Luận án tiến sĩ về nghiên cứu tương tác sóng và giải pháp giảm sóng quanh đảo Phú Quý

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kĩ thuật nghiên cứu tương tác sóng đảo phú quý và đề xuất giải pháp giảm sóng quanh đảo, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng trong

• Tác giả: Mai Quang Khoat
• Người hướng dẫn: TS. Mai Văn Công
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Sóng Đảo Phú Quý Và Giải Pháp Giảm Sóng Hiệu Quả
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ
• MỞ ĐẦU
• 1. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. Mục đích nghiên cứu
• 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 6. Cấu trúc của luận án
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA SÓNG VÀ BỜ ĐẢO
• 1.1. Tổng quan về sóng biển và các quá trình lan truyền sóng
• 1.1.1. Sự hình thành sóng biển và các thuật ngữ liên quan
• 1.1.2. Sóng biển độ nông - giả định
• 1.1.3. Các quá trình biến đổi và suy giảm năng lượng sóng
• 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu tương tác giữa sóng và bờ đảo trên thế giới
• 1.3. Tổng quan các nghiên cứu về sóng tác động lên vùng bờ biển bờ đảo, biến động đường bờ đảo tại Việt Nam và công trình bảo vệ bờ biển bờ đảo
• 1.3.1. Các nghiên cứu về sóng
• 1.3.2. Nghiên cứu quá trình giảm sóng khi tương tác với công trình đê phá sóng
• 1.3.3. Các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển bờ đảo đã áp dụng ở Việt Nam
• 1.4. Các nghiên cứu liên quan đến vùng ven và bờ đảo Phú Quý
• 1.4.1. Các thống kê về thiệt hại do sóng gây ra với đảo Phú Quý
• 1.4.2. Các giải pháp công trình bảo vệ bờ biển Phú Quý đã và đang áp dụng
• 1.5. Tổng quan về cơ chế tác động của trường sóng tới biến động hình thái vùng ven biển, bờ đảo
• 1.5.1. Các cơ chế tương tác thủy động lực ảnh hưởng đến biến động hình thái vùng bờ
• 1.5.2. Các quá trình tương tác sóng, dòng chảy với địa hình bãi trong vùng sóng vỡ
• 1.5.3. Sự thay đổi của đường bờ và trạng thái cân bằng của đường bờ
• 1.6. Luận giải vấn đề nghiên cứu của luận án
• 1.7. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TRƯỜNG SÓNG QUANH ĐẢO PHÚ QUÝ
• 2.1. Điều kiện tự nhiên khu vực đảo Phú Quý
• 2.1.1. Điều kiện địa hình
• 2.1.2. Điều kiện địa chất
• 2.1.3. Tài nguyên nước
• 2.1.4. Điều kiện khí tượng, thủy hải văn
• 2.1.5. Ảnh hưởng của NBD và BĐKH đến tình hình xâm thực đảo
• 2.2. Phân tích hiện trạng biến động đường bờ dưới tác động của trường sóng quanh đảo Phú Quý
• 2.2.1. Phân chia đường bờ đảo Phú Quý theo tính chất bãi biển và hướng tác động của sóng thịnh hành theo các mùa đặc trưng
• 2.2.2. Phân tích biến động bờ biển đảo Phú Quý bằng phương pháp giải đoán ảnh viễn thám (giai đoạn 2000-2020)
• 2.2.3. Hiện trạng khai thác và hoạt động cảng Phú Quý
• 2.3. Phân tích cơ chế biến động hình thái bờ đảo Phú Quý dưới tác động của trường sóng thông qua quan trắc
• 2.3.1. Các mặt cắt quan trắc và số liệu địa hình bãi
• 2.3.2. Khu vực bờ Tây và bờ Nam
• 2.3.3. Khu vực bờ Bắc và bờ Đông đảo
• 2.4. Phân tích xác định nguyên nhân chính gây ra biến động đường bờ đảo
• 2.4.1. Biến động đường bờ do tính chất cấu tạo bờ đảo
• 2.4.2. Biến động đường bờ do tác động của các hoạt động dân sinh
• 2.5. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ KHOA HỌC MÔ PHỎNG SÓNG LAN TRUYỀN VÀO VÙNG BỜ ĐẢO VÀ SỰ TƯƠNG TÁC SÓNG VỚI ĐẢO PHÚ QUÝ
• 3.1. Cơ sở lý thuyết về lan truyền sóng, sự khúc xạ, nhiễu xạ và phản xạ của sóng quanh một hòn đảo xa bờ
• 3.2. Cơ sở lý thuyết mô hình toán mô phỏng sóng, sóng tương tác với vật cản
• 3.2.1. Phân loại chung về mô phỏng sóng bằng mô hình toán
• 3.2.2. Phân tích cơ sở lựa chọn mô hình toán mô phỏng sóng lan truyền, sóng tương tác với đảo và công trình giảm sóng
• 3.3. Cơ sở lý thuyết mô phỏng sóng bằng bộ mô hình Mike
• 3.3.1. Mô hình lan truyền sóng MIKE21-SW
• 3.3.2. Mô hình MIKE21-BW
• 3.4. Cơ sở lý thuyết mô phỏng sóng bằng mô hình X-Beach
• 3.5. Thảo luận và lựa chọn mô hình toán mô phỏng trường sóng quanh đảo
• 3.6. Thiết lập mô hình nền, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình toán mô phỏng sóng lan truyền và tương tác với đảo Phú Quý
• 3.6.1. Phạm vi và sóng thịnh hành dùng trong mô phỏng sóng lan truyền và tương tác với đảo Phú Quý
• 3.6.2. Thiết lập miền tính toán
• 3.6.3. Mô phỏng lan truyền sóng bằng mô hình MIKE 21-SW
• 3.6.4. Mô hình thu hẹp mô phỏng chi tiết sóng tương tác với đảo bằng MIKE21-BW
• 3.7. Kết luận Chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SÓNG TRONG BÃO THIẾT KẾ TƯƠNG TÁC VỚI ĐẢO PHÚ QUÝ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢM SÓNG PHÙ HỢP
• 4.1. Mô phỏng sóng trong trận bão thiết kế tương tác với đảo Phú Quý - Trường hợp hiện trạng - HT00
• 4.1.1. Sóng trong trận bão thiết kế theo hướng Đông Bắc (tương đương trận bão xuất hiện 16-18/12/1993)
• 4.1.2. Sóng trong trận bão thiết kế theo hướng Tây Nam (tương đương với sóng trong thời tiết cực đoan xuất hiện với tần suất 2%)
• 4.2. Đề xuất giải pháp làm giảm sự tác động của sóng lên vùng bờ đảo Phú Quý
• 4.2.1. Mục tiêu, chức năng, quy mô và các chỉ tiêu thiết kế công trình giảm sóng bảo vệ đảo Phú Quý
• 4.2.2. Bố trí tổng thể tuyến đê giảm sóng
• 4.2.3. Phân tích xác định cao trình đỉnh đê giảm sóng
• 4.2.4. Hệ số mái nghiêng đê
• 4.2.5. Chiều rộng đỉnh đê
• 4.2.6. Tính toán hệ số sóng truyền qua đê giảm sóng
• 4.2.7. Mặt cắt ngang điển hình các phương án đê giảm sóng
• 4.2.8. So sánh và lựa chọn phương án cao trình đỉnh đê giảm sóng
• 4.3. Kết quả mô phỏng sóng trong bão tương tác với đảo Phú Quý khi có hệ thống đê giảm sóng
• 4.3.1. Kết quả mô phỏng sóng tương tác với đảo khi có hệ thống đê ngầm giảm sóng bố trí liên tục - HT01
• 4.3.2. Kết quả mô phỏng sóng tương tác với đảo khi có hệ thống đê giảm sóng gián đoạn - HT02
• 4.3.3. Thảo luận kết quả mô phỏng sóng tương tác với đảo khi có hệ thống đê giảm sóng liên tục và phân đoạn
• 4.4. Kết luận Chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ ĐO ĐẠC SÓNG KHU VỰC NGOÀI KHƠI ĐẢO PHÚ QUÝ
• PHỤ LỤC 2: SƠ ĐỒ VỊ TRÍ VÀ KẾT QUẢ TRÍCH XUẤT SÓNG QUANH ĐẢO PHÚ QUÝ
• PHỤ LỤC 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHI TIẾT KẾT CẤU ĐÊ PHÁ SÓNG CÁC PHƯƠNG ÁN SO SÁNH
• PL3.1 Thiết kế khối phủ bảo vệ mái đê
• PL3.2 Thiết kế tầng đệm
• PL3.3 Cao trình cơ chân đê
• PL3.4 Kích thước cấu kiện bảo vệ chân đê giảm sóng

