0{,}5}$.
• Stockdon và cộng sự (2006), Tanaka và Shuto (1992), Tanaka và cộng sự (2009) nghiên cứu thực nghiệm trên nhiều bãi biển tự nhiên và bãi biển có công trình ngầm.

Về phương pháp mô hình số trị và thiết bị quan trắc quang học:

• Funakoshi và cộng sự (2008) kết hợp mô hình ADCIRC và SWAN, xác định nước dâng do sóng đóng góp từ 10% đến 15% vào mực nước cực trị trong bão.
• Chen và cộng sự (2008) đánh giá sự biến thiên đóng góp của sóng trên các dạng địa hình đáy khác nhau.
• Raimundo Ibaceta và Rafael Almar (2016) áp dụng thiết bị Lidar quan trắc sóng và mực nước tại bãi biển Grand Popo (Benin).

Các hướng nghiên cứu tại Việt Nam

• Nghiên cứu nước dâng do bão: Các công trình ban đầu từ năm 1970 của Lê Phước Trình, Trần Kỳ, Nguyễn Văn Cư (1979), Đỗ Ngọc Quỳnh (1982), Lê Trọng Đào (1999), Nguyễn Vũ Thắng (1999), Bùi Xuân Thông (2000) và các đề tài cấp nhà nước do Viện Cơ học chủ trì từ thập niên 1980. Đề tài hợp tác Việt - Trung (2013) ghi nhận sự sai khác giữa nước dâng ven bờ và trạm Hòn Dấu do thành phần sóng gây ra.
• Nghiên cứu ứng dụng công nghệ quan trắc hiện trường: Đề tài nghị định thư do Nguyễn Trung Việt chủ trì (2013) dùng thiết bị Vectrino II đo dao động mực nước tại vịnh Nha Trang; Lê Thanh Bình (2013) sử dụng camera trích xuất cường độ sáng chuỗi thời gian để xác định đặc trưng sóng tại Nha Trang.
• Nghiên cứu mô hình toán về nước dâng do sóng: Nguyễn Xuân Hiển (2013) tính toán nước dâng tổng cộng tại Hải Phòng (NDDS chiếm 20% - 30%); Đỗ Đình Chiến (2014) dùng mô hình SuWAT mô phỏng bão Xangsane (2006) tại Đà Nẵng (NDDS chiếm đến 35%); Nguyễn Bá Thủy (2017) dùng SuWAT kết hợp mô hình WRF cho khu vực ven biển Bắc Bộ; Vũ Hải Đăng và cộng sự (2017) định lượng các thành phần nước dâng bão Xangsane; Nguyễn Ngọc Thế và cộng sự (2019) kết hợp mô hình SWAN và SWASH tại Cửa Đại.
• Nghiên cứu khu vực Cửa Đại, Hội An: Lê Đình Mầu (2003, 2012, 2015) phân tích diễn biến đường bờ từ năm 1965, tính toán cán cân vận chuyển bùn cát dọc bờ qua mô hình WAM, SWAN, GENESIS; Huỳnh Công Hoài và cộng sự (2018) dùng mô hình TOMAWAC mô phỏng chế độ sóng 8 năm (2009 - 2016); Vũ Minh Cát (2013) dùng MIKE21-FM Couple mô phỏng địa hình cửa sông; Nguyễn Kim Đan và Nguyễn Trung Việt (2016 - 2017) trong đề tài nghiên cứu xói lở bờ biển Hội An; Nguyễn Ngọc Thế và cộng sự (2017) nghiên cứu kè mềm và mô hình SWASH.

