CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN BÃI BIỂN VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN 1.1 Khái niệm chung 1.1 Khái niệm bãi biển Khu vực bị ảnh hưởng trực tiếp những tác động mạnh mẽ của đại dương lên đất liền là bãi biển và vùng ven bờ, vị trí thể hiện tương tác của thủy triều, sóng, gió lên đất liền là đường bờ biển. Một đặc điểm động lực học của các bãi biển và hệ thống vật lý gần bờ đã ảnh hưởng trực tiếp đến đường bờ biển là sự chuyển động của các trầm tích ở khu vực ven biển do sóng và dòng chảy. Vận chuyển trầm tích ven biển được chia thành 2 loại cơ bản: vận chuyển song song với bờ (vận chuyển dọc bờ) và vận chuyển vuông góc với bờ (vận chuyển vùng gần bờ ra ngoài khơi). Quá trình vận chuyển trầm tích từ vùng gần bờ ra ngoài khơi phụ thuộc chủ yếu vào độ dốc của sóng (tỉ số giữa chiều cao sóng và bước sóng), kích thước phù sa, và độ dốc bãi biển.
Khi độ dốc sóng lớn sẽ vận chuyển trầm tích từ bờ ra ngoài khơi và khi độ dốc sóng thấp chu kỳ dài thì sẽ vận chuyển trầm tích từ ngoài khơi vào gần bờ. Quá trình vận chuyển trầm tích dọc bờ là do tác động của sóng vỡ làm trầm tích bị khuấy động, sau đó chuyển động theo hướng dọc bờ bởi các thành phần của năng lượng sóng và dòng chảy dọc bờ được tạo bởi sóng vỡ [3]. Hình dạng mặt cắt ngang bãi biển, được định nghĩa là hình dạng của mặt cắt ngang lấy theo phương vuông góc với đường bờ, nói chung gồm bốn khu vực là: khu vực ngoài khơi, khu vực gần bờ, khu vực bãi và khu vực bờ biển. Khái niệm chung của vùng ven biển (Coastal area) là một bãi cát dài, thẳng với cồn cát có thảm thực vật (Hình 1.1 ) [3], [4] bao gồm: - Bãi phía sau: giới hạn từ phần nước cao đến giới hạn trên cùng về phía đất liền của sóng - Bãi phía trước (mặt bãi): phần bãi nằm trên ranh giới giữa mực nước cao và mực nước thấp khi sóng dồn lên bờ biển và khi sóng rút ra khỏi bờ.
- Thềm gần bờ có độ dốc thoải và đáy biển có độ dốc lớn. 8 Đây là khái niệm chung với đa số bãi biển, nhưng không phải đúng hoàn toàn với một số bãi biển có điều kiện bất thường: không phải tất cả các khu vực ven biển là cát, một số khu vực ven biển là đất sét có dốc lớn hoặc là những mũi đá nhô ra phía biển, một số nơi khác là lớp bùn đất ngập nước nông hay đầm lầy rậm rạp.1 Mặt cắt ngang điển hình của bãi biển [3] Đường bờ biển thường được định nghĩa là đường ranh giới, nơi giao thoa giữa đất liền và đại dương (Hình 1.1), tương ứng với sự dao động mực nước do hiện tượng thủy triều, ranh giới này cũng sẽ dịch chuyển sâu vào trong đất liền hoặc xa ra phía biển. Trong một thời đoạn nhất định, đường bờ là đường mép nước trung bình của thủy triều.Vị trí chính xác của đường bờ sẽ phụ thuộc trực tiếp vào trạng thái của thủy triều, điều kiện sóng tại đó và độ dốc của bãi biển [5].2 Khái niệm công trình bảo vệ bãi biển Công trình bảo vệ bãi biển được sử dụng trong các dự án bảo vệ bãi biển với mục tiêu ngăn ngừa xói mòn bờ biển và ngập lụt của vùng nội địa, bao gồm: bảo vệ bờ chống sạt lở, tạo bãi tắm, cải tạo cảnh quan, ổn định luồng lạch vùng cửa sông ven biển, bảo vệ các cửa sông, cửa lấy nước và bến cảng. Tổng quan về các loại khác nhau và ứng dụng của các loại kết cấu ven biển được đưa ra trong Bảng 1.1 Các loại cấu trúc và nhiệm vụ của công trình bảo vệ bãi biển [4] Loại cấu trúc Mục đích Nhiệm vụ chính Bảo vệ, ngăn ngừa hoặc làm Ngăn cách đất liền và biển bằng cấu Đê biển (Sea dike) giảm bớt ngập lụt do nước biển trúc ít bị thấm nước của vùng đất trũng Bảo vệ, ngăn ngừa, làm giảm Gia cố thêm cho bãi biển để phá Tường chắn sóng ảnh hưởng của bão và sóng sóng, tăng chiều cao bờ không cho (Seawall) cho vùng đất liền phía sau nước tràn qua Kè bảo vệ bờ Bảo vệ bờ biển không bị xói Gia cố thêm cho bãi biển (Revetment) mòn Bảo vệ chân hoặc ngăn chặn Vách ngăn (Bulkhead) trượt đất và chống lại sóng, Gia cố bờ đất bảo vệ vùng đất không lụt Đập mỏ hàn (Groin) Ngăn chặn xói mòn bãi biển Giảm bớt vận chuyển bùn cát dọc bờ Phá sóng và dòng chảy của: Tiêu hao năng lượng sóng, giảm tác Đê phá sóng công trình cảng, cửa vào của động sóng sau công trình, phản xạ (Breakwater) cảng, cửa lấy nước nhà máy năng lượng sóng về phía biển thủy điện, chống sóng thần.
Đê phá sóng tách rời Giảm bớt chiều cao sóng ở phía sau Ngăn chặn xói mòn bãi biển (Detached breakwater) và giảm vận chuyển bùn cát dọc bờ Đê ngầm phá sóng Giảm di chuyển trầm tích ra phía Ngăn chặn xói mòn bãi biển (Submerged sill) ngoài khơi Phá sóng, tiêu hao năng lượng và Rạn nhân tạo (Reef Ngăn chặn xói mòn bãi biển giảm tác động của sóng khúc xạ và breakwaters) nhiễu xạ. Tích tụ vật liệu bãi biển ở phạm vi Beach drain Ngăn chặn xói mòn bãi biển thủy triều Nuôi bãi và đụn cát Nuôi bãi nhân tạo và vật liệu đụn cát Ngăn chặn xói mòn bãi biển và (Beach nourishment and bằng sóng và dòng chảy thay cho chống lại ngập lụt dune contruction) nguồn cung cấp tự nhiên Phá sóng có chế độ sóng có kỳ Đê phá sóng nổi Giảm chiều cao sóng bằng sự phản ngắn của: khu neo đậu, cảng, (Floating breakwater) xạ và suy giảm sóng bến du thuyền Hạn chế dòng chảy trong sông, dòng Ổn định luồng lạch tại cửa Đê chắn sóng (Jetty) thủy triều. Chống lại dòng chảy sông, lạch vùng triều ngang và bão Ngăn chặn bồi tụ và xói mòn Tường hướng dòng Hướng dòng chảy tự nhiên hoặc nhân không mong muốn, bảo vệ nơi (Training walls) tạo di chuyển dọc theo công trình buộc thuyền Barier chống nước dâng Bảo vệ cửa sông khi bị nước Ngăn cách cửa sông và biển bằng hệ do bão (Storm surge dâng do bão thống cửa phai di động. barrier) Bảo vệ xói (Scour Bảo vệ công trình ven biển khi 10 Trước khi áp dụng công trình bảo vệ bờ biển, điều quan trọng là phải xác định và nghiên cứu được cả nguyên nhân ngắn hạn và dài hạn dẫn đến xói lở bờ biển (Những nguyên nhân xói lở bờ biển được thống kê trong Bảng 1.2), nếu không thì có thể dẫn đến việc thiết kế và bố trí các biện pháp bảo vệ bờ biển sẽ thúc đẩy thêm quá trình xói lở, bồi lấp trong khi mục tiêu đặt ra ban đầu là cần phải giảm bớt xói lở, bồi lấp.2 Nguyên nhân xói lở bờ biển [3] Tự nhiên Con người Lún sụt đất từ việc loại bỏ các nguồn tài nguyên dưới Mực nước biển dâng mặt đất: khai thác nước ngầm, dầu, ga, than đá.
