Tổng quan luận án

Tính cấp thiết của đề tài và khoảng trống nghiên cứu

Sóng biển là một trong những yếu tố động lực học biển giữ vai trò quyết định đối với độ ổn định của đới bờ, bãi biển và hình thái đường bờ. Các cơ sở lý thuyết về thủy động lực học ven bờ, quanh bờ đảo và cửa sông đã được nghiên cứu trên thế giới thông qua các mô hình thực nghiệm và số trị. Tại Việt Nam, nhiều chương trình điều tra, quan trắc diễn biến bờ biển và cửa sông đã được triển khai nhằm tìm kiếm giải pháp bảo vệ bờ. Tuy nhiên, các nghiên cứu chuyên sâu về trường sóng tương tác với vùng ven bờ các hải đảo ngoài khơi và biến động hình thái đường bờ đảo vẫn còn rất hạn chế.

Huyện đảo Phú Quý (tỉnh Bình Thuận) là quần đảo gồm 10 đảo lớn nhỏ, trong đó đảo Phú Quý có diện tích lớn nhất, giữ vị trí then chốt về phát triển kinh tế biển và an ninh quốc phòng khu vực Nam Trung Bộ. Những năm gần đây, tác động của trường sóng trong các mùa gió và bão đã gây ra hiện tượng xói lở nghiêm trọng, làm biến dạng đường bờ. Việc xây dựng các công trình dân dụng, đê chắn sóng mở rộng cảng cá phía Nam và hệ thống kè bờ phía Tây đã làm thay đổi sự phân bố của trường sóng và dòng ven bờ, tác động trực tiếp đến tiến trình bồi - xói quanh đảo. Do đó, việc nghiên cứu tương tác trường sóng - bờ đảo và đề xuất giải pháp giảm sóng có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cấp thiết nhằm bảo vệ bờ đảo, phục hồi bãi biển, phục vụ phòng chống thiên tai và phát triển kinh tế - xã hội bền vững.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

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

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vùng bờ biển quanh đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận; sự lan truyền sóng biển từ ngoài khơi vào khu vực ven bờ và tương tác của sóng với bờ đảo.
  • Phạm vi không gian: Vùng biển ven bờ quanh đảo Phú Quý, bao gồm 24 mặt cắt địa hình đại diện quanh đảo và hệ thống công trình bảo vệ bờ.
  • Phạm vi nội dung: Phân tích trường sóng theo các hướng gió mùa thịnh hành (Đông Bắc và Tây Nam) và bão thiết kế có xét đến các hiện tượng khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ; đánh giá biến động đường bờ giai đoạn 2000–2020; nghiên cứu giải pháp đê phá sóng giảm năng lượng tác động lên bờ đảo.
  • Phạm vi dữ liệu thời gian: Chuỗi số liệu sóng và gió thống kê 40 năm (1979–2019), số liệu khí tượng thủy văn trạm Phú Quý (1980–2020), chuỗi ảnh viễn thám Landsat (2000–2020), chuỗi số liệu đo đạc sóng thực địa ngoài khơi (18/12/2012 – 03/01/2013) và số liệu quan trắc địa hình bãi các năm 2017, 2021.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam

Nghiên cứu tương tác giữa sóng và đảo ngoài khơi đã được tiếp cận từ sớm trên thế giới. Arthur (1946, 1951) đã phân tích sự khúc xạ, nhiễu xạ và phân tán năng lượng sóng quanh các đảo lý tưởng hóa dựa trên nguyên lý Fermat và lý thuyết sóng nước. Penney và Price (1944), Putnam và Arthur (1948) áp dụng nghiệm Sommerfeld để giải bài toán nhiễu xạ sóng qua vật cản. Về cơ sở tính toán và tiêu chuẩn kỹ thuật, Coastal Engineering Research Center (CERC) của quân đội Mỹ đã công bố cẩm nang Shore Protection Manual (SPM 1975, 1977, 1984) và mô hình sóng RCPWAVE (1985) dựa trên phương trình độ dốc thoải Mild Slope của Berkhoff (1972). Song song đó, các mô hình biến động đường bờ như GENESIS (Hải quân Mỹ và ĐH Lund, 1989), UNIBEST (Delft Hydraulics, 1990), LIPACK (DHI, 1991), NPM (HR Wallingford, 1993) đã được phát triển. Gần đây, Chao và nnk (2006), Jia và nnk (2018) đã sử dụng ảnh vệ tinh Envisat ASAR, TerraSAR-X kết hợp mô hình số trị để nghiên cứu sự khúc xạ, nhiễu xạ và tái kết nối của sóng đơn nội tại quanh đảo san hô Dongsha ở Biển Đông.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu thủy động lực học ven bờ chủ yếu tập trung vào dải ven biển và cửa sông đất liền, tiêu biểu như công trình của Lương Phương Hậu và cs (1992) tại Nam Triệu, Phan Thiết, Thuận An; Nguyễn Văn Cư về sa bồi luồng tàu Hải Phòng; Nguyễn Thọ Sáo (đề tài KT-03-14, 1991–1995); Phạm Văn Ninh và Nguyễn Mạnh Hùng (đề tài KHCN.06.07). Đối với khu vực hải đảo, các nghiên cứu trước đây chủ yếu dừng lại ở mô hình kinh tế sinh thái (Lê Đức Tố, đề tài KC09-12 và đề tài 2000/01), nghiên cứu bảo vệ bờ đảo Trường Sa (Nguyễn Hoa Thịnh, Hoàng Xuân Lượng, 1995–2005; Trịnh Việt An, 1994–1996), hoặc đánh giá KTTV cực trị vùng biển miền Trung (Kiều Xuân Tuyển, 2013–2015).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình bảo vệ bờ tại đảo Phú Quý trước đây chủ yếu là kè đứng hoặc kè mái nghiêng bảo vệ trực tiếp mép bờ, mang tính cục bộ và chưa được xem xét trong một bài toán tổng thể về tương tác trường sóng hai mùa gió thịnh hành và bão cực đoan. Nghiên cứu của luận án giải quyết khoảng trống về việc mô phỏng phân giải cao trường sóng tương tác với đảo ngoài khơi bằng chuỗi mô hình liên hoàn MIKE 21-SW và MIKE 21-BW, lượng hóa biến động đường bờ bằng viễn thám đa thời gian, từ đó đề xuất giải pháp công trình đê giảm sóng phân đoạn bảo vệ tổng thể vùng bờ đảo Phú Quý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án ứng dụng hệ thống lý thuyết thủy động lực học sóng biển:

  • Lý thuyết sóng tuyến tính (Sóng Airy, 1845): Mô tả sóng hình sin biên độ nhỏ lan truyền trên mặt nước tĩnh thông qua nghiệm của phương trình Laplace cho dòng chất lỏng lý tưởng hai chiều.
  • Lý thuyết biến đổi sóng:
    • Khúc xạ: Biến đổi vận tốc truyền sóng $c = L/T$ và bước sóng $L$ khi truyền vào vùng nước nông theo hệ thức $\sin\alpha/\sin\alpha_0 = L/L_0 = c/c_0$.
    • Nhiễu xạ: Sự bẻ cong và suy giảm năng lượng sóng khi đi qua mép vật cản hình học theo nghiệm Sommerfeld.
    • Phản xạ và sóng đứng: Hiện tượng chồng chập sóng tới và sóng phản xạ từ các công trình đứng hoặc mái dốc tạo nên bụng sóng và nút sóng.
    • Sóng vỡ: Xác định theo giới hạn độ dốc sóng $H/L < 1/7$ và tỷ số sóng vỡ $\gamma = H/h = 0{,}78$ (biến thiên thực tế từ 0,4 đến 1,2 tùy theo dạng sóng nhào, sóng đổ hoặc sóng nổ).
  • Lý thuyết sóng Boussinesq: Áp dụng cho vùng nước nông và trung bình, mô phỏng chuyển động phi tuyến, phân tán pha, hiện tượng sóng vỡ và sóng dài liên kết.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp các phương pháp tiếp cận: tiếp cận hệ thống, tiếp cận tổng hợp, tiếp cận bền vững và hiện đại với các công cụ kỹ thuật:

  1. Phương pháp viễn thám và GIS: Xử lý chuỗi ảnh vệ tinh Landsat đa thời gian trên nền tảng Google Earth Engine (GEE), trích xuất đường bờ tự động thông qua chỉ số khác biệt nước cải biên (mNDWI) và chỉ số tần suất nước (WFI). Ứng dụng 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:
    • Tốc độ điểm đầu - điểm cuối (EPR - End Point Rate).
    • Tốc độ hồi quy tuyến tính (LRR - Linear Regression Rate).
    • Khoảng tin cậy hồi quy tuyến tính 90% (LCI90) và sai số tiêu chuẩn (LSE).
  2. Phương pháp mô hình toán thủy động lực học:
    • Mô hình MIKE 21-SW (Spectral Wave): Mô hình phổ sóng ngẫu nhiên toàn diện dùng để tính toán lan truyền sóng phổ từ ngoài khơi sâu vào vùng biển ven bờ đảo Phú Quý.
    • Mô hình MIKE 21-BW (Boussinesq Wave): Mô hình sóng phân giải pha 2D giải hệ phương trình Boussinesq phi tuyến, dùng để mô phỏng chi tiết trường sóng vùng nước nông quanh đảo, tương tác sóng - công trình, hiện tượng khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ và tiêu hao năng lượng qua đê giảm sóng.
    • Tham khảo cơ sở lý thuyết mô hình X-Beach trong việc tính toán vận chuyển trầm tích vùng sóng vỡ.
  3. Phương pháp xử lý số liệu quan trắc thực địa: Đo đạc và phân tích 24 mặt cắt địa hình bãi biển (MC1 đến MC24) qua các đợt khảo sát thực tế năm 2017 và 2021.
Nhóm phương pháp Công cụ / Kỹ thuật cụ thể Mục tiêu áp dụng trong luận án
Viễn thám & GIS Landsat 8, GEE, mNDWI, WFI, DSAS (EPR, LRR) Định lượng biến động xói lở - bồi tụ đường bờ 3 xã giai đoạn 2000–2020
Mô hình sóng diện rộng MIKE 21-SW (Mô hình phổ sóng) Mô phỏng lan truyền sóng biển sâu vào vùng biển quanh đảo
Mô hình sóng chi tiết MIKE 21-BW (Mô hình giải pha Boussinesq) Mô phỏng trường sóng nước nông, khúc xạ, nhiễu xạ, sóng vỡ và tương tác đê
Khảo sát thực địa Trắc địa mặt cắt bãi biển (24 mặt cắt), đo sóng ADCP P1 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình số trị và phân tích cơ chế hình thái bờ

Nội dung chính theo từng chương

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

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về động lực học sóng biển, sự hình thành sóng gió, sóng lừng và các quá trình biến đổi năng lượng sóng ven bờ. Tác giả tổng quan các nghiên cứu trong nước và quốc tế về tương tác sóng - bờ đảo, cơ chế vận chuyển bùn cát trong vùng sóng vỡ dưới tác động của dòng chảy dọc bờ và dòng hoàn lưu ven bờ.

Phần thực trạng ghi nhận các thiệt hại nghiêm trọng do sóng gây ra tại huyện đảo Phú Quý:

  • Tại Thôn 4 và Thôn 5 (xã Tam Thanh), từ năm 1978 đến nay biển đã xâm thực làm sụp đổ hoàn toàn một tuyến đường ven biển dài 2 km và hơn 100 ngôi nhà của người dân.
  • Cơn bão số 9 năm 2006 gây thiệt hại nặng nề: làm 25 người chết, sập và tốc mái 3.090 căn nhà, phá hủy 700 m bờ biển, làm hỏng 739 tàu thuyền.
  • Tổng chiều dài đường bờ bị sạt lở trên toàn đảo lên tới 5.688 m (chiếm khoảng 1/4 tổng chu vi đảo).
  • Các nghiên cứu trước dự báo mức độ mất đất do xâm thực: sau 20 năm mất $0{,}740\text{ km}^2$ (4,40% diện tích đảo, lấn sâu $5{,}8\text{ m}$); sau 30 năm mất $0{,}745\text{ km}^2$ (4,43%, lấn sâu $8{,}5\text{ m}$); sau 50 năm mất $0{,}754\text{ km}^2$ (4,49%, lấn sâu $15{,}8\text{ m}$); sau 100 năm mất $0{,}810\text{ km}^2$ (4,82%, lấn sâu $47{,}5\text{ m}$).

