Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tương tác sóng đảo Phú Quý và giải pháp giảm sóng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu 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 lĩnh vực

• Đề tài: Nghiên Cứu Sóng Đảo Phú Quý Và Giải Pháp Giảm Thiểu Tác Động

Mục lục chi tiết

• 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. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 5. 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
• 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 quá trình tương tác sóng, dòng chảy với địa hình bãi trong vùng sóng vỡ
• 1.5.2. 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. Vị trí địa lý
• 2.1.2. Điều kiện địa hình
• 2.1.3. Điều kiện thủy hải văn
• 2.1.4. Điều kiện địa chất
• 2.1.5. Điều kiện khí tượng
• 2.1.6. Ảnh hưởng của nước biển dâng và biến đổi khí hậu đến tình hình xâm thực đảo Phú Quý
• 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
• 2.3.4. Phân tích xác định nguyên nhân chính gây ra biến động đường bờ đảo Phú Quý
• 2.3.5. Biến động đường bờ do tính chất cấu tạo bờ đảo
• 2.3.6. Biến động đường bờ do tác động của các hoạt động dân sinh
• 2.4. 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
• 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
• 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. Các tình huống thiết kế
• 4.2. Mô phỏng sóng trong trận bão thiết kế tương tác với đảo Phú Quý — Trường hợp hiện trạng
• 4.2.1. Sóng trong trận bão thiết kế theo hướng Đông Bắc (tương đương trận bão Xi-ét-tan năm 2012)
• 4.2.2. 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%)
• 4.3. Đề xuất giải pháp làm giảm sự tác động của sóng lên vùng bờ đảo Phú Quý
• 4.3.1. Mục tiêu, chức năng, quy mô và các chỉ tiêu thiết kế công trình giảm sóng bảo vệ đảo Phú Quý
• 4.3.2. Bố trí tổng thể tuyến đê giảm sóng
• 4.3.3. Phân tích xác định cao trình đỉnh đê giảm sóng
• 4.3.4. Hiện tượng nhiễu xạ
• 4.3.5. Chiều rộng đỉnh đê
• 4.3.6. Tính toán hệ số sóng truyền qua đê giảm sóng
• 4.3.7. Mặt cắt ngang điển hình các phương án đê giảm sóng
• 4.3.8. So sánh và lựa chọn phương án cao trình đỉnh đê giảm sóng
• 4.4. Kết quả mô phỏng sóng trong bão tương tác với đảo Phú Quý khi có hệ thống đê giảm sóng
• 4.4.1. Kết quả mô phỏng sóng tương tác với đảo khi có hệ thống đê ngầm giảm sóng liên tục (HT01)
• 4.4.2. Kết quả mô phỏng sóng tương tác với đảo khi có hệ thống đê giảm sóng phân đoạn (HT02)
• 4.4.3. Thảo luận kết quả mô phỏng sóng tương tác với đảo khi có hệ thống đê giảm sóng liên tục và phân đoạn
• 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
• PL3.1. Thiết kế khối phủ bảo vệ mái đê
• PL3.2. Cao trình cơ chân đê
• PL3.3. Kích thước cấu kiện bảo vệ chân đê giảm sóng

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu sóng đảo Phú Quý và đặc điểm lan truyền

Đảo Phú Quý nằm ở vùng biển Nam Trung Bộ chịu tác động trực tiếp của chế độ gió mùa khốc liệt. Sóng biển tại khu vực này có cường độ lớn và biến động phức tạp theo mùa. Chế độ sóng chia làm hai mùa rõ rệt gồm mùa gió Đông Bắc và mùa gió Tây Nam. Gió mùa Đông Bắc mang đến những đợt sóng cao với chu kỳ dài. Sóng mùa Tây Nam có tần suất xuất hiện dày nhưng năng lượng phân tán hơn. Địa hình đáy biển quanh đảo có độ dốc lớn và biến đổi đột ngột. Khi sóng truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông, hiện tượng khúc xạ diễn ra mạnh mẽ. Năng lượng sóng tập trung đột ngột vào các mũi đất nhô ra biển. Vùng sau đảo xuất hiện hiện tượng nhiễu xạ sóng phức tạp. Tương tác sóng đảo làm thay đổi hoàn toàn trường sóng nguyên thủy. Các quá trình vật lý này diễn ra liên tục quanh năm. Việc đo đạc và mô phỏng số trị là yêu cầu cấp thiết. Nghiên cứu giúp làm rõ sự suy giảm năng lượng sóng khi qua các rạn san hô tự nhiên. Đây là cơ sở thực tiễn quan trọng cho kỹ thuật công trình thủy.

1.1. Cơ chế lan truyền và chuyển hóa năng lượng sóng biển

Sóng biển hình thành do gió tác động lên mặt nước. Khi di chuyển vào gần bờ, sóng chịu ảnh hưởng sâu sắc từ địa hình đáy. Hiện tượng sóng vỡ tiêu hao một lượng động năng rất lớn. Quá trình ma sát đáy làm biến dạng đỉnh sóng và chu kỳ sóng. Tại rìa đảo, thềm đá ngầm san hô đóng vai trò như đê giảm sóng tự nhiên. Năng lượng sóng suy giảm nhanh chóng khi truyền qua các bậc địa hình dốc đứng. Tuy nhiên, sự tập trung năng lượng tại một số điểm lõm vẫn diễn ra dữ dội. Các mô hình toán học hiện đại phản ánh chân thực cơ chế biến đổi này. Dữ liệu trường sóng là đầu vào cốt lõi để tính toán tải trọng thủy động lực.

1.2. Hiện tượng nhiễu xạ và khúc xạ quanh đảo Phú Quý

Hình dạng hòn đảo ngăn chặn một phần đoàn sóng tới từ ngoài khơi xa. Khu vực phía sau đảo tạo thành vùng che chở tương đối yên tĩnh. Tuy vậy, sóng vẫn truyền vào vùng khuất thông qua hiện tượng nhiễu xạ. Mức độ xâm nhập năng lượng phụ thuộc vào góc tới và bề rộng vật cản. Đồng thời, sự thay đổi độ sâu đáy biển gây ra hiệu ứng khúc xạ rõ rệt. Các tia sóng bẻ cong hướng đi và hội tụ tại nhiều vị trí ven bờ. Sự kết hợp giữa khúc xạ và nhiễu xạ tạo nên trường sóng hỗn tạp. Vận tốc dòng chảy ven bờ cũng biến đổi theo quy luật phân bố của sóng. Việc xác định ranh giới vùng sóng mạnh giúp định hình quy hoạch an toàn ven đảo.

