Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu hơn 3.260 km bờ biển, đóng vai trò chiến lược đối với sự phát triển kinh tế biển, an ninh quốc phòng và sinh kế của hàng chục triệu người dân. Trong đó, tỉnh Nam Định có dải bờ biển dài 72 km cùng hệ thống đê biển dài 91,2 km đi qua ba huyện trọng điểm gồm Giao Thủy (32 km), Hải Hậu (33 km) và Nghĩa Hưng (26 km). Do nằm trong khu vực bờ biển hở, chịu tác động trực tiếp của các đợt triều cường và sóng bão từ Vịnh Bắc Bộ, dải ven biển Nam Định thường xuyên đối mặt với hiểm họa thiên tai khốc liệt. Điển hình như cơn bão số 7 năm 2005 với sức gió giật cấp 13 đến cấp 14 đổ bộ vào thời điểm đỉnh triều đạt mức lịch sử +2,65 m tại Phú Lễ, gây tràn vỡ 24 km đê và làm ngập trắng 48.000 ha lúa cùng hoa màu.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ thực trạng quy hoạch đê biển tỉnh Nam Định trước đây chủ yếu đi theo tuyến đê cũ, manh mún, chưa được phân cấp đồng bộ theo Luật Đê điều năm 2006 và chưa tính toán đầy đủ tác động của biến đổi khí hậu cùng nước biển dâng. Đề tài hướng tới mục tiêu xác lập cơ sở khoa học vững chắc để quy hoạch hướng tuyến, xác định các thông số kỹ thuật mặt cắt ngang, tính toán cao trình đỉnh đê an toàn và thực hiện phân cấp kỹ thuật cho toàn bộ tuyến đê chính cùng hệ thống đê dự phòng tuyến hai.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 91,2 km tuyến đê biển Nam Định, kế thừa chuỗi dữ liệu khí tượng thủy văn hơn 50 năm và định hướng kịch bản biến đổi khí hậu giai đoạn 2020 đến năm 2030. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa sống còn khi trực tiếp bảo vệ an toàn tính mạng và tài sản cho 536.200 người dân, bảo vệ 38.300 ha diện tích tự nhiên cùng 23.850 ha đất canh tác nông nghiệp, đồng thời tạo tiền đề hạ tầng giao thông kết hợp cứu hộ cứu nạn vững chắc cho toàn vùng duyên hải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lý thuyết thủy lực công trình thủy và động lực học vùng bờ biển để giải quyết bài toán tương tác giữa sóng biển, dòng chảy triều và thân đê. Khung lý thuyết cốt lõi kết hợp giữa lý thuyết sóng phi tuyến truyền trong vùng nước nông với mô hình cân bằng giới hạn cơ học đất nhằm đánh giá hệ số ổn định trượt tổng thể của mái đê qua phần mềm GeoSlope. Đồng thời, nghiên cứu tích hợp mô hình tính toán ổn định thủy lực của lớp gia cố mái đê theo công thức bán thực nghiệm hiện đại của Pilarczyk (1998) thông qua phần mềm chuyên dụng CRESS, cho phép xác định chính xác kích thước và trọng lượng khối cấu kiện bê tông bảo vệ bờ.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng các khái niệm kỹ thuật nền tảng gồm:

  • Tiêu chuẩn phân cấp đê theo Luật Đê điều năm 2006 và Thông tư số 54/2013/TT-BNNPTNT của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.
  • Chỉ số sóng thiết kế đặc trưng với chiều cao sóng có nghĩa Hs và chu kỳ sóng đỉnh Tp.
  • Ngưỡng lưu lượng sóng tràn cho phép qua đỉnh đê với giới hạn từ 10 đến 30 lít/giây/mét tương ứng với từng dạng kết cấu gia cố mái phía đồng.
  • Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng của Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2012 với mức dâng dự báo 27 cm vào năm 2050 cho dải ven biển từ Hòn Dấu đến Đèo Ngang.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu khai thác nguồn dữ liệu toàn diện bao gồm chuỗi số liệu quan trắc khí tượng hải văn thực đo qua hơn 50 năm tại trạm Văn Lý và trạm Ba Lạt, dữ liệu thống kê hơn 50 cơn bão đổ bộ vào Vịnh Bắc Bộ từ năm 1950 đến năm 2000, cùng hồ sơ kỹ thuật của 13 dự án tu bổ đê biển thực hiện theo Quyết định số 58/2006/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.

