Tổng quan nghiên cứu

Quần đảo Trường Sa (QDTS) là một quần đảo san hô nổi tiếng nằm ở Biển Đông, có diện tích phần nổi khoảng 3 km², trải rộng trên vùng biển rộng khoảng 180.000 km². Các đảo nổi tại đây có diện tích nhỏ, từ 0,1 đến 0,5 km², độ cao trung bình từ 3 đến 5 m so với mặt nước biển trung bình. Đảo ĐN01 thuộc cụm Nam Yết là một trong những đảo nổi tiêu biểu với chiều dài khoảng 555 m và chiều rộng gần 100 m, độ cao từ 2,5 đến 3,8 m tùy theo mực triều. Khu vực này chịu tác động mạnh mẽ của sóng gió, bão và dòng chảy ven bờ, gây ra hiện tượng xói lở và bồi tụ bãi cát theo mùa, ảnh hưởng nghiêm trọng đến diện tích sử dụng và khả năng phòng thủ quốc phòng.

Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất giải pháp công nghệ linh hoạt, phù hợp với điều kiện tự nhiên và thi công tại đảo ĐN01 nhằm tôn tạo, mở rộng bãi đảo, đồng thời bảo vệ bờ biển, phục vụ an ninh quốc phòng và phát triển kinh tế biển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đảo ĐN01 thuộc quần đảo Trường Sa, với dữ liệu thu thập trong khoảng thời gian từ năm 1994 đến 2017, bao gồm khảo sát địa hình, địa chất, thủy hải văn và mô hình toán học.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ chủ quyền quốc gia, phát triển kinh tế biển bền vững và ứng phó với biến đổi khí hậu, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các công trình phòng thủ và dân sinh trên các đảo san hô nổi nhỏ, đặc biệt trong điều kiện khắc nghiệt của Biển Đông.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật công trình biển, bao gồm:

  • Lý thuyết thủy động lực học ven bờ: Phân tích tác động của sóng, dòng chảy và triều lên xuống đến sự biến động bờ biển và bãi cát, đặc biệt là cơ chế xói lở và bồi tụ theo mùa.
  • Mô hình đê chắn sóng ngầm Reef Ball: Khối rỗng Reef Ball được thiết kế như rạn san hô nhân tạo, vừa giảm năng lượng sóng, vừa tạo môi trường sống cho sinh vật biển, góp phần ổn định bờ biển và cải thiện hệ sinh thái.
  • Mô hình toán học SWASH: Mô phỏng truyền sóng và hiệu quả giảm sóng của các công trình chắn sóng ngầm, giúp đánh giá và tối ưu bố trí mặt cắt công trình.
  • Các khái niệm chính bao gồm: trầm tích cát san hô, hệ số truyền sóng (Kt), hệ số giảm sóng (Ct), và các đặc trưng thủy hải văn như phổ sóng, mực nước thiết kế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm khảo sát thực địa tại đảo ĐN01, số liệu thủy hải văn từ năm 1994 đến 2017, dữ liệu địa hình và địa chất, cùng các kết quả thí nghiệm mô hình vật lý và mô hình toán học.

  • Cỡ mẫu: Dữ liệu mực nước và sóng được trích xuất từ chuỗi số liệu 20 năm (1998-2017) với khoảng 90 trị số vượt ngưỡng triều cường, đảm bảo tính đại diện và tin cậy.
  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn các điểm khảo sát tại các vị trí đặc trưng quanh đảo, bao gồm các đầu mút và vùng bờ chịu tác động mạnh của sóng.
  • Phương pháp phân tích: Kết hợp mô hình toán học SWASH và mô hình vật lý trên máng sóng để đánh giá hiệu quả giảm sóng của các cấu kiện Reef Ball, phân tích biến động bờ biển qua số liệu thực địa và mô phỏng.
  • Timeline nghiên cứu: Khảo sát thực địa và thu thập số liệu từ 1994-1995, phân tích số liệu thủy hải văn và địa hình đến năm 2017, thực hiện mô hình toán học và thí nghiệm vật lý trong giai đoạn nghiên cứu luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến động bờ biển và bãi cát quanh đảo ĐN01:

    • Đoạn bờ phía đầu mút Đông Nam năm 1994 có bãi cát rộng 50-55 m, dài 90 m, cao trung bình 1,5 m, nhưng đến năm 1995 bãi cát này thu hẹp còn dài 70 m, rộng 40 m, cao 0,8 m.
    • Khối lượng trầm tích bị mất do sóng và dòng chảy ven bờ ước tính khoảng 500-900 m³, gây thu hẹp và hạ thấp cao trình bãi cát.