Tóm tắt

I. Tổng quan về sóng biển và đảo Phú Quý

Nghiên cứu về sóng biển và đảo Phú Quý là một lĩnh vực quan trọng trong việc hiểu rõ các tác động của sóng đến môi trường ven biển. Sóng biển được hình thành từ nhiều yếu tố như gió, địa hình và điều kiện khí hậu. Đảo Phú Quý, nằm trong vùng biển động, thường xuyên chịu ảnh hưởng của các cơn bão và sóng lớn. Việc nghiên cứu tác động của sóng đến bờ biển và các công trình xây dựng là cần thiết để bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Theo một nghiên cứu, "Sóng biển không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc bờ mà còn tác động đến hệ sinh thái biển, làm thay đổi môi trường sống của nhiều loài sinh vật."

1.1. Đặc điểm sóng biển quanh đảo Phú Quý

Đảo Phú Quý có đặc điểm địa hình phức tạp, dẫn đến sự hình thành của nhiều loại sóng biển khác nhau. Các sóng này có thể được phân loại theo chiều cao, chu kỳ và hướng. Nghiên cứu cho thấy, "Sóng lớn thường xuất hiện trong mùa bão, gây ra hiện tượng xói mòn bờ biển và ảnh hưởng đến các hoạt động kinh tế của người dân." Việc hiểu rõ về sóng biển quanh đảo Phú Quý giúp đưa ra các giải pháp hiệu quả trong việc bảo vệ bờ biển và phát triển kinh tế địa phương.

II. Tác động của sóng đến bờ biển Phú Quý

Sóng biển có tác động mạnh mẽ đến biến động đường bờ của đảo Phú Quý. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, "Sóng lớn có thể gây ra xói mòn nghiêm trọng, làm thay đổi hình dạng và vị trí của bờ biển." Điều này không chỉ ảnh hưởng đến môi trường mà còn đến đời sống của người dân địa phương. Quản lý bờ biển là một vấn đề cấp thiết, cần có các biện pháp bảo vệ hiệu quả để giảm thiểu tác động của sóng. Các công trình như đê chắn sóng và các biện pháp tự nhiên như trồng cây ven biển đã được đề xuất như là những giải pháp khả thi.

2.1. Hiện trạng xói mòn bờ biển

Hiện trạng xói mòn bờ biển quanh đảo Phú Quý đang diễn ra nghiêm trọng. Theo số liệu thống kê, "Mỗi năm, bờ biển bị xói mòn từ 1 đến 3 mét, ảnh hưởng đến các công trình xây dựng và sinh hoạt của người dân." Việc đánh giá hiện trạng xói mòn là cần thiết để có những biện pháp can thiệp kịp thời. Các nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong việc theo dõi và dự đoán diễn biến của sóng có thể giúp cải thiện tình hình xói mòn bờ biển.

