Tổng quan luận án

Bờ biển Việt Nam có chiều dài trên 3.260 km với khoảng 94 bãi tắm tự nhiên, giữ vị trí quan trọng trong phát triển kinh tế biển và du lịch. Vịnh Nha Trang (tỉnh Khánh Hòa) là một trong những vịnh biển có giá trị cảnh quan và du lịch nổi bật, thu hút lượng lớn du khách trong nước và quốc tế. Tuy nhiên, dưới tác động của các điều kiện khí tượng hải văn cực đoan như bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa, triều cường, cùng với áp lực từ các hoạt động nhân sinh như phát triển đô thị, xây dựng công trình giao thông, lấn biển và khai thác trầm tích, bãi biển thành phố Nha Trang đang phải đối mặt với tình trạng biến động đường bờ phức tạp và xói lở nghiêm trọng.

Thực trạng xói lở và suy thoái bãi biểu hiện rõ rệt qua việc thu hẹp không gian bãi cát sau khi xây dựng các công trình như kè lấn biển Ba Làng (thực hiện năm 2002 với diện tích 12.000 $\text{m}^2$, chiều rộng lấn biển lớn nhất 65 m, chiều dài hơn 1.000 m), dự án lấn biển Đường Đệ (thực hiện 2004–2006 với diện tích trên 30 ha, đê dài hơn 1.500 m) hay việc xây dựng cầu Trần Phú và kè bảo vệ bờ trước Ủy ban Nhân dân tỉnh Khánh Hòa làm bãi cát trước khu vực này bị mất hẳn. Tại đoạn bãi biển trung tâm từ ngã ba đường Lê Lợi – Trần Phú đến cầu cảng Vinpearl, đường bờ có xu thế tiến sát về phía kè đường Trần Phú; tiêu biểu tại mặt cắt ngã ba đường Nguyễn Chánh – Trần Phú, đường bờ đã thoái lui vào sâu 9 m trong giai đoạn 2006 đến tháng 5/2013, độ dốc trung bình đáy biển gần bờ xấp xỉ 4%, tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn cho người tắm biển.

Trước bối cảnh đó, các nghiên cứu trước đây tại khu vực hoặc chỉ mang tính định hướng quy mô rộng, hoặc chỉ giới hạn trong phạm vi hẹp (như bãi tắm Xương Huân), chưa khai thác toàn diện chuỗi số liệu thực đo đồng bộ và thiếu vắng các công cụ định lượng chi tiết về các tham số động lực học ven bờ. Khoảng trống này đòi hỏi phải có một nghiên cứu chuyên sâu nhằm xác định cơ chế biến động đường bờ theo mùa và đề xuất giải pháp công trình bảo vệ phù hợp cho bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy (mã số: 62-58-02-02) của nghiên cứu sinh Lê Thanh Bình, thực hiện tại Trường Đại học Thủy lợi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Trung Việt và GS. Hitoshi Tanaka (bảo vệ năm 2017), được triển khai nhằm giải quyết các yêu cầu thực tiễn và khoa học nêu trên.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm hai nội dung:

  1. Xác định được các tham số ảnh hưởng đến diễn biến đường bờ biển trung tâm thành phố Nha Trang như: chiều cao sóng vỡ, độ sâu giới hạn chuyển động bùn cát ($D_c$)... và dự báo đường bờ biển theo không gian và thời gian.
  2. Đề xuất được sơ đồ bố trí hệ thống công trình hợp lý để ổn định hình thái bãi tắm thành phố Nha Trang, cải thiện chiều rộng và độ dốc bãi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Chiều cao sóng vỡ vùng gần bờ và diễn biến đường bờ biển trung tâm thành phố Nha Trang.
  • Phạm vi không gian: Bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang dọc đường Trần Phú dài 4,5 km, tính từ cầu Trần Phú đến công viên Bạch Đằng.
  • Phạm vi thời gian và tư liệu: Sử dụng chuỗi số liệu khảo sát, ảnh video-camera và số liệu đo đạc thực địa từ năm 2006 đến năm 2015–2016, kế thừa trực tiếp nguồn dữ liệu của Đề tài Nghị định thư cấp nhà nước Việt Nam – Cộng hòa Pháp (2013–2014).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu hình thái và động lực học bờ biển trên thế giới đã trải qua quá trình phát triển với nhiều phương pháp tiếp cận:

  • Phương pháp đo đạc thực địa truyền thống: Sử dụng thiết bị định vị vệ tinh GPS độ chính xác cao (Promark, Zmax, Trimble), máy toàn đạc điện tử (Topcon, Leica, Nikon), máy đo sâu hồi âm tích hợp DGPS, cùng các thiết bị đo động lực học như cảm biến áp suất (Pressure Sensor), máy đo vận tốc dòng chảy và sóng Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP), AWAC.
  • Công nghệ viễn thám và phân tích ảnh video-camera: Kỹ thuật viễn thám vệ tinh (Landsat, SPOT) và viễn thám chủ động (RADAR, LIDAR) được sử dụng để theo dõi biến đổi đường bờ quy mô lớn. Từ các nghiên cứu không ảnh thập niên 1930 và thử nghiệm quay phim đo sóng leo của CIL – Đại học Bang Oregon (1980), công nghệ trạm quan trắc video-camera tự động Argus được phát triển từ năm 1992 (Lippmann & Holman 1989, 1990; Holman & Lippmann 1993; Plant & Holman 1997; Konicki & Holman 2000; Tanaka & Nguyen 2007). Hệ thống này đã được triển khai tại hơn 30 bãi biển trên thế giới (Mỹ, Pháp, Hà Lan, Úc, New Zealand, Nhật Bản, Đài Loan).
  • Phương pháp phân tích hàm trực giao thực nghiệm (EOF): Được Lorenz (1956) giới thiệu trong khí tượng học, sau đó Winant và cộng sự (1975) lần đầu áp dụng để phân tích biến thiên không gian – thời gian của trắc ngang bãi biển thông qua các hàm riêng, tiếp tục được phát triển trong phân tích đường bờ (Larson và cộng sự).
  • Xác định chiều cao sóng vỡ và độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát ($D_c$): Lý thuyết sóng Airy; các công thức bán kinh nghiệm tính chiều cao sóng vỡ của Munk (1949), Komar & Gaughan (1972), LeMehaute & Koh (1967), Kaminsky & Kraus (1993); khái niệm và công thức tính $D_c$ của Hallermeier (1978, 1981), Birkemeier (1985), Kraus và cộng sự (1999), Houston (1995), Nicholls và cộng sự (1998a, 1998b).
  • Mô hình toán và mô hình vật lý: Lý thuyết biến đổi đường bờ một đường (one-line) của Pelnard-Considère (1956) đặt nền móng cho các phần mềm như GENESIS (USACE và Đại học Lund), GENCADE (Frey và cộng sự, 2012 phát triển trên giao diện SMS 11.1), UNIBEST (Deltares), LITPACK (DHI). Các thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng và bể sóng của Shinohara & Tsubaki (1966), Gourlay (1981), Rosen & Vajda (1982), Harris & Herbich (1986), Suh & Dalrymple (1987), Ming & Chiew (2000).

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam và vị trí của luận án

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về bờ biển và cửa sông được thực hiện qua các chương trình KH&CN cấp Nhà nước như KC.08, KC.09 (đề tài KC-09-05 của Phạm Huy Tiến, 2005), đề tài KC.TN04/11-15 của Nghiêm Tiến Lam (2012), các công trình của Lương Phương Hậu và cộng sự (2001, 2016), Nguyễn Bá Quỳ (1994), Lê Phước Trình (2000), Bùi Hồng Long (2000), Trương Văn Bốn (2012), Trần Ngọc Anh và cộng sự (2012–2013). Các nghiên cứu ứng dụng mô hình số như Doãn Tiến Hà & Mạc Văn Dân (2013) dùng CEDAS cho bờ biển Sầm Sơn nhưng thiếu thông số $D_c$; Nguyễn Ngọc Thạch và cộng sự (2007) ứng dụng LITPACK tại đảo Cát Hải.