Khoảng trống luận án giải quyết

Phần lớn các nghiên cứu mô hình toán về nước dâng do sóng trước đây tại Việt Nam sử dụng số liệu vết nước điều tra sau bão để kiểm định, chưa có số liệu đo đạc trực tiếp dao động mặt nước trong cơn bão. Luận án thực hiện quan trắc thực nghiệm bằng hệ thống camera kết hợp cọc tiêu trong bão tại bãi biển Cửa Đại để trích xuất số liệu nước dâng do sóng thực đo, dùng bộ số liệu này kiểm định mô hình số trị, định lượng ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi cát và đề xuất phương án công trình bảo vệ bờ biển có căn cứ khoa học.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và công thức cơ bản

Luận án áp dụng lý thuyết ứng suất bức xạ sóng của Longuet-Higgins và Stewart. Các thành phần ứng suất bức xạ $S_{xx}, S_{xy}, S_{yx}$ được xác định qua mật độ năng lượng sóng $E$, tỷ số vận tốc nhóm $n$ và góc truyền sóng $\theta$:

$$S_{xx} = E\left(n \cos^2\theta + n - \frac{1}{2}\right)$$

$$S_{xy} = S_{yx} = \frac{E}{2} n \sin 2\theta$$

Phương trình cân bằng động lượng trung bình theo chu kỳ sóng theo phương vuông góc với bờ (khi bỏ qua ứng suất mặt và đáy):

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

Nước rút do sóng ngoài đới sóng đổ ($h = h_b$):

$$\bar{\eta}_b = -\frac{k_b H_b^2}{8 \sinh 2k_b h_b}$$

Trong điều kiện nước nông với chỉ số sóng vỡ $\kappa = H_b / (h_b + \bar{\eta}_b)$:

$$\bar{\eta}_b = -\frac{\kappa H_b}{16 \left(1 + \frac{3\kappa^2}{8}\right)}$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án tích hợp 4 phương pháp chính:

1. Phương pháp nghiên cứu tổng quan: Phân tích các nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và ứng dụng công trình trong nước và quốc tế.
2. Phương pháp thực nghiệm hiện trường:
   • Đo đạc mặt cắt ngang địa hình bãi biển (máy toàn đạc Leica TS02, máy đo sâu Garmin).
   • Đo đạc thủy hải văn (sóng, dòng chảy, mực nước) bằng máy AWAC, AQUAPRO và Level Troll 500.
   • Quan trắc dao động mặt nước biển bằng công nghệ video camera kết hợp hệ thống 6 cọc tiêu bố trí trên mặt cắt ngang bãi biển trong bão.
3. Phương pháp mô hình số trị:
   • Mô hình SWAN (Simulating Waves Nearshore): Mô phỏng lan truyền, biến dạng sóng từ vùng nước sâu vào vùng nước nông ven bờ.
   • Mô hình XBEACH: Mô phỏng quá trình thủy động lực, sóng trong vùng sóng tràn, nước dâng do sóng và biến động hình thái mặt cắt ngang bãi cát.
4. Phương pháp nghiên cứu ứng dụng: Tính toán và đánh giá hiệu quả kỹ thuật của các phương án công trình bảo vệ bờ (đê ngầm giảm sóng kết hợp mỏ hàn).

Nguồn tư liệu và số liệu sử dụng

Nhóm số liệu	Nguồn gốc / Thiết bị thu thập	Phạm vi / Thời đoạn số liệu	Mục đích sử dụng
Địa hình đáy biển	Bản đồ số hóa 1/100.000 (Viện Hải dương học Nha Trang, 2015); bình đồ 1/5000 và 1/2000 (Dự án Hội An, 10/2016)	Từ Sơn Trà đến Cửa Lở, mở rộng ra khơi 35 km	Thiết lập miền tính toán và lưới địa hình mô hình SWAN, XBEACH
Mặt cắt ngang thực đo	Đo đạc trực tiếp (Leica TS02, Garmin)	MCN-01 (5 đợt: 3/2016 - 3/2017); MCN-02 (trước, trong, sau bão Sarika 10/2016)	Đánh giá quy luật biến động bãi theo mùa và kiểm định mô hình XBEACH
Thống kê bão	Dữ liệu khí tượng JMA	83 cơn bão trong bán kính 200 km giai đoạn 1979 – 2020	Xác định tần suất xuất hiện, hướng di chuyển và cường độ bão
Sóng nước sâu	Tái phân tích từ trường gió NCEP bằng mô hình SWAN	Giai đoạn 1988 – 2017	Cung cấp điều kiện biên sóng ngoài khơi
Hải văn chuyên đề	Máy AWAC, AQUAPRO tại các trạm SMS01, SMS02, SCR1	Đợt 1 (10/2016), Đợt 2 (3/2017)	Hiệu chỉnh và kiểm định tham số mô hình SWAN (độ cao, chu kỳ, hướng sóng)
Mực nước biển	Thiết bị Level Troll 500 (trạm Cửa Đại); trạm hải văn Sơn Trà	Tần suất 10 phút/lần từ 12/1/2016 đến 4/3/2017	Phân tích hằng số điều hòa, xác định triều và nước dâng tổng cộng
Dao động mặt nước bão	Video camera kết hợp 6 cọc tiêu (C1 đến C6) tại bãi KS Agribank	Bão Doksuri (12 - 15/9/2017)	Trích xuất tín hiệu ảnh RGB xác định độ cao sóng và nước dâng do sóng thực đo
Bùn cát đáy	Lấy mẫu và phân tích thành phần hạt trầm tích đáy (Dự án 2016)	Vùng ven bờ Cửa Đại	Nhập thông số đường kính hạt bùn cát ($D_{50}$) vào mô hình XBEACH