Chương 1 cũng tổng kết 4 dự án công trình bảo vệ bờ biển và khu neo đậu đã và đang triển khai tại đảo Phú Quý:

Tên dự án Thời gian & Tổng mức đầu tư Quy mô & Chiều dài công trình Kết cấu kỹ thuật chính Ưu điểm & Nhược điểm ghi nhận
Kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú Quý – GĐ 1 2008–2010
107 tỷ đồng		 Tuyến kè dài 1.443 m (Đoạn DC thôn 5 Tam Thanh: 395 m; đoạn BL Bãi Lăng: 1.038 m) Mái lát cấu kiện TSC178 dày 33 cm, chân khay ống buy lục lăng đổ đá hộc, tường đỉnh hắt sóng BTCT M300 Ổn định sau hơn 10 năm vận hành, chi phí thấp; nhược điểm là bảo vệ bị động, phá vỡ bãi tắm và cảnh quan
Kè chống xâm thực ổn định bờ biển Phú Quý – GĐ 2 2012–2020
596 tỷ đồng		 Kè dài 2.532,99 m (4 phân đoạn) và 2 tuyến đê neo đậu dài 1.097,7 m (Đê Tây 148,9 m, Đê Đông 948,8 m) Mái kè lát cấu kiện TSC178; Đê chắn sóng lõi đá đổ mái nghiêng phủ khối Tetrapod 3T Đa mục tiêu bảo vệ bờ và tạo khu neo đậu tàu cá nhỏ; nhược điểm chỉ áp dụng cho vùng nước nông
Khu neo đậu tránh trú bão cho tàu cá Phú Quý 2011–2020
498 tỷ đồng		 Khu neo đậu diện tích 35 ha cho tàu đến 1000 CV; 2 tuyến đê 1.277 m (Đê Tây 542 m, Đê Đông 735 m) Gần bờ: Đê đá đổ phủ Tetrapod; Xa bờ: Thùng chìm BTCT 3 loại (20x8,5x10,5 m; 20x8,5x8,5 m; 16x6,5x4,5 m) Ổn định cao ở vùng nước sâu, giảm diện tích chiếm chỗ; nhược điểm yêu cầu thiết bị và kỹ thuật thi công rất cao
Cải tạo đê chắn sóng cảng Phú Quý 2016–nay
341 tỷ đồng		 Tuyến đê dài 334 m (Đê Tây 267 m, Đê Đông 67 m), luồng tàu cho tàu 2000 CV Lõi thùng chìm BTCT đổ cát đặt trên đá hộc, khối phủ bảo vệ Tetrapod 10T (3 loại thùng kích thước 15x9 m) Nâng cao an toàn luồng tàu và dung tích bể cảng; nhược điểm thi công phức tạp trong điều kiện sóng gió lớn

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 đặc điểm tự nhiên, khí tượng thủy văn trạm Phú Quý giai đoạn 1980–2020:

  • Hướng gió thịnh hành mùa khô là hướng Đông Bắc (BĐB đến Đông), mùa mưa là hướng Tây Nam (Tây đến Tây Nam). Tốc độ gió cực đại trong bão đạt trên cấp 12.
  • Đặc trưng trường sóng: Sóng hướng Đông Bắc xuất hiện với tần suất cao và chiều cao sóng lớn nhất vào các tháng 11 đến tháng 2 năm sau ($H_{s}$ cực đại đạt trên 5–6 m ngoài khơi); sóng mùa gió Tây Nam hoạt động từ tháng 6 đến tháng 9 với tần suất xuất hiện trung bình.
  • Phân tích viễn thám DSAS giai đoạn 2000–2020 trên địa bàn 3 xã (Ngũ Phụng, Tam Thanh, Long Hải):
    • Khu vực bờ Đông và Đông Bắc (xã Long Hải và một phần Tam Thanh) chịu tác động trực tiếp của sóng mùa Đông Bắc, có tốc độ xói lở lớn nhất, chỉ số LRR âm thể hiện đường bờ lùi sâu vào đất liền.
    • Khu vực bờ Tây (xã Ngũ Phụng) có các đoạn bờ xen kẽ giữa bồi tụ cục bộ và xói lở nhẹ.
    • Kết quả kiểm chứng chỉ số LRR tại đường trực giao 219 đạt khoảng tin cậy 90% (LCI90) với sai số tiêu chuẩn (LSE) ở mức tin cậy cao.
  • Kết quả khảo sát 24 mặt cắt địa hình bãi (MC1 đến MC24) năm 2017 và 2021 chỉ ra độ dốc bãi biển bờ Đông dốc hơn đáng kể so với bờ Tây; vị trí vùng sóng vỡ phân bố cách đường bờ từ 100 m đến 300 m tùy thuộc vào địa hình bãi đá ngầm và san hô.
  • Luận án xác định nguyên nhân chính gây biến động đường bờ gồm: (i) Tác động của năng lượng sóng cực đoan trong hai mùa gió; (ii) Cấu tạo địa chất bờ đảo là tro bụi núi lửa xen kẹp đá bazan phong hóa dễ bị xói trôi; (iii) Tác động của các hoạt động nhân sinh như xây dựng hồ nuôi hải sản, đào phá rạn san hô và xây dựng kè cứng làm dịch chuyển vị trí tập trung năng lượng sóng sang các vùng lân cận.