Đối với khu vực Nha Trang, Đề tài Nghị định thư Việt Nam – Pháp do PGS.TS. Nguyễn Trung Việt chủ trì (2013–2014) đã khảo sát chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát vịnh Nha Trang; luận án của Nguyễn Việt Đức (2016) nghiên cứu cải tạo bãi tắm Xương Huân. Luận án của Lê Thanh Bình kế thừa trực tiếp nguồn số liệu từ Đề tài Nghị định thư, tập trung giải quyết khoảng trống nghiên cứu cho toàn tuyến bãi biển trung tâm đường Trần Phú (dài 4,5 km) bằng việc kết hợp đồng bộ công nghệ video-camera, phân tích thống kê EOF, tính toán thực nghiệm tham số sóng vỡ, độ sâu $D_c$ và ứng dụng mô hình GENCADE để mô phỏng, lựa chọn phương án công trình bảo vệ bãi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  1. Lý thuyết lan truyền sóng và sóng vỡ: Dựa trên lý thuyết sóng tuyến tính Airy, hiện tượng biến dạng sóng khi truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông (khúc xạ, nhiễu xạ qua công trình, tiêu tán năng lượng do sóng vỡ). Các tương quan thực nghiệm tính toán chiều cao sóng vỡ $H_b$:
    • Công thức Munk (1949): $$\frac{H_b}{H_0} = \frac{1}{3,3 (H_0 / L_0)^{1/3}}$$
    • Công thức Komar & Gaughan (1972): $$\frac{H_b}{H_0} = \frac{0,365}{(H_0 / L_0)^{1/5}} \quad \text{hay} \quad H_b = 0,39 g^{1/5} (T H_0^2)^{2/5}$$
  2. Lý thuyết độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát ($D_c$): Theo định nghĩa của Hallermeier (1981) và Birkemeier (1985), $D_c$ là ranh giới ngoài của vùng biển nông mà tại đó sự thay đổi cao độ đáy biển do sóng và dòng chảy ven bờ gây ra là không đáng kể qua nhiều năm.
  3. Lý thuyết biến đổi đường bờ một chiều (One-line model): Phương trình bảo toàn thể tích bùn cát kết hợp với công thức tính lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ dưới tác động của sóng vỡ và dòng chảy dọc bờ.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ 5 nhóm phương pháp:

  • Phương pháp khảo sát thực địa: Đo đạc bình đồ địa hình, trắc ngang bãi biển bằng máy toàn đạc và DGPS; đo sâu đáy biển; quan trắc mực nước và sóng bằng cảm biến áp lực (Pressure Sensor) đặt tại vùng sóng vỡ và sóng leo; đo dòng chảy bằng thiết bị ADCP/AWAC; lấy mẫu trầm tích xác định đường kính hạt trung vị $D_{50}$.
  • Phương pháp phân tích ảnh từ hệ thống video-camera: Sử dụng các trạm camera đặt tại phía Bắc và phía Nam vịnh Nha Trang. Chuyển đổi tọa độ ảnh $(u, v)$ sang tọa độ thực $(X, Y, Z)$ thông qua các điểm khống chế mặt đất (GCP). Xử lý ảnh trung bình thời gian (timex) để giải đoán vị trí đường mép nước, mặt cắt ngang bãi biển, chu kỳ sóng, vận tốc đầu sóng và chiều cao sóng vỡ.
  • Phương pháp phân tích hàm trực giao thực nghiệm (EOF): Phân tích chuỗi số liệu vị trí đường bờ $y(x, t)$ thành tích của các hàm không gian $E_n(x)$ và các hàm thời gian $C_n(t)$: $$y(x, t) = \sum_{n=1}^N E_n(x) C_n(t)$$ Kết hợp phân tích chuỗi Fourier cho các hàm thời gian để xác định chu kỳ biến động và thiết lập phương trình dự báo đường bờ.
  • Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình GENCADE (phát triển từ GENESIS trên môi trường SMS 11.1) để mô phỏng diễn biến đường bờ dưới tác động của sóng, dòng chảy và các phương án công trình bảo vệ.
  • Hệ thống thông tin địa lý (GIS): Tích hợp, quy chuẩn dữ liệu bản đồ qua các thời kỳ (hệ tọa độ VN2000), phân tích không gian và chồng lớp bản đồ để đánh giá biến động bãi biển.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về diễn biến bãi biển và công trình bảo vệ bãi biển

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm cơ bản về bãi biển, mặt cắt ngang bãi (bãi sau, bãi trước/mặt bãi, thềm gần bờ), đường bờ biển và phân loại các dạng công trình bảo vệ bờ biển.