II. Phân tích tác động của sóng đảo Phú Quý đến xói lở bờ biển

Sóng lớn liên tục công phá vào bờ đảo gây biến dạng nghiêm trọng hệ sinh thái ven bờ. Áp lực sóng vỡ làm xói mòn chân cơ các khối đá và cuốn trôi bãi cát mịn. Đường bờ đảo Phú Quý chịu sự xáo trộn mạnh mẽ qua từng chu kỳ gió mùa. Vào mùa đông, sóng Đông Bắc mang sức tàn phá dữ dội nhất. Dòng chảy ven bờ do sóng sinh ra vận chuyển một khối lượng bùn cát khổng lồ ra xa bờ. Hiện tượng này dẫn đến mất cân bằng bùn cát cục bộ. Nhiều cung bờ biển bị lấn sâu đe dọa các tuyến đường giao thông ven biển. Công trình kè tạm thời trước đây thường bị phá hủy sau các cơn bão lớn. Nền móng công trình sụt lún do hiện tượng xói ngầm đáy biển. Bên cạnh đó, các rạn san hô bị sóng đánh gãy làm suy giảm khả năng phòng hộ tự nhiên. Việc thiếu hụt trầm tích khiến bãi tắm suy thoái và giảm giá trị cảnh quan. Nghiên cứu hình thái bờ đảo chứng minh rằng sóng là tác nhân chi phối hàng đầu. Cần đánh giá định lượng cơ chế xói lở để đề xuất giải pháp ứng phó bền vững.

2.1. Quá trình vận chuyển bùn cát và biến động đường bờ

Động lực học trầm tích tại Phú Quý diễn ra rất phức tạp. Vùng sóng vỡ tạo nên trường ứng suất bức xạ lớn. Lực này đẩy bùn cát di chuyển dọc bờ và vuông góc với mép nước. Vào mùa khô, cát bồi đắp cục bộ tại các vịnh kín gió. Khi mùa mưa bão tới, sóng cuốn ngược cát ra ngoài vùng nước sâu. Chu kỳ biển tiến và biển lùi diễn ra xen kẽ nhưng xu thế xói lở chiếm ưu thế. Sự dịch chuyển của đường bờ làm thu hẹp diện tích đất tự nhiên trên đảo. Cân bằng bùn cát bị phá vỡ nghiêm trọng tại những khu vực có mật độ dân cư cao. Việc giám sát định kỳ giúp xác định tốc độ xâm thực chính xác.

2.2. Nguy cơ từ sóng cực đoan và bão nhiệt đới

Biến đổi khí hậu làm gia tăng tần suất các cơn bão mạnh trên Biển Đông. Huyện đảo Phú Quý nằm ngay trên đường đi của nhiều cơn bão nhiệt đới. Trong bão, chiều cao sóng có thể vượt ngưỡng tám mét. Sóng kết hợp nước dâng do bão tạo ra áp lực thủy tĩnh và thủy động cực lớn. Nước biển tràn qua đê kè tràn vào khu dân cư gây ngập lụt nghiêm trọng. Các tàu thuyền neo đậu trong âu tàu đối mặt với nguy cơ va đập và chìm đắm. Hiện tượng sóng leo phá hủy lớp bảo vệ mặt dốc của các công trình bờ. Thiệt hại cơ sở hạ tầng sau mỗi mùa bão gây áp lực tài chính nặng nề. Việc dự báo chính xác sóng cực đoan có ý nghĩa sinh tử.

III. Giải pháp giảm thiểu tác động từ sóng đảo Phú Quý hiệu quả

Ứng phó với sóng lớn đòi hỏi hệ thống giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ. Giải pháp công trình tập trung vào việc xây dựng đê chắn sóng giảm năng lượng từ xa. Đê ngầm phá sóng là kết cấu tối ưu giúp kích thích sóng vỡ ngoài khơi. Khi sóng truyền qua đỉnh đê ngầm, năng lượng sóng tiêu hao đáng kể. Kết cấu này không cản trở tầm nhìn biển và bảo tồn cảnh quan tự nhiên. Đê chắn sóng nhô và kè bảo vệ bờ dạng mái nghiêng tăng cường bảo vệ mép bờ. Việc sử dụng các khối phủ bê tông dị hình giảm hiện tượng sóng leo và sóng tràn. Đối với giải pháp phi công trình, quy hoạch rừng phòng hộ ven biển được chú trọng. Việc phục hồi và bảo tồn rạn san hô tự nhiên đóng vai trò bức tường xanh bảo vệ đảo. Rạn san hô khỏe mạnh có khả năng tiêu tán tới chín mươi phần trăm năng lượng sóng. Sự kết hợp linh hoạt giữa đê nhân tạo và rạn ngầm sinh thái mang lại hiệu quả bền vững nhất.

3.1. Thiết kế đê phá sóng và kè bảo vệ bờ đảo

Thiết kế công trình thủy tại vùng đảo đòi hỏi tính toán kết cấu nghiêm ngặt. Đê phá sóng xa bờ dạng ngầm là giải pháp ưu tiên hàng đầu. Đỉnh đê đặt dưới mực nước biển giúp duy trì lưu thông nguồn nước và sinh vật. Vật liệu xây dựng gồm các khối bê tông đúc sẵn có độ rỗng cao. Khối Tetrapod hoặc Accropode giúp triệt tiêu sóng va đập và giảm áp lực dòng chảy. Chân đê được gia cố bằng thảm đá hộc chống hiện tượng xói ngầm đáy biển. Thân đê hấp thụ năng lượng sóng và giảm độ cao sóng truyền vào bờ. Kè bờ mái nghiêng bảo vệ trực tiếp đường ven biển khỏi xâm thực. Các thông số kỹ thuật cần hiệu chỉnh chuẩn xác qua mô hình toán học.

3.2. Ứng dụng mô phỏng số trị tối ưu hóa kết cấu

Mô hình số trị đóng vai trò chủ chốt trong tính toán thủy động lực học. Các phần mềm chuyên ngành như SWAN, MIKE 21 hay Delft3D mô phỏng chính xác trường sóng. Nghiên cứu thực hiện tính toán tương tác giữa sóng và công trình bảo vệ bờ. Mô hình giúp dự đoán vị trí sóng vỡ và vùng xoáy dòng chảy. Kết quả mô phỏng hỗ trợ lựa chọn chiều cao đê và vị trí đặt công trình tối ưu. Việc thử nghiệm nhiều kịch bản sóng bão giúp tiết kiệm chi phí xây dựng. Số liệu thí nghiệm trong phòng cũng được dùng để kiểm chứng độ tin cậy. Nhờ đó, công trình sau khi hoàn thành đạt hiệu quả giảm sóng tối đa. Kỹ thuật số trị hiện đại là công cụ đắc lực cho các kỹ sư công trình thủy.

IV. Ứng dụng nghiên cứu sóng đảo Phú Quý trong quy hoạch xây dựng

Kết quả nghiên cứu sóng đảo Phú Quý mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho công tác quy hoạch biển đảo. Các bản đồ trường sóng chi tiết hỗ trợ đắc lực việc phân vùng an toàn cho tàu thuyền neo đậu. Khu vực cảng biển và âu tránh trú bão được lựa chọn đặt tại những cung bờ có che chắn tự nhiên tốt. Điều này nâng cao hệ số an toàn cho ngư dân đánh bắt xa bờ trong mùa mưa bão. Ngành giao thông thủy được hưởng lợi từ việc tối ưu hóa luồng hàng hải cập đảo. Ngoài ra, quy hoạch xây dựng các khu đô thị ven biển cần tuân thủ nghiêm ngặt chỉ giới cách ly an toàn sóng tràn. Số liệu nghiên cứu cung cấp cơ sở để thiết kế các công trình dân sinh có khả năng thích ứng cao. Định hướng phát triển cơ sở hạ tầng huyện đảo gắn liền với bảo vệ môi trường sinh thái rạn san hô. Sự kết hợp giữa phát triển kinh tế biển và an ninh quốc phòng được củng cố vững chắc. Nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững cho các huyện đảo tiền tiêu trên khắp cả nước.