---

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 1 hệ thống hóa các định nghĩa, thuật ngữ chuyên ngành:

• Nước dâng do bão (NDDB): Mực nước biển dâng cao hơn bình thường dưới tác động tổng hợp của gió bão và độ giảm áp suất khí quyển.
• Nước dâng do sóng (NDDS): Sự gia tăng mực nước trung bình do ứng suất bức xạ sóng truyền động lượng vào cột nước trong đới sóng đổ và sóng tràn.
• Vùng sóng tràn (swash zone): Đới bờ biến động mạnh nhất, chịu tác động trực tiếp của các đợt sóng vỗ và dòng chảy rút, gây xói chân cồn cát, sạt lở bề mặt đụn cát và tạo dòng rip nguy hiểm.

Chương này cũng tổng hợp các giải pháp bảo vệ bờ biển đã triển khai tại Việt Nam:

• Công trình bảo vệ trực tiếp (kè lát mái, tường chắn): Chỉ giữ phần đất phía trong, chân kè dễ bị xói sâu do sóng phản xạ.
• Đê chắn sóng xa bờ / đê ngầm: Giảm năng lượng sóng trước khi vào bờ, giữ bùn cát bồi tụ thành bãi (áp dụng tại bờ biển Tây Nam Bộ và đoạn thử nghiệm 230 m tại Cửa Đại).
• Kè mỏ hàn: Ngăn bùn cát di chuyển dọc bờ, áp dụng tại Cát Hải, Nam Định, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Thừa Thiên Huế, Tam Hải (Quảng Nam), Cần Giờ.
• Nuôi bãi nhân tạo: Bổ sung cát bù lượng thiếu hụt, đòi hỏi kết hợp công trình giảm sóng để duy trì ổn định.

Chương 2: Cơ sở khoa học xác định nước dâng do sóng và biến động bãi biển

Nội dung chương trình bày việc thiết lập phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa đo đạc hiện trường và mô hình số trị:

1. Xử lý dữ liệu bão: Thống kê 83 cơn bão giai đoạn 1979 – 2020 cho thấy bão tập trung nhiều nhất vào tháng 9 (30,12%) và tháng 10 (30,12%), tổng cộng chiếm 60,24% số cơn bão ảnh hưởng. Tốc độ gió bão khi tiếp cận vùng ven bờ phổ biến đạt cấp 10.
2. Kỹ thuật quan trắc camera kết hợp hệ thống cọc tiêu:
   • Thiết lập hệ thống 6 cọc tiêu (C1 đến C6) đánh dấu vạch đo trên mặt cắt bãi tắm khách sạn Agribank trong đợt bão Doksuri (tháng 9/2017).
   • Camera cố định ghi hình liên tục theo các đợt quan sát (obs), mỗi obs kéo dài từ 10 đến 15 phút (thu nhận hơn 100 chu kỳ sóng).
   • Xây dựng thuật toán xử lý ảnh: xác định biến dạng tỷ lệ pixel/độ dài thực tế tại từng cọc tiêu, phân tích biến thiên cường độ tín hiệu màu R-G-B theo mặt cắt dọc cọc tiêu để trích xuất đường dao động mực nước tức thời, chu kỳ sóng, độ cao sóng và thành phần nước dâng do sóng.