Nhóm công trình Dạng kết cấu điển hình Mục đích và nhiệm vụ chính
Công trình dọc bờ cố định Đê biển, Tường chắn sóng, Kè bảo vệ bờ, Vách ngăn Chống ngập lụt, gia cố bờ chống xói lở, ngăn chặn nước tràn và chống trượt đất.
Công trình chỉnh trị & tiêu năng Đập mỏ hàn, Đê phá sóng (nổi/tách rời/ngầm), Rạn nhân tạo Tiêu hao năng lượng sóng, giảm vận chuyển bùn cát dọc bờ, giữ cát tạo bãi tắm.
Công trình cửa sông & luồng tàu Đê chắn sóng (Jetty), Tường hướng dòng, Barrier chống bão Ổn định luồng lạch, ngăn bồi lấp cửa sông, chống dòng triều ngang và nước dâng.
Giải pháp mềm Nuôi bãi nhân tạo, Đụn cát, Beach drain Bổ sung cát định kỳ thay thế nguồn tự nhiên, tích tụ trầm tích vùng triều.

Chương này phân tích tổng quan các nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam, đồng thời đánh giá chi tiết hiện trạng bãi biển thành phố Nha Trang:

  • Kè và tường chắn sóng dọc đường Trần Phú: Xây dựng từ công viên Bạch Đằng đến Đường Đệ, gây hiện tượng phản xạ sóng làm mất bãi cát tại nhiều vị trí.
  • Đập mỏ hàn chữ Y tại Khách sạn 378 (kè biển Yersin): Xây dựng năm 1993, thân kè kết hợp hai cánh chắn sóng hướng NE và SE, gia cố bằng khối Tetrapod đầu tiên tại Việt Nam, giữ ổn định cục bộ đoạn bờ phía sau.
  • Cầu cảng Vinpearl: Dạng chữ $\Gamma$ (thân dài 50 m, cánh dài 40 m bằng bê tông cốt thép), đã bị gãy và suy giảm công năng.
  • Hiện trạng suy thoái bãi: Tác động tích hợp từ các dự án lấn biển Ba Làng, Đường Đệ và việc chỉnh trang cửa sông Cái đã làm giảm nguồn cung cấp bùn cát, thu hẹp diện tích bãi tắm và gây chết rạn san hô tự nhiên tại khu vực Hòn Chồng và trước khách sạn VDB.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                CÁC YẾU TỐ TÁC ĐỘNG ĐẾN BÃI BIỂN NHA TRANG               |
+-------------------------------------------------------------------------+
| 1. Tự nhiên: Sóng bão (Nari, Haiyan), gió mùa, nước dâng, triều cường.  |
| 2. Nhân sinh: Kè lấn biển Ba Làng, khu đô thị Đường Đệ, cầu Trần Phú.  |
| 3. Hậu quả: Bãi trước UBND tỉnh bị mất; ngã ba Nguyễn Chánh xói lùi 9m; |
|    độ dốc đáy gần bờ tăng lên ~4%; rạn san hô tự nhiên suy thoái.       |
+-------------------------------------------------------------------------+

Chương 2: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở toán học và quy trình thực hiện của các phương pháp nghiên cứu:

  • Quy trình khảo sát hải văn và trắc địa: Thiết lập mạng lưới trạm đo mặt cắt địa hình, bố trí các cảm biến áp suất đo sóng (Pressure Sensor) đồng thời tại vùng sóng vỡ và vùng sóng leo (tháng 5/2013 và tháng 12/2013).
  • Thuật toán xử lý ảnh video-camera: Thiết lập mối quan hệ hình học giữa tâm camera $(X_C, Y_C, Z_C)$, tọa độ mặt phẳng ảnh $(u, v)$ và tọa độ thực địa $(X, Y, Z)$ thông qua hệ số hiệu chỉnh tiêu cự $f$ và các điểm GCP. Quy trình trích xuất ảnh timex để nhận diện đường bờ tự động theo mức biến thiên cường độ sáng pixel; phương pháp xác định chu kỳ sóng và vận tốc đầu sóng để giải đoán chiều cao sóng vỡ $H_b$.
  • Thuật toán EOF: Quy trình xây dựng ma trận hiệp phương sai từ chuỗi số liệu vị trí đường bờ trích xuất từ camera, giải bài toán tìm giá trị riêng và hàm riêng không gian $E_n$, hệ số thời gian $C_n$.
  • Cấu trúc mô hình GENCADE: Thiết lập phương trình cơ bản mô tả biến đổi đường bờ, công thức tính toán lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ $Q$, xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát $D_c$, mô hình lan truyền sóng trong vùng nước nông và tính toán nhiễu xạ sóng qua các công trình bảo vệ bờ.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu về diễn biến đường bờ tại bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang

Chương 3 trình bày các kết quả phân tích số liệu thực nghiệm và mô phỏng số:

  • Đánh giá diễn biến đường bờ qua video-camera: Phân tích chuỗi ảnh liên tục giai đoạn 01/6/2013 – 30/4/2014 và mở rộng đến tháng 12/2015. Định lượng sự biến đổi mặt cắt ngang bãi biển theo mùa (mùa hè bồi tụ, mùa đông xói lở) và sự thoái lui tức thời của đường bờ do tác động của bão Nari (14/10/2013) và siêu bão Haiyan (10/11/2013).
  • Kết quả phân tích EOF đường bờ: Ba dạng hàm riêng đầu tiên ($E_1C_1, E_2C_2, E_3C_3$) giải thích phần lớn phương sai biến động của đường bờ đoạn trước UBND tỉnh Khánh Hòa. Thành phần $E_1C_1$ phản ánh xu thế biến động theo mùa rõ rệt nhất; phân tích chuỗi Fourier cho hàm thời gian $C_1(t)$ và thiết lập phương trình hồi quy cho hàm không gian $E_1(x)$ cho phép xây dựng mô hình dự báo vị trí đường bờ theo không gian và thời gian.
  • Giải đoán chiều cao sóng vỡ: So sánh kết quả giải đoán chiều cao và chu kỳ sóng vỡ từ camera với số liệu thực đo tại các trạm cảm biến áp suất (trạm C gần bờ và trạm A ngoài khơi) trong đợt đo tháng 12/2013 cho thấy mức độ tương quan và độ tin cậy cao của phương pháp quang trắc video.
  • Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát ($D_c$): So sánh các công thức kinh nghiệm quốc tế (Hallermeier, Houston, Birkemeier) với kết quả phân tích tập hợp các mặt cắt đo sâu thực tế tháng 5/2013. Luận án đã thiết lập công thức thực nghiệm xác định $D_c$ phù hợp với điều kiện bùn cát và sóng tại bãi biển trung tâm Nha Trang (công thức 3-7 trong luận án):
Phương pháp xác định Nguồn gốc / Công thức Giá trị $D_c$ (m)
Công thức Hallermeier (1981) $D_c = 2,28 H_{s,12} - 68,5 \left(\frac{H_{s,12}^2}{g T_s^2}\right)$ Theo số liệu sóng cực trị năm
Công thức Houston (1995) $D_c = 6,75 \bar{H}_{s}$ Theo sóng ý nghĩa trung bình năm
Số liệu đo sâu thực địa Phân tích tập hợp mặt cắt ngang địa hình (T05/2013) Vị trí đáy biển ổn định ít biến đổi
Công thức thực nghiệm luận án Thiết lập riêng cho bãi biển trung tâm Nha Trang Phù hợp với số liệu đo sâu thực tế
  • Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình toán: Sử dụng dữ liệu đo đạc thực tế năm 2006 và năm 2013 để hiệu chỉnh các hệ số vận chuyển bùn cát trong mô hình GENCADE. Kết quả kiểm nghiệm mô phỏng đường bờ tháng 12/2013 từ cửa sông Cái đến cầu cảng Vinpearl bằng máy toàn đạc và mô hình cho thấy sai số nhỏ, chứng minh tính phù hợp của mô hình trong việc tính toán dự báo.

Chương 4: Đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang

Chương 4 tập trung nghiên cứu quy hoạch mặt bằng không gian và mô phỏng đánh giá hiệu quả của các phương án công trình nhằm bảo vệ bãi biển dọc đường Trần Phú:

  • Mục tiêu công trình: Giảm năng lượng sóng tác động trực tiếp vào chân bờ kè đường Trần Phú, giảm thiểu xói lở vào mùa đông, giữ cát tạo bãi tắm ổn định, giảm độ dốc đáy biển gần bờ và bảo tồn cảnh quan tự nhiên của vịnh.
  • Lựa chọn kết cấu: Đề xuất sử dụng kết cấu đê ngầm phá sóng tách rời (Submerged breakwater) kết hợp mô phỏng rạn san hô nhân tạo (tương tự cơ chế giảm sóng tự nhiên của bãi rạn trước khách sạn VDB). Giải pháp đê ngầm đảm bảo không làm cản trở tầm nhìn cảnh quan mặt nước từ đường Trần Phú.
  • Mô phỏng các kịch bản quy hoạch mặt bằng không gian: Sử dụng mô hình GENCADE đã hiệu chỉnh để mô phỏng diễn biến đường bờ tương ứng với các nhóm phương án bố trí công trình:
    • Nhóm phương án 1 (1a đến 1e): Bố trí các đoạn đê ngầm đơn lẻ hoặc cụm ngắn tại các vị trí xói lở trọng điểm.
    • Nhóm phương án 2 (2a, 2a1, 2b, 2c, 2c1–2c7, 2d, 2e, 2g, 2h): Thay đổi các thông số chiều dài đoạn đê, khoảng cách đê đến bờ, khoảng hở giữa các đoạn đê ngầm để tối ưu hóa khả năng gây bồi và hình thành đường bờ cân bằng dạng tombolo/salient.
    • Phương án 3g toàn tuyến: Phương án quy hoạch hệ thống đê ngầm phá sóng đồng bộ trên toàn tuyến 4,5 km từ công viên Bạch Đằng đến giáp cầu Trần Phú. Kết quả mô phỏng cho thấy phương án này tạo được bãi bồi ổn định, mở rộng chiều rộng bãi tắm và giảm độ dốc bãi hiệu quả nhất.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Đã ứng dụng công nghệ phân tích ảnh từ hệ thống video-camera để giám sát liên tục diễn biến đường bờ và trích xuất các đặc trưng sóng vỡ (chiều cao, chu kỳ) tại bãi biển Nha Trang trong điều kiện thời tiết bình thường và cả trong điều kiện bão cực đoan (bão Nari, siêu bão Haiyan năm 2013).
  2. Đã áp dụng phương pháp phân tích hàm trực giao thực nghiệm (EOF) trên cơ sở chuỗi dữ liệu đường bờ quang trắc, kết hợp giải tích Fourier và hồi quy để xây dựng phương trình dự báo biến đổi đường bờ theo không gian và thời gian cho bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang.
  3. Đã xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát $D_c$ từ chuỗi số liệu đo sâu trắc ngang thực tế và thiết lập công thức thực nghiệm tính toán $D_c$ riêng biệt cho vùng bờ biển Nha Trang, bổ sung thông số đầu vào cho các mô hình biến đổi hình thái bờ biển.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Làm rõ nguyên nhân gây suy thoái và xói lở bãi biển Nha Trang là do sự kết hợp giữa tác động thủy động lực học sóng bão theo mùa và sự suy giảm nguồn bùn cát do các công trình nhân sinh (kè lấn biển Ba Làng, Đường Đệ, cầu Trần Phú, tường kè đứng phản xạ sóng).
  2. Đề xuất sơ đồ quy hoạch mặt bằng không gian hệ thống đê ngầm phá sóng tách rời toàn tuyến (phương án 3g) nhằm bảo vệ bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang, giúp ổn định đường bờ, mở rộng bãi tắm, giảm độ dốc đáy biển và bảo tồn cảnh quan du lịch vịnh Nha Trang.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Chuỗi số liệu đo đạc hải văn thực địa và ảnh camera tập trung chủ yếu trong giai đoạn 2013–2015, cần tiếp tục được kéo dài qua nhiều năm để nâng cao độ chính xác thống kê của các thành phần EOF bậc cao.
    • Mô hình biến đổi đường bờ GENCADE là mô hình 1 đường (one-line), tập trung chủ yếu vào quá trình vận chuyển bùn cát dọc bờ; sự biến đổi hình thái mặt cắt ngang theo phương ngang bờ dưới tác động dòng chảy 3 chiều phức tạp chưa được mô phỏng chi tiết trong cùng một công cụ.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Duy trì và mở rộng hệ thống trạm quan trắc video-camera ven bờ tại các bãi biển khác của miền Trung Việt Nam.
    • Ứng dụng các mô hình thủy động lực học và biến đổi địa hình 2D/3D (như Delft3D, Telemac) kết hợp với mô hình vật lý trong bể sóng để kiểm chứng chi tiết hơn cấu tạo mặt cắt và kết cấu khối phủ của đê ngầm phá sóng trước khi triển khai thi công thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Công trình thủy, Kỹ thuật bờ biển, Hải dương học: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa công nghệ quang trắc video-camera, phân tích thống kê EOF và mô hình toán biến đổi đường bờ GENCADE.
  • Các cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền địa phương (Sở Khoa học & Công nghệ, Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên & Môi trường tỉnh Khánh Hòa): Sử dụng làm cơ sở khoa học để thẩm định quy hoạch không gian bờ biển, xây dựng các dự án tôn tạo bãi tắm và phòng chống xói lở bờ biển Nha Trang.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy và công trình ven biển: Tham khảo số liệu tính toán chiều cao sóng vỡ, độ sâu giới hạn bùn cát $D_c$ và các phương án bố trí mặt bằng đê ngầm phá sóng giảm tải cho kè bờ.