III. Giải pháp giảm sóng hiệu quả

Để giảm thiểu tác động của sóng đến bờ biển, nhiều giải pháp đã được đề xuất. Các công trình giảm sóng như đê chắn sóng, bờ kè và các biện pháp tự nhiên như trồng cây ven biển đã được áp dụng. Theo một nghiên cứu, "Các công trình giảm sóng không chỉ bảo vệ bờ biển mà còn tạo ra môi trường sống cho nhiều loài sinh vật biển." Việc kết hợp giữa công nghệ và tự nhiên trong việc bảo vệ bờ biển là một hướng đi bền vững.

3.1. Công trình giảm sóng

Công trình giảm sóng là một trong những giải pháp quan trọng để bảo vệ bờ biển. Các công trình này được thiết kế để giảm năng lượng của sóng trước khi chúng tiếp xúc với bờ. Nghiên cứu cho thấy, "Việc xây dựng các đê chắn sóng có thể giảm thiểu xói mòn bờ biển lên đến 50%." Điều này không chỉ bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo an toàn cho các hoạt động kinh tế của người dân địa phương.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu tương tác sóng - đảo Phú Quý và đề xuất giải pháp giảm sóng quanh đảo" do nghiên cứu sinh Mai Quang Khoát thực hiện tại Trường Đại học Thủy lợi năm 2021, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy (mã số: 9580202), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Mai Văn Công và GS.TS Phạm Ngọc Quý.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, huyện đảo Phú Quý là một quần đảo gồm 10 đảo lớn nhỏ thuộc tỉnh Bình Thuận, giữ vị trí chiến lược trong phát triển kinh tế biển và an ninh quốc phòng khu vực Nam Trung Bộ. Trong những năm qua, dưới tác động của trường sóng trong các đợt gió mùa và bão, hiện tượng xói lở bờ bãi quanh đảo diễn ra thường xuyên và có xu thế gia tăng nghiêm trọng. Việc xây dựng các công trình cục bộ như hệ thống đê kè bảo vệ bờ phía Tây hay mở rộng cảng cá phía Nam đã làm tái phân bố trường sóng và dòng ven bờ, tác động tiêu cực đến quá trình bồi xói bãi biển. Trong khi các nghiên cứu thủy động lực vùng ven bờ lục địa và cửa sông đã tương đối phong phú, các nghiên cứu chuyên sâu về trường sóng tương tác với vùng ven bờ các hải đảo biệt lập ngoài khơi tại Việt Nam vẫn còn hạn chế.

Mục đích nghiên cứu của luận án được xác định rõ:

1. Mô phỏng và xác định được trường sóng quanh vùng bờ đảo theo các mùa gió thịnh hành và sự tương tác của trường sóng (nhiễu xạ, khúc xạ, phản xạ) với đảo Phú Quý.
2. Đề xuất các giải pháp công trình dạng đê phá sóng nhằm làm giảm năng lượng sóng tác động trực tiếp vào đường bờ đảo, tăng cường ổn định bờ, khôi phục bãi ven đảo phục vụ phòng chống thiên tai và phát triển kinh tế - xã hội.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là vùng bờ biển quanh đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận; sự lan truyền sóng biển từ ngoài khơi vào khu vực ven bờ đảo và sự tương tác của vùng bờ đảo với sóng biển.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm:

• Phạm vi không gian: Vùng biển ven bờ và toàn bộ đường bờ đảo Phú Quý thuộc tỉnh Bình Thuận, được khảo sát và trích xuất số liệu chi tiết qua 24 mặt cắt địa hình quanh đảo (từ MC1 đến MC24).
• Phạm vi thời gian và điều kiện động lực: Chuỗi số liệu thống kê khí tượng hải văn 40 năm (1979–2019); chuỗi số liệu đo đạc sóng thực tế tại trạm ngoài khơi P1 từ ngày 18/12/2012 đến ngày 03/01/2013; chuỗi ảnh viễn thám giải đoán biến động đường bờ 20 năm (2000–2020); các kịch bản tính toán theo chế độ gió mùa thịnh hành (Đông Bắc, Tây Nam) và bão thiết kế (trận bão lịch sử ngày 16–18/12/1993 hướng Đông Bắc và điều kiện thời tiết cực đoan hướng Tây Nam với tần suất $P = 2%$).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong luận án, tác giả đã hệ thống hóa các nghiên cứu quốc tế và trong nước liên quan đến thủy động lực sóng biển, tương tác sóng - bờ đảo và các giải pháp công trình bảo vệ bờ:

Về nghiên cứu quốc tế:

• Các nghiên cứu nền tảng về lý thuyết sóng tuyến tính biên độ nhỏ của Airy (1845), cơ chế sóng vỡ của Russell (1840).
• Các nghiên cứu khúc xạ sóng quanh bờ và hải đảo của Harrison (1848), William Morris Davis, O'Brien và Mason (1940), Penney và Price (1944), Putnam và Arthur (1948). Đặc biệt, công trình của Arthur (1946, 1951) đã phân tích sự xâm nhập của năng lượng sóng vào vùng khuất sau đảo do khúc xạ địa hình, dòng chảy, nhiễu xạ và sự biến thiên hướng sóng.
• Lý thuyết phân tích phổ sóng ngẫu nhiên của Pierson (cuối thập kỷ 1950); các nghiên cứu biến động đường bờ của Zenkovich (1950), Loginov, Leontiev.
• Các chỉ dẫn kỹ thuật của Beach Erosion Board (BEB, thành lập năm 1951 do I. Spencer Smith lãnh đạo) và Cẩm nang bảo vệ bờ biển Shore Protection Manual (SPM 1975, 1977, 1984) của Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Bờ biển Quân đội Hoa Kỳ (CERC).
• Các mô hình số trị sóng và biến động bờ biển: mô hình tính sóng RCPWAVE (CERC, 1985 dựa trên phương trình độ dốc thoải Mild Slope Equation của Berkhoff, 1972), HINDWAVE (Viện Thủy lực Wallingford), MIKE 21 (Viện Thủy lực Đan Mạch - DHI), Phatos (Kostensen, 1986); các mô hình đường bờ GENESIS (1989), UNIBEST (1990), LIPACK (1991), NPM (1993).
• Nghiên cứu tương tác sóng với đảo san hô Dongsha ở Biển Đông của Chao và cộng sự (2006) sử dụng mô hình số thủy tĩnh 3D phân tích ảnh hưởng của lực Coriolis, sóng đơn chế độ 1 và 2; nghiên cứu của Jia và cộng sự (2018) kết hợp mô hình khúc xạ phi tuyến với ảnh viễn thám Envisat ASAR và TerraSAR-X (TSX).

Về nghiên cứu trong nước:

• Lĩnh vực mô hình toán sóng và chuyển động bùn cát ven bờ lục địa: GS. Lương Phương Hậu và cộng sự (1992) tại Nam Triệu, Phan Thiết, Soài Rạp, Thuận An, Hòa Duân; PGS.TSKH Nguyễn Văn Cư tại luồng tàu Cảng Hải Phòng; PGS. Nguyễn Thọ Sáo (đề tài KT-03-14, 1991–1995); GS. Phạm Văn Ninh và TS. Nguyễn Mạnh Hùng (đề tài KHCN 06).
• Lĩnh vực nghiên cứu biển đảo: GS. Lê Đức Tố với đề tài KC09-12 (2001–2005) và đề tài 2000/01 về kinh tế sinh thái hải đảo; GS.VS Nguyễn Hoa Thịnh và PGS. Hoàng Xuân Lượng (2000–2005) về chống xói lở đảo Trường Sa; PGS. Trịnh Việt An (1994–1996) về khí tượng hải văn Trường Sa và nhà giàn DK; TS. Kiều Xuân Tuyển (2013–2015) về biến động cực trị khí tượng thủy văn tại các đảo đông dân cư miền Trung.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết: Các công trình tại Việt Nam phần lớn tập trung vào vùng bờ dải lục địa hoặc nghiên cứu sinh thái tổng thể. Sự tương tác phức hợp giữa trường sóng lan truyền từ biển sâu với địa hình vùng nước ven bờ đảo núi lửa biệt lập ngoài khơi (nơi xảy ra đồng thời các hiện tượng khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ, sóng vỡ và sóng cuộn bề mặt) chưa được mô phỏng chi tiết bằng các mô hình phân giải pha phi tuyến. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách ứng dụng kết hợp ảnh viễn thám đa thời gian với chuỗi mô hình số trị hiện đại để xác lập cơ sở khoa học cho giải pháp đê giảm sóng bảo vệ đảo Phú Quý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng trong luận án:

• Lý thuyết sóng Airy (1845) cho sóng biên độ nhỏ dựa trên phương trình Laplace đối với chất lỏng lý tưởng hai chiều.
• Các quy luật biến đổi năng lượng sóng: Khúc xạ sóng tuân theo định luật Snell ($c/c_0 = \tanh(kh) = L/L_0$), phản xạ sóng tạo thành sóng đứng tại biên công trình thẳng đứng, nhiễu xạ sóng qua vật cản theo lý thuyết Sommerfeld / Penney & Price.
• Cơ chế sóng vỡ: Giới hạn độ dốc sóng nước sâu $H/L < 1/7$ và chỉ số sóng vỡ theo độ sâu nước $\gamma = H/h = 0,78$ (biến thiên thực tế từ 0,4 đến 1,2 đối với các dạng sóng nhào, sóng đổ và sóng nổ).
• Cơ chế tiêu tán năng lượng qua đê giảm sóng: Năng lượng sóng bị triệt tiêu chủ yếu qua hiện tượng sóng vỡ trên đỉnh đê, sóng phản xạ tại mái dốc phía biển, ma sát đáy/thân đê và sóng truyền qua công trình (đặc trưng bởi hệ số truyền sóng $K_t$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

• Phương pháp viễn thám và GIS: Thu thập dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat và Sentinel giai đoạn 2000–2020. Sử dụng chỉ số khác biệt nước cải tiến ($mNDWI$) và chỉ số tần suất nước ($WFI$) để trích xuất đường bờ tự động; tích hợp công cụ DSAS (Digital Shoreline Analysis System) của Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) để tính toán tốc độ dịch chuyển đường bờ qua các chỉ số EPR (End Point Rate), LRR (Linear Regression Rate), sai số tiêu chuẩn LSE và khoảng tin cậy 90% (LCI90).
• Phương pháp mô hình toán:
  • MIKE 21-SW: Mô hình phổ sóng ngẫu nhiên giải phương trình cân bằng mật độ tác động sóng trên lưới tam giác phi cấu trúc, dùng để mô phỏng sự lan truyền trường sóng quy mô lớn từ ngoài khơi vào vùng nước nông ven đảo Phú Quý.
  • MIKE 21-BW: Mô hình sóng Boussinesq hai chiều phân giải pha (dựa trên thuật toán ẩn luân hướng ADI trên lưới so le không gian $x-y$), tích hợp khái niệm sóng cuộn bề mặt để mô phỏng chi tiết các quá trình phi tuyến, sóng vỡ, phản xạ và nhiễu xạ quanh đảo và công trình đê giảm sóng.
• Phương pháp kế thừa và phân tích thống kê: Xử lý chuỗi số liệu gió, sóng, mực nước cực trị nhiều năm và số liệu quan trắc trắc diện bãi.