Cơn bão	Thời gian	Áp suất tâm ($hPa$)	Vận tốc gió $V_{max}$	Bán kính ảnh hưởng / Ghi chú
Cecil	22/5 – 26/5/1989	975	$30{,}87\ m/s$ (60 Knot)	100 km, ảnh hưởng trực tiếp
Ketsana	26/9 – 30/9/2009	960	$35{,}00\ m/s$ (70 Knot)	94 km, ảnh hưởng trực tiếp
Nari	09/10 – 15/10/2013	965	$35{,}00\ m/s$ (65 Knot)	150 km, ảnh hưởng trực tiếp
Rai	13/9/2016	996	$18{,}00\ m/s$ (35 Knot)	300 km, ảnh hưởng trực tiếp
Sarika	16/10/2016	970	$30{,}00\ m/s$ (60 Knot)	300 km, bão ảnh hưởng gián tiếp
Doksuri	10/9 – 17/9/2017	955	$40{,}00\ m/s$ (80 Knot)	350 km, gây trường sóng lớn ven bờ
Noul	18/9 – 19/9/2020	990	$23{,}00\ m/s$ (45 Knot)	100 km, ảnh hưởng trực tiếp
Vamco	15/11/2020	950	$30{,}00\ m/s$ (50 Knot)	100 km, ảnh hưởng trực tiếp

3. Thiết lập và kiểm định mô hình toán:
   • Mô hình SWAN tính toán sóng truyền qua 2 cấp lưới lồng ghép từ vùng biển khơi vào bờ. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định các tham số sóng (chiều cao sóng $H_s$, chu kỳ $T_p$, hướng sóng $\theta$) tại hai trạm SMS01 và SMS02 cho thấy độ phù hợp tốt với chuỗi số liệu thực đo AWAC tháng 10/2016 và tháng 3/2017.
   • Mô hình XBEACH nhận điều kiện biên từ SWAN và chuỗi mực nước tổng cộng để tính toán nước dâng do sóng và xói lở mặt cắt bãi. Mô hình được kiểm định trực tiếp bằng dữ liệu bão Doksuri (2017) và dữ liệu bão Sarika (2016).

Chương 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của nước dâng do sóng đến biến động bãi biển Cửa Đại, Hội An

Chương 3 phân tích quy luật diễn biến hình thái và định lượng tác động của nước dâng do sóng:

1. Quy luật biến động mặt cắt ngang bãi tự nhiên:
   • Giai đoạn mùa gió Tây Nam (tháng 3 đến tháng 8): Sóng nhỏ, năng lượng thấp, bãi cát có xu thế bồi tụ dần, độ dốc mặt bãi thoải.
   • Giai đoạn mùa gió Đông Bắc và bão (tháng 9 đến tháng 12): Sóng lớn hướng Đông Bắc/Đông Đông Bắc kết hợp triều cường làm xói lở nghiêm trọng bãi cao; cát bị cuốn trôi ra vùng nước sâu hình thành các đụn cát ngầm (bar).
2. Thiết lập các trường hợp tính toán trên 4 mặt cắt đại diện:
   • CD01, CD02: Đại diện khu vực bãi đã có công trình bảo vệ bờ (kè cứng).
   • CD03, CD04: Đại diện khu vực bãi tự nhiên chưa có công trình (bãi Tân Mỹ, bãi KS Agribank).
3. Các kịch bản mô phỏng:
   • Kịch bản 1 (KB1): Sóng bão kết hợp mực nước triều trung bình, có xét đến nước dâng do sóng.
   • Kịch bản 2 (KB2): Sóng bão kết hợp mực nước triều cao, có xét đến nước dâng do sóng.
   • Kịch bản 3 (KB3): Sóng bão kết hợp mực nước triều trung bình, KHÔNG xét đến nước dâng do sóng.
4. Kết quả phân tích ảnh hưởng của nước dâng do sóng:
   • NDDS đạt giá trị cực đại tại vị trí sát mép bờ, nâng cao mực nước thực tế tại vùng sóng tràn.
   • So sánh giữa KB1 và KB3: Khi xét đến NDDS, mực nước dâng cao đẩy đới sóng vỡ vào sát chân công trình và chân đụn cát; cao trình xói sâu tăng lên rõ rệt, chiều rộng phạm vi xói lấn sâu vào đất liền từ hàng mét đến hàng chục mét so với trường hợp không tính NDDS.
   • So sánh giữa KB1 và KB2: Sự kết hợp giữa NDDS và đỉnh triều cao (KB2) làm gia tăng vượt bậc nguy cơ sóng tràn qua đỉnh công trình tại CD01, CD02 và gây sạt lở hàng loạt chân đụn cát tự nhiên tại CD03, CD04.