4.1. Quy hoạch khu neo đậu và âu tránh trú bão

Khu vực âu tránh trú bão giữ vai trò bảo vệ tài sản và tính mạng ngư dân. Việc bố trí cửa vào cảng phải tránh hướng sóng thịnh hành trong mùa bão. Cần lựa chọn các vùng nước có độ sâu ổn định và ít bị sa bồi. Tác động của hiện tượng sóng phản xạ trong vùng nước kín cần được kiểm soát chặt chẽ. Hệ thống đê nhô kết hợp phao giảm sóng giúp giảm đáng kể dao động mặt nước. Nhờ đó, tàu thuyền có thể cập bến an toàn ngay trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Các giải pháp quy hoạch hiện đại nâng cao năng lực bốc dỡ hàng hóa và cung ứng dịch vụ hậu cần nghề cá. Đây là tiền đề thúc đẩy kinh tế biển đảo phát triển bền vững.

4.2. Khuyến nghị quản lý tổng hợp đới bờ hải đảo

Quản lý tổng hợp vùng bờ là giải pháp chiến lược dài hạn cho Phú Quý. Cần thiết lập hành lang bảo vệ bờ biển dựa trên bản đồ nguy cơ xói lở. Mọi hoạt động khai thác cát và nạo vét đáy biển tự do phải bị nghiêm cấm. Việc phân vùng chức năng giúp cân bằng giữa phát triển du lịch và bảo tồn thiên nhiên. Các chương trình trồng cây chắn gió ven đồi cát cần được mở rộng thường xuyên. Cộng đồng dân cư địa phương cần được nâng cao nhận thức về biến đổi khí hậu. Sự phối hợp liên ngành giữa giao thông, xây dựng và môi trường là yếu tố then chốt. Cơ chế giám sát biến động đường bờ bằng ảnh viễn thám mang lại hiệu quả cao.

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 (Bộ Giáo dục và Đào tạo - Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Mai Văn Công và GS.TS. Phạm Ngọc Quý. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Thủy, mã số đào tạo 9580202, hoàn thành vào năm 2021 tại Hà Nội.

Về tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu, đảo Phú Quý (tỉnh Bình Thuận) là hòn đảo lớn nhất trong quần thể 10 đảo của huyện đảo, giữ vị trí chiến lược trọng yếu trong phát triển kinh tế biển và an ninh quốc phòng khu vực Nam Trung Bộ. Dưới tác động thường xuyên của trường sóng trong các đợt gió mùa và bão, hiện tượng xói lở bờ bãi quanh đảo diễn biến ngày càng phức tạp và có xu hướng gia tăng. Các công trình xây dựng dân sinh, hệ thống đê phá sóng mở rộng cảng cá phía Nam cũng như đê kè phía Tây đảo đã và đang làm thay đổi phân bố trường sóng, dòng ven bờ và quá trình bồi xói. Trong khi các nghiên cứu về cửa sông ven biển lục địa tại Việt Nam đã được triển khai khá phong phú, các công trình nghiên cứu sâu về trường sóng tương tác với vùng ven bờ các đảo ngoài khơi (bao gồm khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ) và biến động hình thái đường bờ đảo vẫn còn rất hạn chế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được văn bản xác định cụ thể gồm hai nhiệm vụ chính:

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

Đối tượng nghiên cứu 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 tương tác của vùng bờ đảo với sóng biển. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở vùng biển ven bờ đảo Phú Quý, xem xét trường sóng dưới tác động của các hướng gió mùa thịnh hành và sóng bão thiết kế, cùng các giải pháp công trình dạng đê phá sóng bảo vệ bờ đảo. Về chuỗi thời gian dữ liệu, luận án sử dụng số liệu thống kê gió và sóng 40 năm (1979–2019), số liệu đo đạc thực tế đợt quan trắc từ 18/12/2012 đến 03/01/2013 và dữ liệu viễn thám biến động đường bờ giai đoạn 2000–2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã điểm lại lịch sử nghiên cứu thủy động lực học sóng biển và tương tác sóng - bờ đảo qua các giai đoạn:

• Các nghiên cứu quốc tế: Vấn đề tương tác giữa sóng và địa hình ven bờ bắt đầu từ các công trình kinh điển của Harrison (1848), Johnson (1919) về hiện tượng khúc xạ sóng (wave refraction do William Morris Davis đặt tên). O’Brien và Mason (1940), Văn phòng Thủy văn Hải quân Mỹ (1944) phát triển phương pháp vẽ đồ thị khúc xạ theo định luật Snell và nguyên lý Fermat. Về nhiễu xạ sóng nước, Penney và Price (1944) vận dụng nghiệm Sommerfeld, tiếp đó Putnam và Arthur (1948), Arthur (1951) phân tích sự thâm nhập của năng lượng sóng vào vùng khuất sau đảo do khúc xạ địa hình, khúc xạ dòng chảy, nhiễu xạ và tán xạ góc sóng. Cuối thập kỷ 1950, Pierson đưa lý thuyết phân tích phổ vào nghiên cứu sóng ngẫu nhiên. Tại Liên Xô, tác động của sóng lên đường bờ được nghiên cứu bởi Zenkovish (1950), Loginov, Leontriev và Pleshivtsev. Năm 1951, Beach Erosion Board (BEB) do J. Spencer Smith lãnh đạo và sau đó là Coastal Engineering Research Center (CERC) của quân đội Mỹ ban hành bộ cẩm nang kỹ thuật Shore Protection Manual (SPM 1975, 1977, 1984).
• Các mô hình số trị quốc tế: Từ phương trình Mild-slope của Berkhoff (1972), mô hình RCPWAVE ra đời năm 1985. Bên cạnh đó là HINDWAVE (Viện Wallingford), MIKE 21 (Viện Thủy lực Đan Mạch - DHI), Phatos (Kostensen, 1986); các mô hình biến động đường bờ GENESIS (1989), UNIBEST (1990), LIPACK (1991), NPM (1993). Về tương tác sóng với đảo tròn, Chao và cộng sự (2006) mô phỏng sóng đơn chế độ 1 và 2 tương tác với đảo Dongsha (Biển Đông) có xét hiệu ứng Coriolis; Jia và cộng sự (2018) phân tích ảnh vệ tinh Envisat ASAR và TerraSAR-X khảo sát sự kết nối lại của sóng đơn nội tại hạ lưu đảo Dongsha.
• Các nghiên cứu tại Việt Nam: Các tác giả trong nước tập trung vào cửa sông ven bờ lục địa như GS. Lương Phương Hậu (1992, cửa Nam Triệu, Soài Rạp, Thuận An), PGS.TSKH. Nguyễn Văn Cư (luồng tàu Hải Phòng), PGS. Nguyễn Thọ Sáo (đề tài KT-03-14), GS.TSKH. Phạm Văn Ninh và TS. Nguyễn Mạnh Hùng (đề tài KHCN.06.07). Nghiên cứu về hải đảo chủ yếu là đề tài sinh thái và quy hoạch như GS. Lê Đức Tố (KC09-12, đề tài độc lập 2000/01), các công trình chống xói lở đảo Trường Sa của GS. Nguyễn Hoa Thịnh, PGS. Hoàng Xuân Lượng (1995–2005), cùng các khảo sát của Trịnh Việt An (1994–1996) và TS. Kiều Xuân Tuyền (2013–2015).