Nguồn dữ liệu đầu vào:

• Chuỗi số liệu khí tượng hải văn và hoa sóng 40 năm (1979–2019) tại khu vực đảo Phú Quý.
• Số liệu sóng thực đo tại trạm ngoài khơi P1 từ ngày 18/12/2012 đến ngày 03/01/2013 phục vụ hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
• Số liệu trắc đạc địa hình 24 mặt cắt bãi biển quanh đảo giai đoạn 2017–2021.
• Tài liệu hồ sơ thiết kế, hoàn công các dự án kè bảo vệ bờ, khu neo đậu tàu thuyền và bến cảng tại huyện đảo Phú Quý do các cơ quan quản lý cung cấp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu tương tác giữa sóng và bờ đảo

Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết động lực học sóng biển, tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước, quốc tế và phân tích thực trạng xói lở bờ biển cùng các công trình bảo vệ bờ tại huyện đảo Phú Quý:

• Thống kê thiệt hại do thiên tai: Tại khu vực Thôn 4 và Thôn 5 xã Tam Thanh, hiện tượng xâm thực từ năm 1978 đã làm sụp đổ hoàn toàn tuyến đường giao thông dài 2 km và 3 dãy nhà với hơn 100 hộ dân. Năm 2003 sạt lở ảnh hưởng tới 6.000 hạng mục công trình. Cơn bão số 9 năm 2006 làm 25 người chết, 3.090 căn nhà bị sập hoặc tốc mái, phá hủy 700 m bờ biển. Tổng chiều dài bờ bị sạt lở trên toàn đảo là 5.688 m (chiếm khoảng 1/4 chu vi bờ đảo).
• Dự báo mức độ mất đất trong tương lai nếu không có công trình bảo vệ: Sau 20 năm mất 0,4% diện tích đảo (sóng lấn sâu 5,8 m); sau 30 năm mất $0,745\text{ km}^2$ (chiếm 4,43%, lấn sâu 8,5 m); sau 50 năm mất $0,754\text{ km}^2$ (chiếm 4,49%, lấn sâu 15,8 m); sau 100 năm mất $0,81\text{ km}^2$ (chiếm 4,82%, lấn sâu 47,5 m).
• Tổng hợp các dự án công trình bảo vệ bờ và cảng biển đã triển khai tại đảo:

Tên dự án	Thời gian	Quy mô / Chiều dài	Kết cấu chính	Tổng mức đầu tư
Kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú Quý - Giai đoạn 1	2008–2010	1.443 m (Thôn 5: 395 m; Bãi Lăng: 1.038 m)	Mái lát cấu kiện TSC178 dày 33 cm, chân khay ống buy lục lăng đổ đá hộc, tường hắt sóng BTCT M300	107 tỷ đồng
Kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú Quý - Giai đoạn 2	2012–2020	Tuyến kè: 2.990 m; 02 tuyến đê khu neo đậu: 1.097,7 m (Đê Tây 148,9 m; Đê Đông 948,8 m)	Kè lát mái mảng mềm TSC178; Đê đá đổ mái nghiêng kết hợp khối phá sóng Tetrapod 3T	596 tỷ đồng
Khu neo đậu tránh trú bão cho tàu cá huyện Phú Quý	2011–2020	Diện tích 35 ha; 02 đê dài 1.277 m (Đê Tây 542 m; Đê Đông 735 m); tàu 1000 CV	Gần bờ: đá đổ + Tetrapod; Xa bờ: thùng chìm BTCT đổ cát lõi đặt trên nền đá hộc (3 loại thùng)	498 tỷ đồng
Cải tạo đê chắn sóng cảng Phú Quý	2016–2021	02 tuyến đê nối tiếp dài 334 m (Đê Tây 267 m; Đê Đông 67 m); tàu 2000 DWT	Thùng chìm BTCT lõi cát + Tetrapod 10T phía biển + khối bê tông đúc sẵn dày 60 cm hộ chân	341 tỷ đồng

Chương 2: Nghiên cứu đánh giá hiện trạng biến động đường bờ dưới tác động của trường sóng quanh đảo Phú Quý

Chương 2 phân tích các điều kiện tự nhiên, đặc trưng khí hậu gió mùa và hiện trạng biến động đường bờ đảo Phú Quý:

• Phân chia bờ biển: Bờ đảo được chia thành 4 khu vực chính gồm bờ Bắc, bờ Đông, bờ Nam và bờ Tây với các đặc trưng bãi cát, thềm đá núi lửa và rạn san hô khác nhau.
• Kết quả giải đoán viễn thám giai đoạn 2000–2020 bằng phần mềm DSAS:
  • Phân tích 219 đường trực giao quanh đảo cho thấy xu thế bồi xói diễn ra không đồng đều. Xói lở nghiêm trọng nhất tập trung ở phía Đông Bắc và phía Đông thuộc xã Long Hải và xã Tam Thanh.
  • Tương quan giữa chỉ số EPR và LRR phản ánh độ tin cậy cao của phương pháp trích xuất mép nước viễn thám trong điều kiện địa hình bãi biển hải đảo.
• Phân tích trắc diện bãi qua số liệu quan trắc thực địa: So sánh trắc diện mặt cắt MC 1-1 (bờ Tây giai đoạn 2017–2021) và MC 5-5 (bờ Đông) xác định rõ hiện tượng hạ thấp cao trình bãi, dốc bãi biến động mạnh và ranh giới dải sóng vỡ ven bờ.
• Xác định nguyên nhân gây biến động bờ: Do tác động của trường sóng năng lượng cao trong các đợt gió mùa Đông Bắc và Tây Nam; cấu tạo địa chất bãi cát mỏng nằm trên nền đá cứng; cùng với tác động dân sinh như việc đào đắp hồ nuôi hải sản ở bờ Bắc (thôn Đông Hải), bè nuôi thủy sản bờ Đông và việc xây dựng các công trình kè cứng trực tiếp bảo vệ bờ làm mất nguồn bùn cát bồi tụ tự nhiên.