Thay đổi trầm tích cung cấp cho khu Gián đoạn của vật liệu trong giao thông vận tải: nạo duyên hải: hạn hán hoặc lũ lụt sẽ làm thay vét cửa sông, luồng lạch. đổi lượng bùn cát từ sông ra biển Giảm trầm tích cung cấp cho khu vực ven biển: xây Sóng bão dựng đập dâng, hồ chứa Sóng mang theo bùn cát từ đất liền ra Sự tập trung của năng lượng sóng trên bãi biển: xây biển. tường kè bảo vệ bờ. Tăng chênh lệch cột nước: trong cảng và bãi biển liền Xói mòn do gió kề Thay đổi sự tự bảo vệ của bờ biển: phá hủy thảm Vận chuyển trầm tích dọc bờ phủ, san lấp đụn cát.
Phân loại trầm tích biển: kích thước, đặc Loại bỏ các vật liệu của bãi: khai thác khoáng sản. tích của trầm tích dưới tác dụng của sóng 1.2 Tổng quan nghiên cứu diễn biến bờ biển trên thế giới Sự phát triển của hình thái ven biển gây ra bởi hệ thống các quá trình vật lý phức tạp hoạt động trên một phạm vi rộng về quy mô không gian và thời gian. Do đó, việc xác định và phân tích các xu hướng trong quá trình biến đổi hình thái ven biển có tầm quan trọng rất lớn trong nghiên cứu, lập kế hoạch và thiết kế công trình ven biển. Quá trình quy hoạch và thiết kế các dự án kỹ thuật ven biển và quản lý lâu dài của khu vực ven biển đòi hỏi phải có kiến thức cơ bản của các diễn biến hình thái bãi biển có khả năng sẽ xảy ra khi có công trình.
Vì vậy, trước khi lập kế hoạch nghiên cứu và thiết kế rất cần thiết cần phải nghiên cứu về biến động bãi biển được thể hiện trực quan là diễn biến của đường bờ khi có công trình là rất cần thiết. 11 Để nghiên cứu những vấn đề khó khăn, phức tạp trong diễn biến bờ biển và tác động của công trình ven bờ tới bãi biển, các nhà nghiên cứu trên thế giới không thể chỉ dựa vào một vài phương pháp, mà thường sử dụng kết hợp từ nhiều phương pháp khác nhau. Nhưng tựu trung, gồm phương pháp cơ bản sau: Nghiên cứu từ số liệu thực đo; Công nghệ viễn thám; Phương pháp phân tích EOF; Sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý; Hệ thông tin địa lý (GIS).1 Nghiên cứu từ số liệu thực đo Cho đến nay, các thiết bị đo địa hình đã có những cải tiến và hiện đại hóa, đảm bảo độ chính xác cho các số liệu đo. Khi đo địa hình trên cạn đã sử dụng các thiết bị GPS độ chính xác cao: Promark, Zmax, Trimble; Kinh vĩ, toàn đạc điện tử: Topcon, Leika, Nikon.
để tiến hành đo đạc địa hình theo thời gian nghiên cứu. Khi đo đạc địa hình đáy biển đã sử dụng các thiết bị hiện đại bao gồm: Hệ thống định vị vệ tinh, máy đo sâu-quét biển, hệ thống đo địa vật lý biển, thiết bị đo địa hình độ chính xác cao tích hợp DGPS với thiết bị định vị vệ tinh thu tín hiệu độ chính xác cao, các phần mềm, máy in-quét (scan) và các trang thiết bị khác. Từ số liệu đo đạc các thời điểm đo khác nhau sử dụng phương pháp GIS để trình bầy lên cùng một bản vẽ: bình đồ, các mặt cắt ngang, mặt cắt dọc.để phân tích các yếu tố: diễn biến đường bờ và diện tích bồi, xói. Để đo sóng và các đại lượng động lực học ven biển đã sử dụng các thiết bị: cảm biến áp suất (Pressure Sensor), máy đo tần số hồi âm ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler), AWAC (Acoustic Wave and Current).