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 mô phỏng số trị liên hoàn để nghiên cứu trường sóng:

  • Thiết lập mô hình MIKE 21-SW: Miền tính toán bao phủ toàn bộ vùng biển ngoài khơi bao quanh đảo Phú Quý, sử dụng lưới phi cấu trúc tam giác linh hoạt, độ phân giải tăng dần từ ngoài khơi vào sát đảo.
  • Kiểm định mô hình: Dữ liệu sóng thực đo tại trạm ngoài khơi P1 trong khoảng thời gian từ ngày 18/12/2012 đến ngày 03/01/2013 được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Kết quả so sánh giữa đường sóng tính toán và số liệu đo đạc thực tế về chiều cao sóng có nghĩa $H_s$ và chu kỳ đỉnh phổ $T_p$ cho thấy độ tương quan và độ chính xác cao.
  • Phân tích chuỗi số liệu 40 năm (1979–2019): Xây dựng hoa sóng thống kê và xác định các thông số sóng cực trị theo các hướng thịnh hành.
  • Thiết lập mô hình thu hẹp MIKE 21-BW: Thiết lập lưới tính chữ nhật trực giao độ phân giải cao ($dx = dy = 2\text{ m}$ đến $5\text{ m}$), gán các lớp đệm xốp (sponge layers) ở các biên hở để hấp thụ hoàn toàn sóng phản xạ, tránh nhiễu trường sóng bên trong miền tính. Mô hình tái hiện chi tiết hiện tượng khúc xạ quanh mũi đảo, nhiễu xạ vào vùng khuất sóng phía sau đảo và quá trình tiêu tán năng lượng khi sóng vỡ trên các bãi cạn san hô.

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 thực hiện tính toán mô phỏng các kịch bản tương tác sóng và đánh giá hiệu quả của các giải pháp công trình:

  • Mô phỏng trường sóng hiện trạng (HT00):
    • Trận bão thiết kế hướng Đông Bắc: Tương đương điều kiện bão ngày 16–18/12/1993, chiều cao sóng vùng ngoài khơi lớn, khi truyền vào bờ Đông Bắc và bờ Đông bị khúc xạ mạnh, gây sóng vỡ dữ dội sát bờ tại các mặt cắt MC12 đến MC16 với chiều cao sóng $H_s > 3{,}5\text{ m}$.
    • Trận bão thiết kế hướng Tây Nam: Sóng thiết kế tần suất $P = 2%$, tác động chủ yếu vào sườn Tây và Nam đảo.
  • Đề xuất giải pháp công trình giảm sóng:
    • Tuyến công trình được định hướng bố trí cách bờ ngoài phạm vi vùng sóng vỡ nhằm tiêu tán năng lượng sóng trước khi truyền vào đường bờ.
    • Kết cấu sử dụng khối phủ Haro đúc sẵn, lõi đá hộc và tầng đệm đá dăm đặt trên nền san hô/đá gốc.
    • So sánh 3 phương án cao trình đỉnh đê qua hệ số truyền sóng $K_t$ và đánh giá đa tiêu chí:
      1. Phương án CT1: Đê nổi, cao trình đỉnh $Z_đ = +3{,}00\text{ m}$, hệ số giảm sóng cao nhất nhưng cản trở cảnh quan và chi phí lớn.
      2. Phương án CT2: Đê bán ngầm/đỉnh ngang mực nước, cao trình $Z_đ = +0{,}00\text{ m}$.
      3. Phương án CT3: Đê ngầm, cao trình đỉnh $Z_đ = -1{,}00\text{ m}$, cho phép trao đổi nước tốt, bảo tồn cảnh quan và bãi tắm.
  • Mô phỏng đánh giá hai phương án bố trí hệ thống đê giảm sóng:
    • Kịch bản HT01: Hệ thống đê giảm sóng liên tục chạy dọc bờ Đông và Đông Bắc.
    • Kịch bản HT02: Hệ thống 11 đoạn đê giảm sóng ngầm/bán ngầm phân đoạn (có các cửa mở xen kẽ để lưu thông dòng chảy, tàu thuyền nhỏ và trao đổi bùn cát).
    • Kết quả so sánh tại các mặt cắt trọng điểm (MC13, MC14): Cả hai phương án HT01 và HT02 đều làm giảm đáng kể chiều cao sóng $H_s$ và triệt tiêu chu kỳ sóng dài nguy hiểm so với hiện trạng HT00. Phương án đê phân đoạn HT02 bảo đảm hệ số giảm sóng trên 50–60% trong khi duy trì điều kiện thủy động lực trao đổi môi trường nước tự nhiên quanh đảo.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xác lập quy trình và phương pháp tính toán mô phỏng liên hoàn trường sóng truyền từ biển sâu vào vùng nước nông quanh đảo hải ngoại bằng việc tích hợp mô hình phổ MIKE 21-SW và mô hình phân giải pha MIKE 21-BW có kiểm định thực tế.
  2. Ứng dụng thành công công nghệ viễn thám kết hợp thuật toán DSAS và các chỉ số mNDWI, WFI để định lượng diễn biến xói lở - bồi tụ đường bờ đảo Phú Quý trong chuỗi thời gian 20 năm (2000–2020), làm rõ cơ chế tương tác thủy động lực học sóng - bờ đảo đặc thù ở vùng biển Nam Trung Bộ.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ dữ liệu chi tiết về đặc trưng trường sóng, chiều cao sóng $H_s$, chu kỳ đỉnh phổ $T_p$ tại 24 mặt cắt ven bờ đảo Phú Quý trong điều kiện gió mùa và bão thiết kế cực đoan ($P = 2%$).
  2. Xác định chính xác các phân đoạn bờ biển có nguy cơ xâm thực nghiêm trọng nhất tại sườn Đông và Đông Bắc đảo.
  3. Đề xuất giải pháp công trình giảm sóng bảo vệ bờ bằng hệ thống 11 tuyến đê giảm sóng phân đoạn sử dụng khối phủ Haro, xác định tối ưu cao trình đỉnh đê ($Z_đ = +0{,}00\text{ m}$ đến $-1{,}00\text{ m}$), vừa đáp ứng yêu cầu tiêu tán năng lượng sóng, vừa giữ gìn cảnh quan du lịch và hệ sinh thái rạn san hô.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Khuyến nghị các cơ quan chức năng ưu tiên đầu tư xây dựng hệ thống đê giảm sóng ngầm/bán ngầm phân đoạn tại khu vực bờ Đông và Đông Bắc đảo Phú Quý.
  • Quản lý chặt chẽ các hoạt động đào đắp bãi san hô làm hồ nuôi thủy sản tự phát; kết hợp giải pháp công trình ngầm giảm sóng ngoài khơi với việc phục hồi bãi cát tự nhiên ven bờ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án tập trung chủ yếu vào việc mô phỏng động lực học trường sóng và đánh giá tương tác sóng - công trình trong các kịch bản thời tiết cực đoan và bão thiết kế; các quá trình tương tác liên hợp 3 chiều đồng thời giữa sóng, dòng chảy triều và vận chuyển bùn cát đáy chưa được mô phỏng liên tục trong dài hạn do hạn chế về nguồn số liệu quan trắc địa chất đáy chi tiết.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu mô phỏng hình thái đáy 3D dài hạn; quan trắc bổ sung trường dòng chảy ven bờ quanh đảo; nghiên cứu sâu hơn về tác động cộng hưởng của nước biển dâng kết hợp triều cường cực đoan trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu đến độ ổn định của hệ thống công trình giảm sóng ngầm.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên và giảng viên: Tài liệu tham khảo cho chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Kỹ thuật bờ biển và Hải dương học về quy trình ứng dụng kết hợp ảnh viễn thám Landsat (DSAS) và bộ mô hình số trị MIKE (SW, BW) trong bài toán động lực học sóng quanh đảo xa bờ.
  • Đối với cơ quan quản lý và tư vấn thiết kế: Là cơ sở khoa học trực tiếp cho Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Thuận, Sở Nông nghiệp và PTNT, Sở Giao thông Vận tải và Ban Chỉ huy PCTT&TKCN trong việc lập quy hoạch, thẩm định và phê duyệt các dự án đầu tư xây dựng công trình bảo vệ bờ biển, cảng biển và khu neo đậu tránh trú bão tại huyện đảo Phú Quý.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp nào được sử dụng để phân tích biến động đường bờ đảo Phú Quý giai đoạn 2000–2020?
Luận án sử dụng phương pháp giải đoán ảnh viễn thám Landsat trên nền tảng Google Earth Engine (GEE) kết hợp chỉ số khác biệt nước cải biên (mNDWI) và chỉ số tần suất nước (WFI). Tốc độ biến động bồi - xói được lượng hóa bằng công cụ DSAS (Digital Shoreline Analysis System) của USGS thông qua hai chỉ số chính là tốc độ điểm đầu - điểm cuối (EPR) và tốc độ hồi quy tuyến tính (LRR) ở khoảng tin cậy 90% (LCI90).