Chương 3: Cơ sở khoa học mô phỏng sóng lan truyền vào vùng bờ đảo và sự tương tác sóng với đảo Phú Quý

Chương 3 thiết lập quy trình tính toán số trị kết hợp hai mô hình MIKE 21-SW và MIKE 21-BW:

• Thiết lập miền tính toán MIKE 21-SW: Sử dụng lưới tam giác phi cấu trúc bao phủ vùng biển rộng ngoài khơi đảo Phú Quý để mô phỏng truyền sóng từ biển sâu vào vùng chuyển tiếp.
• Kiểm định mô hình: Dữ liệu mô phỏng từ MIKE 21-SW được kiểm định với số liệu sóng thực đo tại trạm P1 (từ 18/12/2012 đến 03/01/2013). Kết quả kiểm định cho thấy sự tương thích tốt giữa diễn biến chiều cao sóng có nghĩa tính toán và thực đo.
• Thiết lập mô hình thu hẹp MIKE 21-BW: Miền tính toán chi tiết bao quanh đảo Phú Quý với lưới so le vuông, bước lưới mịn, tích hợp điều kiện biên sóng phát sinh nội tại và các lớp đệm xốp (sponge layers) tiêu tán sóng phản xạ ở biên nhằm tái hiện trung thực hiện tượng sóng Boussinesq, sóng vỡ và sóng cuộn tương tác với đảo.
• Bố trí 24 mặt cắt trích xuất sóng (từ MC1 đến MC24) đại diện cho toàn bộ các hướng tiếp cận sóng quanh chu vi đảo.

Chương 4: Mô phỏng sóng trong bão thiết kế tương tác với đảo Phú Quý và đề xuất giải pháp giảm sóng phù hợp

Chương 4 mô phỏng các kịch bản thủy động lực và tính toán thiết kế giải pháp công trình giảm sóng:

• Mô phỏng trường hợp hiện trạng (HT00):
  • Kịch bản bão hướng Đông Bắc (tương đương trận bão 16–18/12/1993, chiều cao sóng ngoài biên $H_s = 2,5\text{ m}, T_p = 8\text{ s}$): Năng lượng sóng tập trung mạnh tại bờ Đông Bắc và bờ Đông, hiện tượng khúc xạ làm mặt sóng ôm quanh mũi đảo tạo nên vùng sóng vỡ có chiều cao lớn sát bờ.
  • Kịch bản bão hướng Tây Nam ($P = 2%$): Sóng tác động trực tiếp lên bờ Tây và bờ Nam đảo.
• Phân tích lựa chọn giải pháp công trình giảm sóng:
  • So sánh phương án cao trình đỉnh đê $Z_s$: Phương án đê nhô cao trình $Z_s = +3,00\text{ m}$ (Phương án CT1) và phương án đê giảm sóng ngầm/bán ngầm có cao trình đỉnh thấp $Z_s = 0,00\text{ m}$ (Phương án CT2). Bảng đánh giá đa tiêu chí (hiệu quả giảm sóng, chi phí xây dựng, cảnh quan môi trường du lịch, trao đổi nước) xác định phương án đê giảm sóng ngầm/bán ngầm là phù hợp nhất.
  • Kết cấu mặt cắt ngang: Thân đê đá đổ mái nghiêng, khối phủ bảo vệ mái bằng khối Haro hoặc Tetrapod, tầng đệm đá dăm và chân đê gia cố bằng đá hộc.
• Đánh giá hiệu quả giảm sóng giữa các phương án bố trí:
  • Kịch bản HT01: Hệ thống đê giảm sóng bố trí liên tục quanh dải bờ xung yếu.
  • Kịch bản HT02: Hệ thống 11 đoạn đê giảm sóng bố trí phân đoạn (gián đoạn) ngoài bờ.
  • Phân tích chi tiết tại các mặt cắt tiêu biểu (MC13, MC14 bờ phía Đông): So sánh giữa HT00, HT01 và HT02 cho thấy cả hai phương án có đê đều làm suy giảm rõ rệt chiều cao sóng $H_s$ và chu kỳ sóng trong vùng khuất sau đê. Phương án phân đoạn HT02 vừa đảm bảo hệ số truyền sóng $K_t$ đạt yêu cầu triệt tiêu năng lượng sóng xói lở, vừa duy trì các cửa hở cho phép lưu thông dòng chảy triều, tránh ứ đọng nước và tạo điều kiện ổn định bãi bồi ven bờ.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:

• Xây dựng thành công quy trình mô phỏng số trị tương tác sóng phức tạp cho vùng bờ đảo núi lửa xa bờ bằng việc tích hợp chuỗi mô hình MIKE 21-SW (mô hình phổ quy mô rộng) và MIKE 21-BW (mô hình Boussinesq phân giải pha quy mô chi tiết).
• Ứng dụng tích hợp công cụ viễn thám đa thời gian Landsat/Sentinel kết hợp thuật toán DSAS trong việc định lượng tốc độ xói lở đường bờ dài hạn (2000–2020) cho một hải đảo biệt lập tại Việt Nam.