Khoảng trống mà luận án tập trung giải quyết: Các công trình tại Việt Nam trước đây chủ yếu dừng ở mức điều tra kinh tế sinh thái hoặc công trình bảo vệ bờ dạng kè cục bộ tại bờ đảo; chưa có công trình nào mô phỏng chi tiết trường sóng tương tác đầy đủ (khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ, sóng vỡ) quanh đảo Phú Quý bằng các mô hình số phân giải pha, cũng như chưa đánh giá định lượng hiệu quả giảm sóng của hệ thống đê giảm sóng bố trí quanh đảo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên nền tảng lý thuyết thủy động lực học sóng biển:

• Lý thuyết sóng Airy (1845): Sóng biên độ nhỏ trong chất lỏng lý tưởng hai chiều thỏa mãn phương trình Laplace, với hàm dao động mặt nước: $$\eta = \frac{H}{2} \cos\left[2\pi\left(\frac{x}{L} - \frac{t}{T}\right)\right]$$
• Hiện tượng khúc xạ sóng: Xác định qua phương trình liên hệ tốc độ pha và bước sóng: $$\frac{c}{c_0} = \tanh(kh) = \frac{L}{L_0} \quad \text{và} \quad \frac{\sin\alpha}{\sin\alpha_0} = \frac{L}{L_0} = \frac{c}{c_0}$$
• Hiện tượng sóng vỡ: Dựa trên tiêu chí độ dốc sóng nước sâu $H/L < 1/7$ và chỉ số sóng vỡ $\gamma = H/h = 0{,}78$ (thực tế dao động từ 0{,}2 tùy thuộc độ dốc đáy bãi), phân loại thành ba dạng sóng vỡ chính: sóng nhào, sóng đổ và sóng cuộn/lướt.
• Hiện tượng phản xạ và nhiễu xạ sóng: Phản xạ tạo nên hệ sóng đứng tại các công trình tường đứng, nhiễu xạ bẻ cong tia sóng tại mũi đê và lan truyền năng lượng vào vùng khuất.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa định tính và định lượng:

• Phương pháp tiếp cận: Tiếp cận hệ thống, tiếp cận tổng hợp (kinh tế, kỹ thuật, xã hội), tiếp cận bền vững (xét đến biến đổi khí hậu và nước biển dâng - BĐKH-NBD), và tiếp cận hiện đại.
• Phương pháp viễn thám và GIS: Thu thập chuỗi ảnh vệ tinh (Landsat 8) giai đoạn 2000–2020; ứng dụng chỉ số thủy văn mNDWI (modified Normalized Difference Water Index) và WFI (Water Frequency Index) để trích xuất đường mép nước; sử dụng phần mềm DSAS (Digital Shoreline Analysis System) tính toán tốc độ dịch chuyển đường bờ theo chỉ số EPR (End Point Rate) và LRR (Linear Regression Rate) kèm khoảng tin cậy LCI90 và sai số tiêu chuẩn LSE.
• Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình phổ sóng MIKE 21-SW mô phỏng trường sóng ngoài khơi truyền vào vùng nước nông ven bờ đảo; sử dụng mô hình Boussinesq MIKE 21-BW mô phỏng chi tiết sóng phi tuyến, tương tác sóng vỡ, phản xạ và nhiễu xạ qua công trình đê phá sóng; kết hợp tham khảo cơ sở lý thuyết mô hình X-Beach.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm gồm: Trạm đo sóng áp lực ngoài khơi P1 (chuỗi đo từ 18/12/2012 đến 03/01/2013), số liệu hoa sóng và tốc độ gió thống kê 40 năm (1979–2019) tại trạm khí tượng thủy văn Phú Quý, bình đồ độ sâu và số liệu đo đạc trắc dọc, trắc ngang bãi biển tại 24 mặt cắt ven đảo (MC1 đến MC24).

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương này hệ thống hóa lý thuyết về trường sóng và tổng kết thực trạng sạt lở, công trình bảo vệ bờ tại đảo Phú Quý.

Về thiệt hại thiên tai, số liệu thống kê cho thấy:

• Từ năm 1978, tại thôn 4 và thôn 5 xã Tam Thanh, biển xâm thực đã phá hủy hoàn toàn 2 km đường giao thông ven bờ và cuốn trôi hơn 100 ngôi nhà của 3 dãy dân cư.
• Năm 2003, sạt lở ảnh hưởng đến 6.000 hạng mục công trình.
• Cơn bão số 9 năm 2006 gây thiệt hại nặng nề: 25 người chết, 3.090 căn nhà bị sập hoặc tốc mái, 104 phòng học bị hỏng, 180 ha cây công nghiệp lâu năm và 12 ha hoa màu bị phá hủy, 739 tàu thuyền hư hỏng, 476 ha nuôi trồng thủy sản và 700 m bờ biển bị phá hủy.
• Tổng chiều dài sạt lở trên toàn đảo là 5.688 m, chiếm khoảng 1/4 chu vi đảo; tập trung tại thôn 2, thôn 3 (xã Ngũ Phụng), thôn 4, thôn 5, thôn 6 (xã Tam Thanh), và thôn 9, thôn 10 (xã Long Hải).
• Tính toán xói lở dự báo trong văn bản nêu rõ: Sau 20 năm, diện tích đất mất là 0{,}4% diện tích đảo, nước biển lấn sâu 5{,}8 m; sau 50 năm mất 0{,}43%, lấn sâu 8{,}5 m; sau 70 năm mất 0{,}754 km² (4{,}49%), lấn sâu 15{,}8 m; sau 100 năm mất 0{,}81 km² (4{,}82%), nước biển lấn sâu vào đất đảo tới 47{,}5 m.