2. Mô hình toán nào được lựa chọn để mô phỏng tương tác sóng quanh đảo Phú Quý và vai trò của từng mô hình là gì?
Luận án sử dụng bộ mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch:

  • MIKE 21-SW: Mô phỏng phổ sóng lan truyền trên diện rộng từ biển sâu vào vùng ven bờ đảo.
  • MIKE 21-BW: Mô hình sóng Boussinesq giải pha 2D trên lưới chữ nhật thu hẹp để mô phỏng chi tiết các quá trình phi tuyến: khúc xạ, nhiễu xạ, phản xạ, sóng vỡ và tương tác sóng với hệ thống đê giảm sóng quanh đảo.

3. Số liệu thực tế nào được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình sóng?
Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng chuỗi số liệu đo đạc sóng thực tế bằng máy đo sóng đặt tại vị trí P1 ngoài khơi đảo Phú Quý trong khoảng thời gian từ ngày 18/12/2012 đến ngày 03/01/2013, kết hợp với chuỗi số liệu quan trắc khí tượng hải văn 40 năm (1979–2019) tại trạm Phú Quý.

4. Giải pháp công trình giảm sóng nào được luận án đề xuất lựa chọn cho đảo Phú Quý?
Luận án đề xuất giải pháp hệ sinh thái công trình giảm sóng ngầm/bán ngầm phân đoạn (gồm 11 đoạn đê tách bờ, kịch bản HT02) sử dụng khối phủ bê tông Haro đúc sẵn, cao trình đỉnh đê lựa chọn từ $Z_đ = +0{,}00\text{ m}$ đến $-1{,}00\text{ m}$. Giải pháp này vừa bảo đảm hiệu quả tiêu tán năng lượng sóng trên 50–60%, vừa tạo điều kiện lưu thông thủy triều, tàu thuyền nhỏ và bảo vệ cảnh quan bãi tắm phục vụ du lịch.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Mai Quang Khoát đã giải quyết bài toán khoa học về tương tác thủy động lực học sóng biển với đảo Phú Quý bằng phương pháp tích hợp viễn thám đa thời gian và mô hình số trị liên hoàn MIKE 21-SW/BW. Kết quả nghiên cứu đã lượng hóa được quy luật bồi xói bờ biển trong 20 năm, làm sáng tỏ bức tranh trường sóng cực đoan quanh đảo tại 24 mặt cắt đại diện trong các kịch bản bão thiết kế. Trên cơ sở đó, giải pháp hệ thống 11 tuyến đê giảm sóng phân đoạn được đề xuất với các thông số kết cấu và cao trình đỉnh tối ưu, mang lại luận cứ kỹ thuật phục vụ quy hoạch và bảo vệ bền vững bờ đảo Phú Quý.