Về phương pháp chọn mẫu, đề tài thực hiện đánh giá trên cỡ mẫu gồm 4 mặt cắt tính toán sóng đặc trưng trải dài trên dải bờ biển Nam Định, bao gồm:

  • Mặt cắt MC13 tại Cồn Lu (huyện Giao Thủy) cách chân đê 3,8 km về phía biển.
  • Mặt cắt MC14 tại Xương Điền (huyện Hải Hậu) cách chân đê 190 m về phía biển.
  • Mặt cắt MC15 tại Hải Hòa (huyện Hải Hậu) nằm cách đê 600 m về phía đồng.
  • Mặt cắt MC16 tại cửa sông Ninh Cơ (huyện Nghĩa Hưng) cách đê 1.700 m về phía biển.

Phương pháp lấy mẫu phân tầng theo đặc trưng động lực học vùng bờ (phân tách giữa vùng bờ biển bồi tụ Cồn Lu - Cồn Xanh và vùng bờ biển xói lở Hải Hậu) được áp dụng nhằm phản ánh đầy đủ các cơ chế tác động thủy lực phức tạp. Việc lựa chọn phương pháp phân tích số trị kết hợp mô phỏng giải tích trên GeoSlope và CRESS là hoàn toàn tối ưu, bởi phương pháp này cho phép kiểm chứng độ ổn định của công trình dưới tổ hợp bất lợi nhất giữa triều cường tần suất 5% kết hợp nước dâng do bão tần suất 20% đạt 1,18 m.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, đánh giá hiện trạng 91,2 km tuyến đê biển Nam Định ghi nhận đã có 57 km được củng cố kiên cố, 9 cống tiêu lớn được xây mới và 62 mỏ kè giữ bãi được thiết lập. Tuy nhiên, toàn tuyến vẫn tồn tại 20 km đê xung yếu có nguy cơ sạt lở cao khi bão mạnh đổ bộ trực tiếp, đặc biệt là các đoạn đi qua nền cát pha có sức chịu tải kém.

Thứ hai, kết quả tính toán thủy lực khi xét đến kịch bản nước biển dâng thêm 0,27 m và sóng leo thiết kế cho thấy cao trình đỉnh đê cũ từ +5,20 m đến +5,50 m tại nhiều vị trí ở Hải Hậu và Nghĩa Hưng không còn đảm bảo an toàn lưu không. Cao trình đỉnh đê thiết kế mới cần được điều chỉnh nâng lên mức từ +5,80 m đến +6,20 m đối với các phân đoạn trực diện biển hở chịu chiều cao sóng thiết kế Hs đạt 2,15 m.

Thứ ba, phân tích ổn định kết cấu bảo vệ mái đê bằng phần mềm CRESS chỉ ra rằng các đoạn đê sử dụng khối bê tông đúc sẵn kích thước (40x40x28) cm (chiếm hơn 40 km đã nâng cấp trước đây) không đáp ứng yêu cầu kỹ thuật chống bốc mái dưới tác động của bão cấp 10. Trong khi đó, giải pháp sử dụng khối bê tông kích thước (40x40x40) cm hoặc khối liên kết có mấu ngàm tự chèn giúp gia tăng khả năng kháng trượt và triệt tiêu năng lượng sóng leo lên đến 35%.

Thứ tư, kết quả tính toán phân cấp công trình theo quy định của Thông tư số 54/2013/TT-BNNPTNT đã xác lập tuyến đê chính toàn tỉnh Nam Định đạt chuẩn đê cấp III (bảo vệ trên 50.000 ha diện tích tự nhiên và trên 100.000 dân cư), trong khi các tuyến đê bao dự phòng tuyến hai tại Giao Phong và Hải Chính được xếp vào đê cấp IV.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng bất ổn định của hệ thống đê biển Nam Định là do đặc thù bờ biển hở, bãi trước đê rất hẹp với cao độ trung bình chỉ đạt khoảng +0,50 m, cá biệt nhiều nơi bãi bị hạ thấp dưới -1,00 m khiến sóng đánh trực diện vào chân kè. Thêm vào đó, vận tốc dòng chảy ven bờ vào mùa nước rươi đạt từ 0,6 đến 1,2 m/s gây ra hiện tượng xói lở chân khay nghiêm trọng.

Các số liệu tính toán trong nghiên cứu có thể được biểu diễn trực quan thông qua bảng đối chiếu cao trình đỉnh đê tương ứng với từng cấp sóng, kết hợp đồ thị đường cong quan hệ giữa độ dốc mái đê (hệ số m = 3 đến 5) và chiều cao sóng leo. Biểu đồ này giúp các kỹ sư quy hoạch nhanh chóng xác định cao trình tường đỉnh đê hắt sóng từ 0,5 m đến 0,7 m nhằm giảm tải trọng và khối lượng đất đắp thân đê.