Luận án cũng tổng kết 4 dự án công trình bảo vệ bờ biển đã triển khai tại đảo:

Tên dự án	Thời gian / Vốn đầu tư	Quy mô kết cấu chính	Đánh giá ưu / nhược điểm
Kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú Quý - Giai đoạn 1	2008–2010; 107 tỷ đồng	Chiều dài 1.443 m (đoạn DC thôn 5 Tam Thanh 395 m; đoạn BL Bãi Lăng 1.038 m). Mái kè lát cấu kiện TSC178 dày 33 cm; chân khay 2 hàng ống buy lục lăng đổ đá hộc; tường hắt sóng BTCT M300; mặt đường rộng 5 m bê tông M250.	Kết cấu ổn định trên 10 năm, chi phí thấp; nhược điểm là bảo vệ trực tiếp, không tạo bãi và làm mất cảnh quan bãi tắm.
Kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú Quý - Giai đoạn 2	2012–2020; 596 tỷ đồng	Tuyến kè dài 2.999 m (4 phân đoạn: Triều Dương 264{,}09 m; Hội An 397{,}53 m; Chùa Thạch Lâm - UBND huyện 891{,}37 m; Bãi Lăng - Chùa Thạch Lâm 980 m) và 2 tuyến đê khu neo đậu dài 1.178 m (đê Tây 148{,}9 m, đê Đông 948{,}9 m). Đê đá đổ mái nghiêng phủ Tetrapod 3T.	Kết hợp bảo vệ bờ và tạo vùng nước neo đậu cho tàu cá nhỏ; nhược điểm là kết cấu đê chỉ phù hợp vùng nước nông.
Khu neo đậu tránh trú bão cho tàu cá huyện Phú Quý	2011–2020; 498 tỷ đồng	Vùng nước 35 ha cho tàu đến 1.000 CV. 2 tuyến đê dài 1.277 m (đê Tây 542 m, đê Đông 735 m). Đoạn gần bờ: đê đá đổ phủ Tetrapod; đoạn xa bờ: thùng chìm BTCT chia vách ngăn đổ cát lõi (kích thước thùng loại 1: 20 m x 8 m x H).	Ổn định cao ở vùng nước sâu, tiết diện thu hẹp; nhược điểm là kỹ thuật và thiết bị thi công phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao.
Cải tạo đê chắn sóng cảng Phú Quý	2016–nay; 341 tỷ đồng	Phục vụ tàu 2.000 CV. 2 tuyến đê nối tiếp đê hiện trạng dài 334 m (đê Tây 267 m, đê Đông 67 m). Thùng chìm BTCT đổ cát lõi, khối phủ chân Tetrapod 10T, chân thùng gia cố khối bê tông đúc sẵn dày 60 cm. Gồm 3 loại thùng (15x9x8 m, 15x9x6{,}8 m).	Nâng cao dung tích bến cảng và an toàn luồng tàu; kỹ thuật thi công đòi hỏi trình độ cao và phương tiện chuyên dụng.

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

Chương này đánh giá các yếu tố tự nhiên và diễn biến xói bồi đường bờ:

• Điều kiện khí tượng - hải văn: Chế độ gió phân thành mùa gió Đông Bắc (tháng 10 đến tháng 4 năm sau) và gió Tây Nam (tháng 5 đến tháng 9). Luận án tổng hợp bảng tốc độ và hướng gió chính (Bảng 2-1), bão qua đảo (Bảng 2-2), chiều cao sóng cực đại theo hướng (Bảng 2-3), chiều cao sóng trung bình và cực đại theo tháng (Bảng 2-4), và tần suất sóng giai đoạn 1980–2020 (Bảng 2-5).
• Kết quả phân tích ảnh viễn thám giai đoạn 2000–2020 bằng DSAS: Đường bờ đảo được bóc tách từ ảnh Landsat 8 sử dụng chỉ số mNDWI và chỉ số WFI. Kết quả chỉ số EPR và LRR cho 3 xã (Tam Thanh, Ngũ Phụng, Long Hải) cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa hai phương pháp hồi quy, xác định các cung bờ bị xói lở mạnh tập trung ở bờ Đông, Đông Bắc và một phần bờ Tây Nam.
• Kết quả đo đạc địa hình bãi: Khảo sát chi tiết tại các mặt cắt bãi biển (như MC1-1 bờ Tây, MC5-5 bờ Đông, và các mặt cắt bờ Bắc, bờ Nam) cho thấy sự biến đổi độ dốc bãi rõ rệt giữa các mùa; bờ Tây và Nam có độ dốc thoải hơn, trong khi bờ Đông và Bắc chịu tác động trực tiếp của sóng gió mùa Đông Bắc có độ dốc lớn và hiện tượng hạ thấp bãi bồi diễn ra mạnh.
• Nguyên nhân gây xói lở: Luận án xác định nguyên nhân chính bao gồm tác động trực tiếp của năng lượng sóng trong vùng sóng vỡ, đặc điểm cấu tạo địa chất bờ đảo (đá bazan kết hợp cát san hô dễ bị xói trôi), cùng các hoạt động dân sinh như xây dựng ao hầm nuôi hải sản của người dân thôn Đông Hải và việc chắn giữ cát của các công trình cảng biển.

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

Nội dung chương tập trung thiết lập và kiểm định bộ mô hình toán:

• Cơ sở lựa chọn mô hình: Do khu vực nghiên cứu có địa hình đáy phức tạp và có sự xuất hiện của các công trình biển, luận án lựa chọn phối hợp hai cấp mô hình: MIKE 21-SW mô phỏng trường sóng phổ quy mô lớn và MIKE 21-BW (mô hình Boussinesq hai chiều giải phương trình phân giải pha) mô phỏng chi tiết trường sóng vùng nước nông quanh đảo và tương tác với công trình.
• Thiết lập lưới tính toán:
  • Mô hình MIKE 21-SW thiết lập trên lưới phi cấu trúc (tam giác), bao trùm vùng biển nước sâu quanh đảo Phú Quý, khai thác chuỗi số liệu gió và sóng thống kê 40 năm (1979–2019).
  • Mô hình MIKE 21-BW thiết lập trên lưới trực giao so le chi tiết, thu hẹp phạm vi vào sát bờ đảo nhằm mô tả chính xác tương tác sóng ngắn, sóng dài liên kết, quá trình sóng vỡ và các hiện tượng khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ quanh đảo.
• Kiểm định mô hình: Sử dụng chuỗi số liệu đo sóng thực tế tại điểm P1 từ ngày 18/12/2012 đến ngày 03/01/2013. Kết quả so sánh giữa số liệu tính toán và số liệu thực đo cho thấy mô hình MIKE 21-SW đạt độ tin cậy cao, phản ánh sát thực tế chiều cao sóng có nghĩa ($H_s$) và chu kỳ đỉnh phổ ($T_p$), đủ điều kiện làm biên đầu vào cho mô hình vùng sát bờ.