Các đóng góp mới về mặt thực tiễn:

• Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu định lượng chi tiết về trường sóng, trắc diện bãi và mức độ suy giảm năng lượng sóng tại 24 mặt cắt ven đảo Phú Quý dưới tác động của các chế độ bão thiết kế và gió mùa Đông Bắc, Tây Nam.
• Đề xuất giải pháp bảo vệ bờ biển đảo Phú Quý mang tính tổng thể: Bố trí hệ thống 11 đoạn đê giảm sóng ngầm/bán ngầm phân đoạn (phương án HT02) kết hợp kết cấu khối phủ Haro/Tetrapod, giúp tiêu tán năng lượng sóng trước khi tiến vào bờ, khắc phục nhược điểm gây mất bãi của các tuyến kè cứng bảo vệ bờ trước đây, đồng thời phục vụ tôn tạo bãi cát, phát triển du lịch và đảm bảo an ninh quốc phòng cho huyện đảo.

Kiến nghị của tác giả: Chuyển đổi định hướng bảo vệ bờ đảo từ hình thức kè bảo vệ trực tiếp (bị động) sang hình thức đê giảm sóng ngoài bờ (chủ động) kết hợp nuôi bãi; áp dụng bộ thông số và kết quả tính toán của luận án vào công tác lập quy hoạch xây dựng công trình thủy và phòng chống thiên tai tại tỉnh Bình Thuận.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về hạn chế:

• Chuỗi số liệu đo đạc thực tế sóng và dòng chảy ngoài khơi tại trạm P1 dùng để hiệu chỉnh, kiểm định mô hình chỉ thực hiện trong một đợt quan trắc ngắn ngày (18/12/2012 đến 03/01/2013).
• Do giới hạn về tài nguyên tính toán của mô hình Boussinesq 2D phân giải pha, việc mô phỏng quá trình tương tác đồng thời giữa sóng, dòng chảy và biến dạng đáy bùn cát 3D dài hạn sau công trình chưa được tích hợp trực tiếp trong một bước chạy mô hình.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Bổ sung các đợt quan trắc đo đạc sóng và dòng chảy ven bờ liên tục nhiều mùa trong năm quanh đảo Phú Quý.
• Nghiên cứu mô phỏng hình thái 3 chiều chi tiết về quá trình bồi tụ, vận chuyển bùn cát và phục hồi bãi biển sau khi hệ thống đê giảm sóng phân đoạn được đưa vào xây dựng thực tế.
• Đánh giá tác động cộng hưởng của nước biển dâng dài hạn theo các kịch bản biến đổi khí hậu cập nhật đối với độ ổn định công trình đê giảm sóng.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật công trình thủy, Công trình biển, Kỹ thuật bờ biển và Quản lý dải ven bờ trong việc áp dụng quy trình mô phỏng sóng Boussinesq (MIKE 21-BW) và kỹ thuật viễn thám DSAS đánh giá biến động bờ đảo.
• Các kỹ sư, đơn vị tư vấn thiết kế công trình thủy lợi, cảng - đường thủy trong việc tính toán kết cấu đê phá sóng giảm sóng (xác định hệ số truyền sóng $K_t$, cao trình đỉnh đê ngầm $Z_s$, tính toán khối phủ Haro, Tetrapod).
• Các cơ quan quản lý nhà nước như Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Giao thông Vận tải tỉnh Bình Thuận, và UBND huyện Phú Quý trong công tác quy hoạch dải ven bờ và lập dự án đầu tư công trình bảo vệ bờ đảo bền vững.

Nội dung có giá trị tham khảo cao nhất: Quy trình thiết lập mô hình toán MIKE 21 (SW và BW) cho hải đảo xa bờ tại Chương 3 và phương pháp tính toán, lựa chọn thông số kỹ thuật hệ thống đê giảm sóng phân đoạn tại Chương 4 cùng Phụ lục 3.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng những công cụ mô hình toán nào để mô phỏng tương tác sóng quanh đảo Phú Quý? Luận án sử dụng bộ mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), bao gồm mô hình MIKE 21-SW để mô phỏng sự lan truyền trường sóng quy mô rộng từ biển sâu vào đảo và mô hình MIKE 21-BW (mô hình Boussinesq 2D phân giải pha) để mô phỏng chi tiết các hiện tượng khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ, sóng cuộn và sóng vỡ tương tác với bờ đảo và công trình đê giảm sóng.

2. Dữ liệu thực tế nào được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình số trị? Mô hình được kiểm định bằng chuỗi số liệu đo đạc sóng thực tế tại trạm ngoài khơi P1 trong khoảng thời gian từ ngày 18/12/2012 đến ngày 03/01/2013, kết hợp chuỗi số liệu thống kê gió và sóng 40 năm (1979–2019) và số liệu trắc đạc 24 mặt cắt địa hình quanh đảo.

3. Vì sao tác giả đề xuất hệ thống đê giảm sóng phân đoạn (HT02) thay vì đê liên tục (HT01)? Hệ thống 11 đoạn đê giảm sóng phân đoạn (HT02) vừa đáp ứng hiệu quả tiêu tán năng lượng sóng xói lở tác động vào bờ tương đương đê liên tục, vừa tạo các khoảng hở cho phép lưu thông dòng chảy thủy triều, hạn chế hiện tượng tù đọng ô nhiễm nguồn nước ven bờ, đồng thời hỗ trợ quá trình bồi tụ cát tự nhiên và bảo tồn cảnh quan bãi tắm phục vụ du lịch.