So sánh với các nghiên cứu công trình bảo vệ bờ tại Hà Lan và Nhật Bản, kết quả của luận văn khẳng định sự chuyển dịch tất yếu từ đê cứng ngăn mặn truyền thống sang giải pháp đê mềm kết hợp vùng đệm sinh thái. Việc bố trí hệ thống kè mỏ hàn chữ T kết hợp phục hồi đai rừng ngập mặn phía ngoài đê giúp giảm tới 40% năng lượng sóng tác động, mang lại hiệu quả bền vững và tiết kiệm chi phí duy tu dài hạn.

Đề xuất và khuyến nghị

  • Nâng cấp và kiên cố hóa 20 km đê biển xung yếu còn lại, mở rộng mặt đê đạt chiều rộng chuẩn từ 5,0 m đến 6,0 m bằng bê tông cường độ cao, kết hợp hoàn chỉnh mặt đường phục vụ giao thông cứu nạn quốc phòng với tải trọng cho phép xe cơ giới hoạt động, thực hiện trong giai đoạn 2024 - 2026 do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Nam Định chủ trì.
  • Chuẩn hóa kết cấu bảo vệ mái đê phía biển bằng việc thay thế các tấm lát mỏng bằng khối bê tông đúc sẵn có gờ chèn đa chiều kích thước tối thiểu (40x40x40) cm, tích hợp cơ giảm sóng phía ngoài để bảo đảm an toàn trước bão cấp 10 đến cấp 12 kết hợp triều tần suất 5%, triển khai trong giai đoạn 2025 - 2028 bởi Ban Quản lý Dự án Công trình Nông nghiệp tỉnh.
  • Xây dựng bổ sung 21 mỏ kè giảm sóng chữ T và chữ I tại các vùng biển xói lở trọng điểm thuộc huyện Hải Hậu và Nghĩa Hưng, kết hợp biện pháp bơm cát nuôi bãi nhằm nâng cao trình thềm bãi trước chân đê lên trên mức +0,50 m, lộ trình thực hiện từ năm 2024 đến năm 2027 do Ủy ban nhân dân các huyện ven biển phối hợp các đơn vị tư vấn thủy lợi thực hiện.
  • Phục hồi và trồng mới các đai rừng ngập mặn phòng hộ bằng cây Sú, Vẹt, Phi lao với chiều rộng tối thiểu từ 50 m đến 100 m ngoài bãi đê tại Giao Thủy và Nghĩa Hưng, nhằm mục tiêu giảm 50% chiều cao sóng trước khi tiếp cận thân đê, hoàn thành chỉ tiêu trước năm 2030 do Chi cục Kiểm lâm phối hợp cùng cộng đồng dân cư địa phương quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cán bộ quản lý và chuyên viên quy hoạch đê điều tại Tổng cục Phòng, chống thiên tai và Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh ven biển: Tham khảo quy trình phân cấp đê biển và đê cửa sông, áp dụng các tiêu chí về diện tích bảo vệ, quy mô dân số và độ ngập sâu theo Thông tư số 54/2013/TT-BNNPTNT để xây dựng quy hoạch đê điều cấp tỉnh.
  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn công trình thủy lực, công trình biển: Sử dụng các công thức tính toán sóng leo, lưu lượng tràn cho phép và phương pháp ứng dụng phần mềm GeoSlope, CRESS để tối ưu hóa mặt cắt ngang đê và thiết kế kết cấu kè mỏ hàn giảm sóng.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Xây dựng công trình thủy, Kỹ thuật tài nguyên nước và Hải văn học: Khai thác chuỗi số liệu thực nghiệm, mô hình thủy lực tương tác sóng - đê và bài học thực tiễn trong công tác chỉnh trị bờ biển tại đồng bằng sông Hồng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu mở rộng.
  • Lãnh đạo chính quyền địa phương cấp huyện, xã thuộc khu vực ven biển Nam Định: Ứng dụng bản đồ phân vùng rủi ro ngập lụt và cao trình quy hoạch đê điều để xây dựng phương án sơ tán dân cư, bố trí hạ tầng giao thông nông thôn kết hợp cứu hộ cứu nạn và chuyển đổi sinh kế bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phải quy hoạch và phân cấp lại hệ thống đê biển Nam Định theo tiêu chuẩn mới? Vì hệ thống đê cũ chủ yếu đầu tư chắp vá theo kinh nghiệm, chưa đồng bộ với Luật Đê điều năm 2006. Việc phân cấp lại dựa trên ba tiêu chí gồm diện tích bảo vệ (trên 50.000 ha), dân số (trên 100.000 người) và chiều sâu ngập lụt giúp xác định đúng cấp kỹ thuật (đê cấp III), tạo cơ sở pháp lý để huy động nguồn lực đầu tư chuẩn hóa.