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 tính toán các kịch bản thời tiết cực đoan và đưa ra phương án bảo vệ:

• Các kịch bản sóng bão thiết kế:
  • Hướng Đông Bắc: Sóng trong trận bão thiết kế (tương đương bão cực đoan tần suất thiết kế $P%$).
  • Hướng Tây Nam: Sóng bão thiết kế với tần suất xuất hiện cực đoan $P = 2%$.
• Kết quả mô phỏng hiện trạng (HT00): Mô phỏng xác định sự phân bố đường mặt nước và chiều cao sóng tại 24 mặt cắt trích xuất (MC1 đến MC24) quanh đảo. Chiều cao sóng ở bờ đón gió (phía Đông và Đông Bắc trong gió mùa Đông Bắc; phía Tây Nam trong gió mùa Tây Nam) tăng cao khi tiến vào vùng nước nông trước khi bị vỡ mạnh ở mép rạn bãi.
• Đề xuất và lựa chọn giải pháp giảm sóng:
  • Luận án xem xét hai phương án bố trí mặt bằng tuyến đê: Hệ thống đê giảm sóng liên tục (HT01) và Hệ thống 11 đê giảm sóng phân đoạn (HT02).
  • Đánh giá đa tiêu chí lựa chọn cao trình đỉnh đê $Z_d$ qua 3 phương án: Đê nổi ($Z_d = +3{,}0$ m), đê sát mặt nước ($Z_d = +0{,}50$ m) và đê ngầm ($Z_d = -1{,}00$ m). Kết quả tính toán hệ số sóng truyền qua $K_t$ cho thấy phương án đê có cao trình đỉnh $Z_d = +0{,}50$ m và $Z_d = -1{,}00$ m mang lại hiệu quả tiêu hao năng lượng sóng tốt mà vẫn đảm bảo lưu thông nước và cảnh quan.
  • Kết cấu mặt cắt đê giảm sóng: Sử dụng đê đá đổ mái nghiêng, lớp phủ bảo vệ mái bằng khối Haro đúc sẵn, cơ chân đê đặt trên lớp đệm đá hộc nhằm chống xói chân công trình.
• So sánh hiệu quả giảm sóng:
  • Mô phỏng trường sóng khi có hệ thống đê liên tục (HT01) và hệ thống đê phân đoạn (HT02) trong bão hướng Đông Bắc ($H_s = 2{,}5$ m; $T_p = 8$ s).
  • So sánh chi tiết các tham số chiều cao sóng $H_s$ và chu kỳ sóng tại các mặt cắt điển hình MC13 và MC14: Cả hai phương án đê đều làm giảm đáng kể chiều cao sóng truyền vào dải bờ so với hiện trạng (HT00); tuy nhiên, hệ thống đê phân đoạn (HT02) giúp trao đổi nước tốt hơn trong vùng đầm phá sau đê, hạn chế hiện tượng xói cục bộ tại các đầu đê liên tục.

Kết quả và những đóng góp mới

Về mặt khoa học:

• Ứng dụng thành công phương pháp viễn thám kết hợp các chỉ số nước (mNDWI, WFI) và công cụ DSAS để phân tích định lượng diễn biến xói bồi đường bờ đảo Phú Quý trong chuỗi thời gian dài 20 năm (2000–2020), làm sáng tỏ mối liên hệ giữa chế độ sóng và xu thế xói lở bờ biển đảo.
• Thiết lập khung phương pháp tính toán mô phỏng liên kết giữa mô hình phổ sóng (MIKE 21-SW) và mô hình Boussinesq (MIKE 21-BW), mô tả chi tiết các hiện tượng thủy động lực học phức tạp (khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ, sóng vỡ) khi trường sóng lan truyền và tương tác với vùng bờ đảo ngoài khơi.

Về mặt thực tiễn:

• Xác định được phạm vi không gian và các cung bờ bị xâm thực mạnh nhất quanh đảo Phú Quý (đặc biệt là khu vực bờ Đông và Đông Bắc), cung cấp cơ sở khoa học để chính quyền địa phương quy hoạch bảo vệ đới bờ.
• Đề xuất giải pháp công trình đê giảm sóng phù hợp: Lựa chọn hệ thống 11 đoạn đê giảm sóng tách bờ kết hợp khối phủ Haro bảo vệ mái, xác định cao trình đỉnh đê tối ưu nhằm giảm năng lượng sóng tác động trực tiếp vào bờ, bảo vệ ổn định đường bờ, hỗ trợ tôn tạo bãi biển và phục vụ các mục tiêu dân sinh, kinh tế, an ninh quốc phòng tại huyện đảo Phú Quý.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Chuỗi số liệu đo đạc sóng thực tế tại trạm áp lực P1 còn ngắn (chỉ kéo dài từ ngày 18/12/2012 đến 03/01/2013), chủ yếu bao phủ thời kỳ gió mùa Đông Bắc, thiếu dữ liệu đo đạc thực địa liên tục trong mùa gió Tây Nam để kiểm định mô hình.
• Mô hình Boussinesq (MIKE 21-BW) có yêu cầu rất cao về tài nguyên tính toán và mật độ mắt lưới, do đó phạm vi mô phỏng sóng phân giải pha chi tiết mới chỉ tập trung ở các phân vùng trọng điểm quanh bờ đảo.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Tăng cường công tác quan trắc thực địa liên tục về sóng, dòng chảy và bùn cát quanh đảo Phú Quý trong cả hai mùa gió.
• Mở rộng ứng dụng mô hình số trị để tính toán chi tiết bài toán vận chuyển bùn cát 3 chiều và diễn biến biến động bãi biển sau khi hệ thống đê giảm sóng phân đoạn được xây dựng trên thực tế.

Giá trị tham khảo

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

• Cơ quan quản lý và quy hoạch: Ủy ban Nhân dân tỉnh Bình Thuận, Ủy ban Nhân dân huyện đảo Phú Quý, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Sở Giao thông Vận tải trong việc lập quy hoạch công trình bảo vệ bờ biển, dự án chỉnh trang đê kè, cảng cá và công trình phòng chống thiên tai.
• Kỹ sư và đơn vị tư vấn thiết kế: Cung cấp phương pháp luận lựa chọn thông số kỹ thuật đê ngầm/đê nhô giảm sóng, xác định cao trình đỉnh đê, hệ số truyền sóng $K_t$, và giải pháp kết cấu khối phủ Haro bảo vệ bờ đảo.
• Giảng viên, nhà nghiên cứu và nghiên cứu sinh: Cung cấp quy trình kết hợp mô hình viễn thám (DSAS, mNDWI) với bộ phần mềm MIKE (SW và BW) trong nghiên cứu động lực học bờ biển và công trình thủy công.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng những công cụ viễn thám nào để phân tích biến động đường bờ đảo Phú Quý?
Luận án sử dụng chuỗi ảnh vệ tinh Landsat 8 giai đoạn 2000–2020, ứng dụng các chỉ số mNDWI (modified Normalized Difference Water Index) và WFI (Water Frequency Index) để bóc tách đường mép nước, sau đó sử dụng tiện ích DSAS của USGS để tính toán tốc độ biến động đường bờ theo các chỉ số EPR và LRR.

2. Tại sao luận án phải kết hợp cả hai mô hình MIKE 21-SW và MIKE 21-BW?
Mô hình MIKE 21-SW (mô hình phổ sóng) được sử dụng để mô phỏng sự lan truyền sóng trên diện rộng từ vùng nước sâu ngoài khơi vào ven bờ. Mô hình MIKE 21-BW (mô hình Boussinesq giải pha) được sử dụng thu hẹp cho vùng nước nông sát bờ đảo để mô phỏng chi tiết các quá trình sóng phi tuyến, khúc xạ, nhiễu xạ quanh đảo và tương tác sóng vỡ trực tiếp với công trình đê giảm sóng.