Chương 4: Nghiên cứu đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại, Hội An

Chương 4 tập trung vào việc nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nhằm ổn định lâu dài dải bờ biển:

1. Căn cứ đề xuất: Dựa trên đặc điểm thủy thạch động lực, cơ chế vận chuyển bùn cát ngang bờ chiếm ưu thế trong bão và sự suy giảm nguồn bùn cát dọc bờ.
2. Mặt bằng bố trí công trình:
   • Đề xuất giải pháp công trình phức hợp gồm hệ thống đê ngầm giảm sóng xa bờ kết hợp các tuyến kè mỏ hàn ngắt quãng và nuôi bãi nhân tạo.
   • Đê ngầm đặt tại vùng sóng vỡ ngoài khơi nhằm triệt tiêu phần lớn năng lượng sóng trước khi truyền vào bờ, giảm thiểu chiều cao nước dâng do sóng tại mép bờ.
   • Hệ thống mỏ hàn có nhiệm vụ giữ lượng bùn cát nuôi bãi, hạn chế tổn thất bùn cát do dòng chảy dọc bờ gây ra.
3. Mô phỏng đánh giá hiệu quả kỹ thuật:
   • Áp dụng mô hình toán đánh giá trường sóng và biến động bãi đáy sau khi bố trí các phương án công trình khác nhau tại các mặt cắt CD01 đến CD04.
   • Kết quả mô phỏng cho thấy chiều cao sóng sau đê ngầm giảm rõ rệt, hiện tượng xói lở chân đụn cát được ngăn chặn, phía sau tuyến đê ngầm hình thành các khối bồi tụ dạng tombolo ổn định đường bờ.
   • Luận án phân tích so sánh và lựa chọn phương án bố trí mặt bằng công trình tối ưu, đảm bảo mục tiêu bảo vệ chống xói lở bờ bãi và giữ gìn không gian cảnh quan phục vụ du lịch.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và phương pháp

1. Xây dựng và thiết lập thành công kỹ thuật quan trắc dao động mực nước biển trong điều kiện bão bằng công nghệ camera kết hợp hệ thống cọc tiêu; xây dựng quy trình phân tích và trích xuất thành phần nước dâng do sóng từ chuỗi hình ảnh thực đo hiện trường.
2. Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm đo đạc nước dâng do sóng đồng bộ trong bão tại bờ biển Việt Nam, tạo cơ sở khoa học tin cậy để hiệu chỉnh và kiểm định các mô hình số trị thủy thạch động lực ven bờ (SWAN, XBEACH).
3. Làm rõ cơ chế và định lượng mức độ ảnh hưởng của nước dâng do sóng đối với sự gia tăng chiều sâu xói chân kè và phạm vi phá hủy bãi cao, đụn cát ven biển Cửa Đại, Hội An dưới các điều kiện tổ hợp mực nước triều khác nhau.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp

1. Cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng về phạm vi biến động bãi và cao trình nước dâng cực trị phục vụ công tác quy hoạch dải ven bờ và tính toán thiết kế duy tu, nâng cấp các công trình kè bảo vệ trực tiếp tại địa phương.
2. Đề xuất phương án bố trí công trình tổng thể (đê ngầm giảm sóng xa bờ kết hợp mỏ hàn giữ cát) có cơ sở khoa học vững chắc, giúp giảm năng lượng sóng, bồi tạo bãi cát dạng tombolo, bảo vệ bờ biển bền vững và gìn giữ tài nguyên du lịch cho Cửa Đại, Hội An.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