4. Mức độ thiệt hại do xâm thực bờ biển tại đảo Phú Quý được ghi nhận cụ thể như thế nào trong luận án? Luận án ghi nhận tổng chiều dài sạt lở toàn đảo lên tới 5.688 m (chiếm 1/4 chu vi đảo). Điển hình tại Thôn 4 và Thôn 5 xã Tam Thanh, biển xâm thực từ năm 1978 đã cuốn trôi 2 km đường ven bờ và làm sập đổ hơn 100 ngôi nhà. Cơn bão số 9 năm 2006 gây thiệt hại nặng nề với 25 người chết, 3.090 căn nhà hư hại và 700 m bờ biển bị phá hủy.

5. Kết cấu khối phủ bảo vệ mái đê giảm sóng được thiết kế sử dụng loại cấu kiện nào? Mặt cắt đê giảm sóng được thiết kế dạng mái nghiêng đá đổ, lớp bảo vệ mái phía biển sử dụng khối phủ bê tông đúc sẵn Tetrapod hoặc khối Haro, bên dưới là lớp đệm đá dăm và chân đê được gia cố bằng cơ đá hộc.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Mai Quang Khoát đã giải quyết bài toán khoa học và thực tiễn về động lực học sóng tương tác với đảo Phú Quý thông qua việc tích hợp phương pháp viễn thám DSAS và bộ mô hình số trị MIKE 21-SW/BW. Kết quả nghiên cứu đã làm rõ quy luật phân bố trường sóng, cơ chế xói lở tại 24 mặt cắt ven bờ và chứng minh hiệu quả giảm sóng của hệ thống 11 đoạn đê ngầm/bán ngầm phân đoạn. Đây là công trình nghiên cứu chuyên sâu về kỹ thuật công trình thủy, cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thiết kế giá trị cho công tác bảo vệ bờ biển, phòng chống thiên tai và phát triển bền vững các hải đảo xa bờ tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu tương tác giữa bờ đảo. Chương 2: Nghiên cứu đánh giá hiện trạng biển động đường bờ dưới tác dụng của trường sóng quanh đảo Phú Quý. Chương 3: Cở sở khoa học mô phỏng sóng lan truyền vào vùng bờ đảo và tương tác sóng với đảo Phú Quý. Chương 4: Mô phỏng sóng trong bão thiết kế tương tác với đảo Phú Quý và để xuất giải pháp giảm sóng phù hợp.

CHUONG 1 TONG QUAN VẺ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC GIỮA. SÓNG VÀ BỜ ĐẢO.1 Tổng quan về sóng biển và các quả trình lan truyền sông 1. Sự hình thành sóng biển và các thuật ngữ liên quan Sóng biển chủ yếu được tạo ra do tác đông của gió trên mặt nước. Các sóng được hình thành ban đầu bởi một quá trình công hưởng lực tiếp giáp bể mặt phúc tạp, trong đó các sóng có chiễu cao, chiều đài, chu kỳ khác nhau được tạo ra và đi chuyển theo nhiều hướng khác nhau (Hình 1-1).

— ———> >>) Hình 1-1: Sự tạo ra sóng và phân tán sóng biển Trong khu vực phát sinh bão, năng lượng sóng tin s6 cao (Ví dụ: Sóng có chủ kỳ nhỏ) vừa bị tiêu tán và chuyên sang tin số thấp hơn. Các sóng có tần số khác nhau đi chuyển. với tốc độ khác nhau và do đó bên ngoài khu vực tao bão, trang thái biển bị thay đổi khi các thành phần tần số khác nhau tách biệt. Các sóng tấn số thấp di chuyển nhanh hơn các sóng tẩn số cao dẫn đến trang thai biển lừng trái ngược với điều kiện biển bão.

Quá trình này được gọi là sự phân tán. Do đó, sóng gió có thể được đặc trưng là không đều, đình ngắn và đốc chứa một dải tân số và hướng lớn. Mặt khác, sóng lừng có thể có đặc điểm là khá đều đặn, đỉnh dai và không đốc lắm, chứa một dải tẫn số và hướng thấp.2 Sóng biên độ nhỏ Sóng biên độ nhỏ là sóng có độ cao sóng nhỏ so với bước sóng và độ sâu của nước. Mô tả toán học sớm nhất về sóng tuyến tính là do Airy đưa ra vào năm 1845, thường gọi là lý thuyết sóng Airy.

Sông Airy được hình thành bằng cách sử dụng các khái niệm về đồng chất lỏng lý tưởng hai chiéu. Đây là điểm xuất phát hợp lý của sóng biển, không. bị ảnh hưởng nhiều bởi độ nhớt, sức căng ê mặt hay sự nhiều loạn. Hình 1-2 cho th: mmột sóng hình sin có bước sóng L, chiều cao H và chu kỳ T, lan truyền trên mặt nước với độ sâu h không bị xáo trộn.

Sự thay đổi của độ cao bễ mặt theo thời gian, từ mực nước tĩnh, được ký hiệu là rị và được cho bởi #) an Trong đó: x là khoảng cách đo dọc theo trục hoành và t là thời gian. Vận tốc của sóng chuyển động theo phương x được cho bởi công thức e = L / T. Mức nước trn. Hình 1-2: Mô tả định nghĩa một sóng hình sin Phương trình (1.1) đại điện cho nghiệm bê mặt của phương trình sóng Airy.

Sự suy ra của các phương trình sóng Airy bắt đầu từ phương trình Laplace đổi với đòng chuyển đông của một chất lòng lý tưởng. Các quá trình biển đổi và suy giảm năng lượng sóng Khi sóng tiếp cận bờ biển, chiều cao và bước sóng của chúng bị thay đổi bởi các quá trình khúc xạ và chuyển động trước khi vỡ vào bờ. Khi sóng đã vỡ, chúng đi vào vùng được gọi là vừng sóng vỡ.