3. Tốc độ mất đất do xâm thực tại đảo Phú Quý được dự báo trong văn bản như thế nào?
Văn bản đưa ra các mốc dự báo: Sau 20 năm mất 0{,}4% diện tích đảo (nước biển lấn sâu 5{,}8 m); sau 50 năm mất 0{,}43% (lấn sâu 8{,}5 m); sau 70 năm mất 0{,}754 km², tương đương 4{,}49% diện tích đảo (lấn sâu 15{,}8 m); và sau 100 năm mất 0{,}81 km², chiếm 4{,}82% tổng diện tích toàn đảo (nước biển lấn sâu vào tới 47{,}5 m).

4. Luận án đề xuất giải pháp bố trí đê giảm sóng như thế nào?
Luận án đề xuất hệ thống 11 đê giảm sóng phân đoạn (kịch bản HT02) thay vì đê liên tục (HT01), sử dụng kết cấu đê đá đổ mái nghiêng với khối phủ bảo vệ Haro, lựa chọn cao trình đỉnh đê ở mức thích hợp ($Z_d = +0{,}50$ m hoặc $Z_d = -1{,}00$ m) để giảm tối đa chiều cao sóng vào bờ nhưng vẫn duy trì trao đổi nước và bảo tồn cảnh quan.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Mai Quang Khoát đã giải quyết bài toán tương tác sóng và bờ đảo tại huyện đảo Phú Quý thông qua việc tích hợp phương pháp phân tích ảnh viễn thám DSAS giai đoạn 2000–2020 và mô hình số trị thủy động lực học MIKE 21 (SW và BW). Các kết quả nghiên cứu đã làm rõ bức tranh biến động đường bờ đảo, xác định nguyên nhân sạt lở bờ và kiểm định trường sóng trong các kịch bản bão thiết kế hướng Đông Bắc và Tây Nam. Công trình đã đưa ra đề xuất giải pháp kỹ thuật hệ thống 11 đoạn đê giảm sóng tách bờ sử dụng khối phủ Haro, tạo lập cơ sở khoa học và thực tiễn phục vụ công tác quy hoạch, bảo vệ bờ đảo và phát triển bền vững kinh tế biển tại địa phương.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TONG QUAN VE NGHIEN CUU TƯƠNG TÁC GIỮA SONG VA BO DAO 1.1 Téng quan vé song bién va cac qua trinh lan truyền sông 1.1 Sự hình thành sóng biển và các thuật ngữ liên quan Sóng biển chủ yêu được tao 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 bẻ mặt phức tạp, trong đó các sóng có chiêu cao, chiều đải, chu kỷ khác nhau được tạo ra và đi chuyền theo nhiêu hướng khác nhau (Hình 1-1). Đường đỉnh sóng lừng > HƯớng phón tón sóng Gió Hình 1-1: Sự tạo ra sóng và phân tán sóng biển Trong khu vực phát sinh bão, năng lượng sóng tân số cao (Ví dụ: Sóng có chu kỳ nhỏ) vừa bị tiêu tán và chuyền sang tân số thấp hơn. Các sóng có tân số khác nhau di chuyền với tốc độ khác nhau và do đó bên ngoài khu vực tạo bão.

trạng thái biên bị thay đôi khi các thành phân tân số khác nhau tách biết. Các sóng tân số thấp đi chuyên nhanh hơn các sóng tan sé cao dan dén trang thái biên lừng trái ngược với điêu kiện biển bão. Quá trình này được gọi là sự phân rán. Do đó, sóng gió có thê được đặc trưng là không đều, đỉnh ngăn và đốc chứa một đải tân số và hướng lớn.

Mặt khác, sóng iừng có thé có đặc điểm là khá đều đặn, đỉnh dai và không dốc lắm, chứa một dải tân 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 dua ra vào năm 1845, thường gọi là lý thuyết sóng Airy. Sóng Airy được hình thành băng cách sử dụng các khái niệm về dòng chất long lý tưởng hai chiêu. Đây là điểm xuất phát hợp lý của sóng biển, không bị ảnh hưởng nhiêu bởi độ nhớt, sức căng bê mặt hay sự nhiều loạn.

Hình 1-2 cho thay một sóng hỉnh 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 bê mặt theo thời gian. từ mực nước tĩnh. được ký hiệu là rị và được cho bởi: n= '-cos{2r (‡ -#)} (1.1) Trong đó: x là khoảng cách đo dọc theo truc hoanh va t 1a thoi gian.

Van téc cba song chuyên động theo phương x được cho bởi công thức ce = L / T. Mức nƯớc th Hình 1-2: Mô tả định nghĩa một sóng hình sin Phương trình (1.1) đại diện cho nghiệm bề mặt của phương trình sóng Airy. Sự suy ra của các phương trình sóng Airy bắt đầu từ phương trình Laplace đối với dòng chuyên động của một chất lỏng lý tưởng. Các quá trình biển đổi và suy giảm năng lượng sóng Khi sóng tiếp cận bờ biến, chiều cao và bước sóng của chúng bị thay đôi 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 vùng sóng vỡ. Tại đây xảy ra một số quá trình biến đôi và suy giảm phức tạp nhất, bao gồm việc tạo ra các dòng chảy ngang và dọc bờ, thiết lập mực nước trung bình và vận chuyền trầm tích mạnh mẽ của vật liêu bãi biến. Ở những nơi có các công trỉnh ven biển. trên đường bờ biên hoặc trong vùng gân bờ, sóng cũng có thê bị nhiều xạ và phản xạ dẫn đến sự phức tạp thêm trong chuyên động của sóng Hình 1-3 cho thấy một khái niệm đơn giản về quá trình biến đổi và suy giảm sóng chỉnh mà các kỹ sư ven biên phải xem xét khi thiết kế các sơ đỗ bảo vệ bờ biến.

Sự tôn tại của các nhóm sóng cũng tạo ra các dạng sóng thứ cấp có tân sô và biên đô thấp hơn nhiều được gọi là sóng dải liên kết. Bên trong vùng sóng vỡ, những con sóng này tách ra khỏi sóng 'ngăn' và đã được chứng minh là có ảnh hưởng lớn đến sự vận chuyên trâm tích và hình thái bãi biển tạo ra các biến thê đài và xuyên bở trong trường sóng vùng sóng vỡ. Sóng nước sâu Phổ sóng nước sâu n Se = Mp A 2 a D> To D- H:k,Ð = s,s ,! T Sở liêu mầu Tên số Œ) Vùng nước sôu Điểm số lu mỗu Vùng nước Công tĩnh được chuyển riếp thiết kế trong điều ki6€ncuc đoan 7 Hình 1-3: Các quả trình biến đối và suy giảm sóng chính V@n chuyển bun cdf, bdi * s* Khúc xạ sóng Tốc độ lan truyền sóng e và bước sóng L có liên quan với chu kỳ sóng (Chu kỳ sóng là tham số duy nhất không đôi đối với một sóng riêng lẻ): e/cạ = tanh(kh) = L/Eạ (1.2) Dé tim gia tốc sóng và bước sóng ở độ sâu h bat ky, hai phương trình này phải được giải đông thời. Giải pháp luôn luôn sao cho e < cạ và L < Lạ cho h < hạ (trong đó chỉ số “o” dùng đề chỉ điêu kiện nước sâu).