Nước biển dâng do biến đổi khí hậu tác động trực tiếp như thế nào đến cao trình đỉnh đê? Theo kịch bản phát thải cao của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2012, mực nước biển dâng thêm 27 cm vào năm 2050 làm gia tăng áp lực sóng leo và nước dâng do bão. Kết quả tính toán buộc cao trình đỉnh đê Nam Định phải nâng từ mức +5,20 m lên mức +5,80 m đến +6,20 m để ngăn chặn nguy cơ sóng tràn gây sạt lở thân đê.

Hệ thống kè mỏ hàn chữ T mang lại hiệu quả gì vượt trội trong việc bảo vệ bãi biển? Kè mỏ hàn chữ T hoạt động như công trình chỉnh trị dòng chảy ven bờ, làm giảm lưu tốc dòng chảy từ 1,2 m/s xuống mức an toàn. Công trình tạo ra các vùng nước tĩnh giữa hai mỏ kè, giúp bồi lắng bùn cát, mở rộng bãi biển từ 100 m lên 150 m và ngăn ngừa sóng đánh phá trực tiếp vào chân đê chính.

Mô hình đê hai tuyến (đê kép) được áp dụng trong điều kiện cụ thể nào? Đê hai tuyến được đề xuất cho các khu vực bờ biển xói lở nghiêm trọng tại Hải Hậu và nam Giao Thủy, nơi không có rừng ngập mặn che chắn. Tuyến đê một phía ngoài chấp nhận chịu sóng tràn và được gia cố kiên cố cả ba mặt; tuyến đê hai phía trong giữ vai trò ngăn nước tràn, bảo vệ an toàn tuyệt đối cho các khu dân cư.

Cấu kiện bê tông lát mái kích thước (40x40x40) cm có ưu điểm gì so với loại cấu kiện mỏng? Khối bê tông (40x40x40) cm sở hữu trọng lượng bản thân lớn và diện tích chịu lực tối ưu, đạt tiêu chuẩn ổn định thủy lực theo công thức Pilarczyk dưới tác động của sóng thiết kế cao 2,15 m. Kết cấu này khắc phục triệt để tình trạng bốc mái, trôi đá lọc vốn thường xuyên xảy ra ở các tấm lát mỏng (40x40x28) cm.

Kết luận

  • Luận văn đã xác lập cơ sở khoa học vững chắc và toàn diện cho công tác quy hoạch, phân cấp 91,2 km đê biển và hệ thống đê dự phòng tỉnh Nam Định.
  • Ứng dụng thành công phần mềm GeoSlope và CRESS trong việc tính toán cao trình đỉnh đê mới đạt từ +5,80 m đến +6,20 m thích ứng với kịch bản nước biển dâng 27 cm.
  • Phân cấp thành công toàn bộ tuyến đê chính đạt chuẩn đê cấp III và đê bao tuyến hai đạt chuẩn đê cấp IV theo đúng quy định pháp luật hiện hành.
  • Đề xuất chuỗi giải pháp công trình và phi công trình tích hợp, kết hợp kè mỏ hàn chữ T với đai rừng ngập mặn 100 m nhằm bảo vệ 38.300 ha đất tự nhiên.
  • Mở ra định hướng phát triển đê biển đa mục tiêu, kết hợp đồng bộ giữa an toàn phòng chống thiên tai với hạ tầng giao thông ven biển phục vụ hơn 536.000 cư dân.

Đóng góp lớn nhất của công trình là giải quyết hài hòa bài toán kỹ thuật giữa ứng phó thiên tai cực đoan và tối ưu hóa chi phí đầu tư công. Lộ trình thực hiện các giải pháp kỹ thuật cần được triển khai quyết liệt theo các mốc thời gian từ năm 2024 đến năm 2030 nhằm bảo đảm tính đồng bộ toàn tuyến. Các cơ quan quản lý và đơn vị tư vấn xây dựng thủy lợi cần nhanh chóng tham khảo, áp dụng ngay khung tính toán của luận văn vào các dự án nâng cấp đê biển thực tế để nâng cao năng lực chống chịu thiên tai cho vùng duyên hải Bắc Bộ.