• Khảo sát thực nghiệm bằng hệ thống camera và cọc tiêu trong điều kiện bão chịu ảnh hưởng lớn từ thời tiết cực đoan, tầm nhìn và độ ổn định của thiết bị, do đó thời gian thu thập dữ liệu liên tục bị giới hạn theo từng đợt quan sát.
• Số liệu đo đạc dòng chảy bằng trạm tự ghi SCR1 tại vùng sóng đổ chưa ghi nhận đầy đủ các đặc trưng của dòng triều và dòng dọc bờ do cấu trúc dòng chảy biến đổi liên tục theo chu kỳ sóng.
• Phạm vi mô phỏng hình thái tập trung vào dải bờ 7,6 km phía Bắc Cửa Đại, chưa xét chi tiết mối tương tác bùn cát liên vùng với dải bờ phía Nam và toàn bộ lưu vực hạ lưu sông Thu Bồn trong các trận lũ cực đoan.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Nâng cao độ phân giải và tự động hóa thuật toán xử lý ảnh camera để mở rộng quan trắc liên tục nhiều mặt cắt bãi biển trong thời gian dài.
• Tiếp tục nghiên cứu tương tác động lực giữa lũ từ hệ thống sông Thu Bồn đổ ra Cửa Đại và trường sóng bão ngoài biển tác động lên hình thái bãi ngầm cửa sông.
• Đánh giá diễn biến ổn định bãi biển theo các kịch bản nước biển dâng và biến đổi khí hậu dài hạn kết hợp theo dõi hiệu quả thực tế của các đoạn đê ngầm sau khi xây dựng.

---

Giá trị tham khảo

Đối với nghiên cứu và đào tạo

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Công trình Biển, Công trình Thủy, Địa kỹ thuật - Địa động lực biển:
  • Tham khảo quy trình thiết lập quan trắc thực địa bằng công nghệ xử lý ảnh camera và cọc tiêu để đo đạc sóng và nước dâng vùng ven bờ.
  • Tham khảo phương pháp liên kết chuỗi mô hình số trị SWAN (lan truyền sóng) và XBEACH (thủy động lực - hình thái vùng sóng tràn).
  • Khai thác nguồn số liệu thống kê bão, sóng nước sâu và tài liệu mặt cắt bãi biển khu vực miền Trung.

Đối với quản lý và thực tiễn kỹ thuật

• Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Nông nghiệp và PTNT, UBND tỉnh Quảng Nam, TP. Hội An):
  • Cung cấp luận cứ khoa học để xây dựng quy hoạch không gian bờ biển, xác định hành lang bảo vệ bờ biển an toàn trước tác động của sóng bão kết hợp nước dâng do sóng.
• Các đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy công, công trình chỉnh trị bờ biển:
  • Tham khảo thông số tính toán mực nước dâng do sóng khi xác định cao trình đỉnh kè và chiều sâu xói chân công trình ven biển.
  • Ứng dụng giải pháp mặt bằng kết hợp đê ngầm giảm sóng và mỏ hàn để thiết kế các dự án phục hồi bãi biển du lịch tại các khu vực xói lở tương tự ở miền Trung.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Nước dâng do sóng (NDDS) được định nghĩa như thế nào và khác gì so với nước dâng do bão (NDDB)?

Nước dâng do bão (NDDB) là hiện tượng mực nước biển tổng thể dâng cao hơn bình thường trên diện rộng dưới tác động đồng thời của gió bão và sự giảm áp suất khí quyển. Nước dâng do sóng (NDDS) là thành phần gia tăng thêm của mực nước trung bình do ứng suất bức xạ sóng truyền động lượng vào cột nước khi sóng truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông và đổ nhào tại vùng ven bờ. NDDS có giá trị lớn nhất tại sát mép bờ (vùng sóng tràn).