Xét sóng nước sâu tiền tới giới hạn độ sâu chuyền tiếp (h/Lạ = 0.5), như trong Hinh 1-4a. Một sóng truyền từ A đến B (ở vùng nước sâu) truyền một khoảng cách Lo trong một chu kỳ sóng T. Tuy nhiên, sóng truyền từ C đến D truyền một khoảng cách nhỏ hơn, L, trong cùng một thời gian, vỉ nó ở trong vùng sâu chuyên tiếp. Do đó, mặt trước của làn song mdi bây giờ là BD, đã xoay đối với AC.

Đặt góc a dai diện cho góc của mặt trước sóng so với đường đăng sâu, thi sinu = L/BC va sind = Lo/BC. Vi thé: sna Lb c - sing.3) Khi c < co thi a < ao. thé hién song tiép cận bờ biển từ một góc xiên, các mặt trước của sóng có xu hướng tự sắp xếp với các đường đăng sâu. Hình 1-4b cho thầy sự biến thiên của œ/c¿ với h/Lạ và ơ/ơạ với h/Lọ (trường hợp sau là cụ thé cho trường hợp các đường đăng sâu song song).

Đại lượng Lạ được sử dụng phô biến hơn L vì nó là một đại lượng cô định cho mỗi con sóng xem xét, trong khi L biển đôi trong quá trình truyền sóng. Nice # = gs _ A = Mỏnag nude) 285 = a: | \ oe : ‘Xe S = n. i e `N ° vòng noiệc chuyên tếm © © 6 9 " đ Ì Hình 1-4: (a)Mô tả sự khúc xạ sóng; (b) Sự thay đổi của tốc độ lan truyễn sóng và góc sóng tới theo độ sâu nước * s* Phản xạ sóng Sóng tới thông thường gặp các công trình thăng đứng cứng (Như tường bến cảng và tường biển) sẽ bị phản xạ, theo đó sóng phản xạ có cùng pha nhưng ngược hướng và về cơ bản cùng biên đô với sóng tới. Điều này thỏa mãn điều kiên biên cân thiết là vận tốc ngang luôn băng không.

Kết quả tạo nên dạng sóng mới được gọi là sóng đứng, như trong Hinh 1-5. Sự phản xạ cũng có thê xảy ra khi sóng xâm nhập vào bến cảng hoặc cửa sông. Điều này có thê dẫn đến hiện tượng công hưởng khi các sóng được khuếch đại. Tại các điểm nút sóng không có chuyên động thăng đứng theo thời gian.

Ngược lại, ở các cạnh, đỉnh và bụng sóng xuất hiện xen kẽ. Đối với trường hợp sóng lớn ở vùng nước nông và nêu sóng phản xạ có biên độ tương tự với sóng tới, thì các đỉnh tiên và lùi va chạm nhau một cách ngoạn mục. tạo thành một chùm gọi là một chùm tia (xem Hình 1-6). Điều này thường được quan sát thầy ở các bức tường biển.

Sóng đứng có thê gây ra thiệt hại đáng kê cho các công trình bién và gây ra xói đáy đáng kê. Bung sóng Nx.) Nú† sóng | Nút sống Théx 0) YK Nx,. T/2) ˆ Yl(x,T/2) L/2 | L/4 | 2 ì(x,T/2) Sóng đứng Vên tốc phổn †đ nƯớc †q¡ bụng sóng Sóng tới vũ sóng phỏn xq -— Vên tốc phân *? nước tại nút sóng Hình 1-5: Mô tả sóng đứng Ba % Nhiéu xa song Đây là quá trỉnh mà sóng bẻ cong xung quanh các vật cản tròn băng bức xạ năng lượng sóng. Hình 1-7 cho thấy một sự lan truyền sóng xiên tại một đầu đê chắn sóng.

Có ba vùng riêng biệt: + Vùng bóng tôi diễn ra hiện tượng nhiễu xạ - Vùng (1). + Vùng sóng đỉnh ngắn trong đó sóng tới và sóng phản xạ tương tác với nhau — Vùng (2). + Một vùng sóng tới không bị anh hưởng — Vùng (3). Trong vùng (1) các sóng nhiễu xạ với mặt sóng tạo thành các cung tròn có tâm ở điểm đâu đê chăn sóng.

Khi sóng nhiễu xa, độ cao của sóng giảm dân đo năng lượng của sóng tới lan truyền trong vùng. Tuy nhiên, tình hình thực tế phức tạp hơn những gì được trình bày trong Hình 1-7. Các sóng phản xạ trong vùng (2) sẽ nhiều xạ vào vùng (3) và do đó kéo dai vùng sóng đỉnh ngăn vào vùng (3). ® Sóng nhiễu xa Hình 1-7: Sự nhiễu xạ sóng lý tưởng xung quanh một đê chắn sóng không thấm nước 10 * s* Sống vỡ Có hai tiêu chí dùng đề xác định thời điểm sóng sẽ vỡ.

Đâu tiên là giới hạn về độ đốc của sóng (H/L) và thứ hai là giới hạn về tỷ lệ giữa chiều cao sóng vả đô sâu của nước (H/h). Giới hạn lý thuyết bắt nguôn từ lý thuyết sóng đơn, là một sóng đơn có đỉnh và không có đáy. Một loại sóng như vậy được Russell quan sát lần đâu tiên vao nam 1840, được tạo ra bởi một chiếc xà lan trên kénh Forth va Clyde. Hai tiêu chi được đưa ra bởi: (1) Độ dốc H/L < 1/7.

Điều này thường giới hạn độ cao của sóng nước sâu. (2) Tỷ số giữa chiều cao sóng và đô sâu nước: Chỉ số sóng vỡ y = H⁄h = 0,78. Trong thực tế, y có thê thay đôi từ khoảng 0.2 tùy thuộc vào độ đốc của bãi biển và loại sóng vỡ. Sóng vỡ có thê được phân chia thành một trong ba loại như Hình 1-8.

Sóng nhào Sóng để Bài biến đốc. Sóng nố Bởi biến rốt dốc. Hình 1-8: Các dạng chỉnh của sóng vỡ 11 i ` (a) Sóng nhào tại bờ biễn thoải. (b) Sóng đồ tại bờ biển dốc Hinh 1-9: Hinh anh song v6 tai bé bién (http:/Avww.2 Tông quan về tình hình nghiên cứu tương tác giữa sóng và bờ đảo trên thể giới Nghiên cứu sự tương tác giữa sóng biến và đảo ngoài khơi đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ nhiêu thập kỷ trước day (Arthur.

Khi sóng tiễn vào bờ, vận tốc của chúng băt dau giảm đi dang ké ở độ sâu khoảng một nửa chiêu đải sóng.