Câu hỏi thường gặp

1. Phạm vi không gian và đối tượng nghiên cứu chính của luận án là gì? Luận án tập trung nghiên cứu trên đoạn bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang dọc đường Trần Phú có chiều dài 4,5 km (từ cầu Trần Phú đến công viên Bạch Đằng). Đối tượng nghiên cứu chính là chiều cao sóng vỡ vùng gần bờ và diễn biến đường bờ biển theo không gian và thời gian.

2. Công nghệ video-camera đã giải quyết được những bài toán kỹ thuật nào trong luận án? Hệ thống camera giám sát lắp đặt tại bờ biển Nha Trang giúp trích xuất liên tục vị trí đường mép nước (ảnh timex), theo dõi biến đổi mặt cắt ngang bãi biển qua các mùa và qua các cơn bão lớn (bão Nari, bão Haiyan năm 2013), đồng thời đo đạc chu kỳ sóng, vận tốc đầu sóng để giải đoán chiều cao sóng vỡ $H_b$ mà không phụ thuộc hoàn toàn vào các thiết bị đo tiếp xúc trực tiếp dễ bị hư hại ngoài hiện trường.

3. Phương pháp phân tích EOF đóng vai trò gì trong việc dự báo đường bờ? Phương pháp EOF phân tích chuỗi dữ liệu vị trí đường bờ thu được từ camera thành các dạng hàm riêng không gian $E_n(x)$ và hệ số thời gian $C_n(t)$. Trong đó, thành phần $E_1C_1$ mô tả xu thế biến động theo mùa chủ đạo; kết hợp phân tích chuỗi Fourier cho $C_1(t)$ và hồi quy $E_1(x)$ cho phép thiết lập phương trình dự báo vị trí đường bờ theo chu kỳ năm.

4. Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát ($D_c$) được luận án xác định bằng cách nào? Luận án đã phân tích chuỗi số liệu đo sâu các mặt cắt ngang thực tế ngoài hiện trường vào tháng 5/2013 để xác định vị trí cao độ đáy biển ổn định ít biến đổi, so sánh với các công thức kinh nghiệm quốc tế của Hallermeier và Houston, từ đó thiết lập công thức thực nghiệm tính $D_c$ riêng biệt, phù hợp với đặc thù bùn cát và sóng tại vùng biển Nha Trang.

5. Giải pháp công trình nào được luận án đề xuất để bảo vệ bãi biển trung tâm Nha Trang? Luận án đề xuất phương án 3g quy hoạch toàn tuyến hệ thống đê ngầm phá sóng tách rời (Submerged breakwater) kết hợp rạn san hô nhân tạo. Giải pháp này giúp tiêu hao năng lượng sóng từ xa, giữ cát gây bồi bãi tắm, giảm độ dốc đáy biển gần bờ mà không che khuất tầm nhìn cảnh quan mặt nước vịnh Nha Trang.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Lê Thanh Bình đã làm rõ cơ chế diễn biến theo mùa và nguyên nhân gây xói thoái hóa bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang dọc đường Trần Phú dài 4,5 km. Bằng việc tích hợp các phương pháp quan trắc video-camera, phân tích thống kê EOF, tính toán thực nghiệm tham số động lực học sóng vỡ, độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát $D_c$ và mô phỏng mô hình số GENCADE, công trình đã xây dựng thành công công cụ dự báo đường bờ và đề xuất giải pháp quy hoạch đê ngầm phá sóng toàn tuyến tối ưu. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ công tác quản lý bờ biển, ổn định hình thái bãi tắm và phát triển bền vững không gian du lịch vịnh Nha Trang.