2. Phương pháp trích xuất nước dâng do sóng từ camera và hệ thống cọc tiêu được thực hiện ra sao?

Tác giả bố trí hệ thống 6 cọc tiêu (C1 đến C6) có chia vạch quy chuẩn trên mặt cắt bãi biển và đặt camera ghi hình liên tục trong bão Doksuri (9/2017). Phần mềm xử lý ảnh đọc ma trận tín hiệu màu R-G-B dọc theo thân cọc tiêu qua từng khung hình, tính toán tỷ lệ độ dài/pixel thực tế để trích xuất đường dao động mực nước mặt tức thời, từ đó xác định độ cao sóng, chu kỳ sóng và tính ra trị số nước dâng do sóng thực tế.

3. Mục đích và sự khác biệt giữa 3 kịch bản tính toán (KB1, KB2, KB3) trong luận án là gì?

• KB1: Sóng bão kết hợp triều trung bình, CÓ xét đến NDDS.
• KB2: Sóng bão kết hợp triều cao, CÓ xét đến NDDS.
• KB3: Sóng bão kết hợp triều trung bình, KHÔNG xét đến NDDS. Việc so sánh giữa KB1 và KB3 giúp định lượng chính xác phần gia tăng độ sâu xói và phạm vi xói bãi do NDDS gây ra; so sánh giữa KB1 và KB2 giúp làm rõ nguy cơ phá hủy bãi và tràn kè khi bão đổ bộ trùng thời điểm triều cường.

4. Các mô hình số trị được liên kết và kiểm định như thế nào trong luận án?

Luận án sử dụng mô hình SWAN để tính toán lan truyền và biến dạng sóng từ vùng nước sâu vào ven bờ dựa trên dữ liệu gió tái phân tích NCEP và địa hình đáy biển. Kết quả sóng từ SWAN cùng với chuỗi số liệu mực nước được dùng làm điều kiện biên đầu vào cho mô hình XBEACH để mô phỏng chi tiết chế độ thủy động lực, nước dâng do sóng và xói lở mặt cắt ngang bãi cát. Các mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng dữ liệu thực đo sóng AWAC (tháng 10/2016, 3/2017), dữ liệu trích xuất từ camera bão Doksuri (2017) và dữ liệu địa hình bão Sarika (2016).

5. Giải pháp công trình bảo vệ bãi biển Cửa Đại được luận án đề xuất gồm những yếu tố nào?

Luận án đề xuất giải pháp tổng thể kết hợp giữa công trình bảo vệ mềm và cứng: xây dựng hệ thống đê ngầm giảm sóng xa bờ đặt tại đới sóng vỡ để triệt tiêu năng lượng sóng lớn; bố trí các kè mỏ hàn ngắt quãng để ngăn chặn sự dịch chuyển bùn cát dọc bờ; kết hợp nuôi bãi nhân tạo nhằm tạo lập các khối bồi tụ dạng tombolo ổn định dải cát ven bờ, bảo vệ đụn cát và bảo tồn cảnh quan du lịch.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Ngọc Thế đã giải quyết một vấn đề cấp thiết về xói lở bờ biển tại khu vực Cửa Đại, Hội An thông qua việc tích hợp phương pháp quan trắc thực địa bằng camera - cọc tiêu và hệ thống mô hình số trị SWAN, XBEACH. Công trình đã định lượng được vai trò quan trọng của thành phần nước dâng do sóng trong việc làm sâu thêm hố xói chân kè và phá hủy bãi cao, đụn cát ven bờ trong điều kiện bão. Trên cơ sở động lực học ven bờ, luận án đã đề xuất phương án công trình phức hợp gồm đê ngầm giảm sóng kết hợp mỏ hàn giữ cát có tính khả thi kỹ thuật cao, đóng góp cơ sở khoa học vững chắc cho công tác chỉnh trị bờ biển và phát triển kinh tế du lịch bền vững tại địa phương.

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 Nước dâng nói chung có thể xem như sự biến đổi mực nước có chu kỳ dài dưới tác động của gió, khí áp lên một khu vực cụ thể. Nước dâng được hình thành bởi các thành phần như gió, áp suất khí quyển và sóng trong bão.

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 cồn 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 ̅̅̅b = − η (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.