  2. Đặc điểm trầm tích và địa chất đảo ĐN01:

    • Trầm tích chủ yếu là cát san hô hạt thô với kích thước từ 0,1 đến 1 mm, phân bố theo quy luật mịn dần về trung tâm đảo.
    • Các loại trầm tích gồm cuội, sạn, sạn cát, cát thô và cát trung, với hàm lượng cát thô chiếm tới 69-76% diện tích bề mặt đảo nổi.
    • Nguồn vật liệu chủ yếu cung cấp tại chỗ, di chuyển theo dòng bồi tích ven bờ, phụ thuộc vào chế độ gió mùa Đông Bắc và Tây Nam.

  3. Hiệu quả giảm sóng của khối rỗng Reef Ball:

    • Mô hình thí nghiệm và mô phỏng cho thấy hệ số giảm sóng Ct tại vị trí công trình VT2 (cách bờ 100 m) đạt giá trị 0,55 m, giảm đáng kể chiều cao sóng từ 1 m xuống còn 0,45 m.
    • Các khối Reef Ball có khả năng ổn định tốt trong điều kiện sóng lớn, không bị dịch chuyển sau các cơn bão mạnh như bão Georges và Mitch.
    • Chiều rộng bãi biển được cải thiện rõ rệt, ví dụ tại khách sạn Marriott, chiều rộng bãi tăng từ 0-9 m lên trung bình 22 m sau 4 năm lắp đặt Reef Ball.

  4. Phân tích mô hình toán học SWASH:

    • Mô hình mô phỏng truyền sóng qua các vị trí VT1, VT2, VT3 cho thấy chiều cao sóng giảm dần khi sóng truyền qua các hàng Reef Ball được bố trí hợp lý.
    • Các kịch bản bố trí 3-5 hàng Reef Ball cho hiệu quả giảm sóng khác nhau, với bố trí 3 hàng 2 lớp đạt hiệu quả tối ưu về giảm sóng và chi phí thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xói lở và bồi tụ bãi cát quanh đảo ĐN01 là do tác động của sóng gió theo mùa và dòng bồi tích ven bờ. Việc sử dụng các công trình chắn sóng bê tông kiên cố trước đây tuy có hiệu quả bảo vệ bờ nhưng gặp nhiều khó khăn về chi phí, thi công và ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sinh thái.

Khối rỗng Reef Ball với thiết kế linh hoạt, thân thiện môi trường, vừa giảm năng lượng sóng hiệu quả vừa tạo môi trường sống cho sinh vật biển, là giải pháp phù hợp với điều kiện đặc thù của đảo ĐN01 và các đảo san hô nổi khác tại QDTS. Kết quả mô hình toán học và thí nghiệm vật lý đồng nhất, chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp này.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế về đê chắn sóng ngầm và rạn san hô nhân tạo, giải pháp Reef Ball không chỉ bảo vệ bờ mà còn góp phần phục hồi và phát triển hệ sinh thái ven bờ, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững và thích ứng biến đổi khí hậu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chiều cao sóng trước và sau khi lắp đặt Reef Ball tại các vị trí khảo sát, bảng so sánh biến động bãi cát qua các năm, và sơ đồ bố trí mặt bằng công trình chắn sóng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống đê chắn sóng ngầm bằng khối Reef Ball tại đảo ĐN01

    • Mục tiêu: Giảm chiều cao sóng ít nhất 50% tại các vị trí trọng yếu, ổn định bãi cát và mở rộng diện tích sử dụng đảo.
    • Thời gian: Triển khai trong vòng 2 năm, ưu tiên các vị trí VT2 và VT3.
    • Chủ thể thực hiện: Viện kỹ thuật công binh phối hợp với các đơn vị quân sự và địa phương.

  2. Tăng cường khảo sát và giám sát biến động bờ biển định kỳ

    • Mục tiêu: Theo dõi hiệu quả công trình, phát hiện sớm các hiện tượng xói lở mới và điều chỉnh giải pháp kịp thời.
    • Thời gian: Khảo sát 6 tháng/lần trong 5 năm đầu.
    • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu biển và cơ quan quản lý địa phương.

  3. Ứng dụng mô hình toán học SWASH để tối ưu hóa bố trí công trình

    • Mục tiêu: Tối ưu số lượng, kích thước và vị trí các khối Reef Ball nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả giảm sóng.
    • Thời gian: Nghiên cứu và cập nhật mô hình hàng năm.
    • Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu kỹ thuật công trình biển.

