Nghiên Cứu Mô Hình SWASH Trong Quản Lý Rủi Ro Địa Chất Tại Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Sóng biển đóng vai trò then chốt trong biến đổi địa hình ven bờ. Trong vùng sóng đổ, động lực học diễn ra phức tạp do sự chuyển đổi năng lượng sóng thành hệ thống dòng chảy phát sinh, bao gồm dòng chảy dọc bờ và dòng chảy ngang bờ. Hệ thống dòng chảy này vận chuyển vật chất ven bờ, tạo nên các khu vực bồi tụ và xói lở phức tạp. Việc mô phỏng chính xác trường sóng và dòng chảy phát sinh là điều kiện quan trọng để tính toán vận chuyển bùn cát, phục vụ đánh giá sự biến động đường bờ. Để mô phỏng chính xác, mô hình cần tái hiện các quá trình chủ đạo trong khu vực này. Các yếu tố như tốc độ gió, khoảng cách gió thổi, và thời gian gió thổi đều ảnh hưởng đến sự hình thành và lan truyền của sóng.

Tính toán vận chuyển bùn cát là nội dung quan trọng trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, vì bùn cát là yếu tố trung gian gây ra hiện tượng xói lở hoặc bồi lấp. Biết được lượng vận chuyển bùn cát ven bờ giúp dự báo sự biến đổi đường bờ và đánh giá ảnh hưởng của các công trình xây dựng. Quá trình này phức tạp do tác động của dòng chảy (thủy triều, gió, sóng) và dao động mực nước. Cát có thể chuyển động bởi dòng chảy, sóng, hoặc cả hai. Các quá trình cơ bản là cuốn theo, dịch chuyển và lắng đọng, xảy ra đồng thời và tương tác lẫn nhau. Sự xói lở và bồi tụ bờ biển phụ thuộc lớn vào sự cân bằng giữa các quá trình này.

Biến đổi khí hậu làm gia tăng mực nước biển, thay đổi chế độ sóng và dòng chảy, và tăng cường các hiện tượng thời tiết cực đoan. Điều này dẫn đến xói lở bờ biển nghiêm trọng hơn, ngập lụt ven biển thường xuyên hơn, và suy thoái các hệ sinh thái ven biển. Các cộng đồng ven biển dễ bị tổn thương cần có các biện pháp thích ứng và giảm thiểu rủi ro hiệu quả. Phân tích rủi ro và đánh giá rủi ro là những công cụ quan trọng để xác định các khu vực dễ bị tổn thương và xây dựng các kế hoạch ứng phó.

Việc xây dựng và vận hành các mô hình số như SWASH đòi hỏi lượng lớn dữ liệu đầu vào chính xác, bao gồm dữ liệu địa hình, dữ liệu sóng, dữ liệu dòng chảy, và dữ liệu khí tượng. Tuy nhiên, nhiều khu vực ven biển còn thiếu dữ liệu hoặc dữ liệu không đủ chất lượng. Ngoài ra, khả năng tính toán hiệu quả cũng là một yếu tố quan trọng để chạy các mô hình phức tạp trong thời gian ngắn. Việc đầu tư vào cơ sở hạ tầng dữ liệu và nguồn lực tính toán là cần thiết để nâng cao khả năng dự báo sóng và phân tích rủi ro.

Mô hình SWASH dựa trên hệ phương trình nước nông phi tĩnh, cho phép mô phỏng các quá trình sóng phi tuyến và phân tán. SWASH có khả năng mô phỏng sự tương tác giữa sóng và dòng chảy, sự vận chuyển bùn cát, và sự biến dạng địa hình đáy biển. Ưu điểm của SWASH là khả năng tính toán nhanh chóng và hiệu quả, cho phép mô phỏng các khu vực ven biển rộng lớn với độ phân giải cao. SWASH là mã nguồn mở, cho phép người dùng tùy chỉnh và phát triển mô hình theo nhu cầu cụ thể.

Mô hình SWASH tính đến nhiều quá trình vật lý quan trọng trong môi trường ven biển, bao gồm lan truyền sóng, phân tán tần số, nước nông, khúc xạ và nhiễu xạ, tương tác sóng phi tuyến, độ sâu giới hạn sóng phát triển bởi gió, sóng vỡ, sóng leo và sóng rút, di chuyển đường bờ, ma sát đáy, phản xạ một phần, tương tác sóng với công trình đá nổi, tương tác sóng với vật thể trôi, tương tác sóng dòng chảy, dòng chảy phát sinh do sóng, xáo trộn rối theo phương thẳng đứng, rối quy mô dưới lưới, bất đẳng hướng của rối, giảm sóng gây ra bởi thực vật thủy sinh, dòng chảy biển đổi nhanh, sóng thủy triều, sóng lũ và bore sóng, dòng chảy gió, gió biến đổi theo không gian và áp suất không khí, dòng chảy mật độ, vận chuyển thành phần lơ lửng cho trầm tích kết dính.

Khu vực cửa Lò, Nghệ An là một vùng ven biển có địa hình phức tạp, chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố tự nhiên và антропогенные. Bờ biển cửa Lò có nhiều đoạn bị xói lở nghiêm trọng, ảnh hưởng đến du lịch và đời sống của người dân địa phương. Việc hiểu rõ các quá trình động lực học ven biển tại khu vực này là cần thiết để đưa ra các giải pháp quản lý rủi ro địa chất bền vững. Khu vực này có địa hình, địa mạo và điều kiện khí tượng hải văn đặc trưng.

Kết quả mô phỏng trường sóng và dòng chảy tại khu vực cửa Lò cho thấy mô hình SWASH có khả năng tái hiện các quá trình động lực học ven biển một cách chính xác. So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu đo đạc thực tế cho thấy độ tin cậy của mô hình là khá cao. Tuy nhiên, vẫn còn một số sai số do hạn chế về dữ liệu đầu vào và độ phân giải của mô hình. Cần tiếp tục cải thiện mô hình và thu thập thêm dữ liệu để nâng cao độ chính xác của dự báo sóng và phân tích rủi ro.

Nghiên cứu này đã thành công trong việc ứng dụng mô hình SWASH để mô phỏng trường sóng và dòng chảy tại khu vực cửa Lò, Nghệ An. Kết quả mô phỏng cho thấy SWASH có khả năng tái hiện các quá trình động lực học ven biển một cách chính xác. Nghiên cứu này đóng góp vào việc nâng cao hiểu biết về các quá trình ven biển và cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các giải pháp quản lý rủi ro địa chất bền vững. Nghiên cứu cũng chỉ ra những hạn chế của mô hình và đề xuất các hướng cải thiện trong tương lai.

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển mô hình SWASH để nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm việc tích hợp SWASH với các mô hình khác (ví dụ: mô hình khí hậu, mô hình kinh tế), phát triển các thuật toán tối ưu hóa mô hình, và ứng dụng SWASH cho các khu vực ven biển khác trên thế giới. Ngoài ra, cần tăng cường hợp tác giữa các nhà khoa học, kỹ sư, và nhà quản lý để đảm bảo rằng các kết quả nghiên cứu được ứng dụng thực tế vào việc quản lý rủi ro địa chất ven biển.