  4. Phát triển nguồn vật liệu bê tông thân thiện môi trường và công nghệ sản xuất khối Reef Ball tại địa phương

    • Mục tiêu: Giảm chi phí vận chuyển, tăng tính bền vững và phù hợp với điều kiện thi công trên đảo.
    • Thời gian: Nghiên cứu và thử nghiệm trong 1-2 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Các doanh nghiệp vật liệu xây dựng và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư công trình biển

    • Lợi ích: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về giải pháp chắn sóng ngầm linh hoạt, thân thiện môi trường.
    • Use case: Thiết kế và thi công công trình bảo vệ bờ biển tại các đảo san hô.

  2. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách biển

    • Lợi ích: Hiểu rõ đặc điểm biến động bờ biển và các giải pháp phù hợp để bảo vệ chủ quyền và phát triển kinh tế biển.
    • Use case: Lập kế hoạch phát triển bền vững các đảo san hô và vùng ven biển.

  3. Quân đội và các đơn vị phòng thủ trên đảo

    • Lợi ích: Tăng cường khả năng phòng thủ, mở rộng diện tích sử dụng đảo, đảm bảo an ninh quốc phòng.
    • Use case: Lựa chọn và triển khai các công trình phòng thủ kết hợp bảo vệ bờ biển.

  4. Các tổ chức bảo tồn môi trường và phát triển sinh thái biển

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ rạn san hô nhân tạo hỗ trợ phục hồi hệ sinh thái ven bờ.
    • Use case: Thực hiện các dự án bảo tồn đa dạng sinh học và phát triển du lịch sinh thái.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải pháp Reef Ball có phù hợp với điều kiện sóng lớn ở Biển Đông không?
    Có. Các nghiên cứu và thí nghiệm thực tế cho thấy Reef Ball ổn định tốt trong điều kiện sóng lớn, bao gồm cả các cơn bão cấp 3 trở lên, giảm năng lượng sóng ít nhất 50% và không bị dịch chuyển.

  2. Khối Reef Ball có ảnh hưởng đến môi trường sinh thái không?
    Không những không ảnh hưởng mà còn hỗ trợ phát triển sinh vật biển nhờ vật liệu bê tông có pH tương tự nước biển tự nhiên, tạo môi trường sống cho san hô, cá và rong biển.

  3. Chi phí thi công và vận chuyển các khối Reef Ball có cao không?
    Chi phí được giảm thiểu nhờ sản xuất tại địa phương sử dụng vật liệu sẵn có, đồng thời việc lắp đặt nhanh chóng và linh hoạt giúp tiết kiệm thời gian và chi phí vận chuyển.

  4. Giải pháp này có thể áp dụng cho các đảo san hô khác không?
    Có. Giải pháp phù hợp với các đảo san hô nổi có điều kiện tự nhiên tương tự, đặc biệt là các đảo nhỏ chịu tác động mạnh của sóng và bão.

  5. Làm thế nào để theo dõi hiệu quả của công trình sau khi thi công?
    Cần thực hiện khảo sát biến động bờ biển định kỳ, sử dụng mô hình toán học và thí nghiệm vật lý để đánh giá hiệu quả giảm sóng và sự ổn định của công trình, từ đó điều chỉnh kịp thời.

Kết luận

  • Đảo ĐN01 thuộc quần đảo Trường Sa chịu tác động mạnh của sóng gió và dòng bồi tích, gây biến động bờ biển phức tạp với hiện tượng xói lở và bồi tụ theo mùa.
  • Giải pháp đê chắn sóng ngầm bằng khối rỗng Reef Ball là phương án tối ưu, vừa giảm sóng hiệu quả, vừa thân thiện môi trường và tạo môi trường sống cho sinh vật biển.
  • Mô hình toán học SWASH và thí nghiệm vật lý đã chứng minh hiệu quả giảm sóng và ổn định của các khối Reef Ball trong điều kiện thực tế.
  • Đề xuất triển khai hệ thống Reef Ball tại đảo ĐN01 trong vòng 2 năm, kết hợp giám sát biến động bờ biển và phát triển công nghệ sản xuất địa phương.
  • Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật quan trọng cho việc bảo vệ, tôn tạo và phát triển bền vững các đảo san hô nổi tại Biển Đông, góp phần bảo vệ chủ quyền và phát triển kinh tế biển quốc gia.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ quan chức năng và đơn vị nghiên cứu phối hợp triển khai thử nghiệm thực địa, đồng thời mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các đảo san hô khác trong khu vực.