Tổng quan nghiên cứu
Bãi biển Nha Trang, một trong những điểm du lịch trọng điểm của tỉnh Khánh Hòa, đang phải đối mặt với tình trạng biến động và suy thoái nghiêm trọng. Theo ước tính, trong vòng 25 năm từ 1988 đến 2013, các hiện tượng xói lở, mất bãi và biến đổi địa hình dưới mặt nước đã ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích bãi tắm và chất lượng môi trường biển. Biến động bãi biển được xác định qua các quá trình xói lở, tạo ar sâu, dòng tách bờ (rip currents) và các xoáy cục bộ ven bờ, gây ảnh hưởng tiêu cực đến ngành du lịch và kinh tế địa phương. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích chế độ trường sóng vùng nước sâu và tác động của nó đến biến động – suy thoái bãi biển Nha Trang, nhằm đề xuất các giải pháp ổn định bãi biển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khu vực vịnh Nha Trang và bãi biển liền kề trong giai đoạn từ năm 1988 đến 2013, sử dụng các mô hình thủy động lực học hiện đại để mô phỏng và đánh giá. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho quản lý bờ biển, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành du lịch tại địa phương, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ mô hình trong lĩnh vực cơ kỹ thuật biển.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn áp dụng các mô hình thủy động lực học và mô hình vận chuyển bùn cát hiện đại để mô phỏng chế độ trường sóng và biến động bãi biển. Hai mô hình chính được sử dụng là:
Mô hình SWAN (Simulating WAve Nearshore): Mô hình tính toán sóng thế hệ ba, mô phỏng các tham số sóng trong vùng nước nông ven bờ dựa trên phương trình cân bằng tần số phổ sóng, bao gồm các quá trình truyền sóng, khúc xạ, nhiễu xạ, tăng trưởng và tiêu tán năng lượng sóng do gió, ma sát đáy và sóng đổ.
Hệ thống mô hình SMS (Surface-water Modeling System) gồm CMS-wave và CMS-flow: CMS-wave mô phỏng lan truyền phổ sóng trong vùng ven bờ, tính toán các ứng suất bức xạ sóng, sóng phản xạ và sóng đổ. CMS-flow mô phỏng dòng chảy thủy triều, gió, sóng và vận chuyển bùn cát dựa trên phương trình chuyển động thủy động lực học và phương trình bảo toàn bùn cát, bao gồm cả vận chuyển lơ lửng và di chuyển đáy.
Ngoài ra, mô hình SBEACH (Storm-induced BEAch Change) được sử dụng để tính toán biến đổi mặt cắt vuông góc với bờ do tác động của bão và gió mùa mạnh, dựa trên nguyên lý cân bằng động của mặt cắt bãi biển.
Các khái niệm chính bao gồm: trường sóng, vận chuyển bùn cát (VCBC), ứng suất bức xạ sóng, sóng đổ, sóng phản xạ, cân bằng động bãi biển, và các tham số thủy động lực như độ cao sóng, chu kỳ sóng, vận tốc dòng chảy.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu quan trắc thực tế về sóng, dòng chảy, địa hình đáy và bãi biển Nha Trang thu thập trong giai đoạn 1988-2013, đặc biệt là số liệu đo đạc chi tiết năm 2013 tại trạm A với độ sâu 10m. Dữ liệu sóng vùng nước sâu được lấy từ mô hình WAVEWATCH III của NOAA với tần suất 3 giờ/lần.
Phương pháp phân tích sử dụng mô hình số gồm:
Mô hình SWAN để tính toán lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào vùng ven bờ với lưới tam giác có kích thước từ 25m đến 2500m, đảm bảo độ chính xác cao trong khu vực ven bờ.
Mô hình CMS-wave và CMS-flow được kết nối hai chiều để mô phỏng đồng thời sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát trên lưới chữ nhật không đều với kích thước ô lưới nhỏ nhất 5m x 10m.
Mô hình SBEACH để mô phỏng biến đổi mặt cắt bãi biển trong các đợt bão và gió mùa mạnh.
Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2012 đến 2015, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, kiểm chứng mô hình với số liệu thực đo, tính toán các kịch bản sóng và vận chuyển bùn cát, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Chế độ trường sóng vùng nước sâu và ven bờ:
- Sóng ngoài khơi Nha Trang có chiều cao cực đại khoảng 6-7m trong mùa gió Đông Bắc và 5-6m trong mùa gió Tây Nam.
- Tần suất xuất hiện sóng theo hướng Đông Bắc chiếm 40%, Tây Nam chiếm 23%, còn lại là lặng sóng (37%).
- Độ cao sóng trung bình tại độ sâu 90m là khoảng 2-3m với chu kỳ 5-7 giây.
- Kết quả mô hình SWAN cho thấy sóng lan truyền vào vùng ven bờ có độ cao trung bình tại 15m là 1,5-2,5m, phù hợp với số liệu thực đo (sai số RMS về độ cao sóng tháng 5/2013 là 0,11m, tháng 12/2013 là 0,18m).
Biến động bãi biển dưới tác động của trường sóng thịnh hành:
- Mô hình CMS-flow và CMS-wave mô phỏng biến động địa hình bãi biển tại ba mặt cắt chính cho thấy sự xói lở rõ rệt dưới tác động của sóng hướng Đông Bắc và Đông Nam.
- Tốc độ dòng chảy cực đại tại vùng ven bờ có thể lên đến 50 cm/s, trong đó thành phần không triều đạt 25 cm/s.
- Biến động địa hình bãi biển theo mùa thể hiện rõ sự bồi tụ vào mùa khô và xói lở vào mùa mưa, với độ dốc bãi biển thay đổi từ 7° đến 8°.
Ảnh hưởng của bão và gió mùa mạnh:
- Mô hình SBEACH tính toán biến đổi mặt cắt bãi biển trong các đợt bão cho thấy mức độ xói lở có thể lên đến vài mét, đặc biệt tại các đoạn bãi không được bảo vệ.
- Khoảng 1-2 cơn bão ảnh hưởng trực tiếp đến vùng ven bờ Nha Trang mỗi năm, với sóng bão có chiều cao 8-9m và chu kỳ 12-14 giây.
Đánh giá hiệu quả mô hình và sai số:
- Sai số RMS và BIAS trong mô phỏng sóng và biến động bãi biển đều nằm trong giới hạn chấp nhận được, cho thấy mô hình phù hợp với điều kiện thực tế khu vực.
- Việc kết nối hai chiều giữa CMS-wave và CMS-flow giúp mô phỏng chính xác các tương tác sóng-dòng chảy và vận chuyển bùn cát.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chính của biến động và suy thoái bãi biển Nha Trang là do tác động phức tạp của trường sóng thịnh hành, dòng chảy ven bờ và các đợt bão mạnh. Sóng hướng Đông Bắc và Đông Nam tạo ra ứng suất bức xạ sóng lớn, kích thích quá trình vận chuyển bùn cát ra khỏi bãi, dẫn đến xói lở. Dòng chảy ven bờ với vận tốc lên đến 50 cm/s góp phần làm tăng khả năng vận chuyển bùn cát lơ lửng và di chuyển đáy.
So sánh với các nghiên cứu trong khu vực ven bờ miền Trung Việt Nam, kết quả này tương đồng với các báo cáo về biến động bãi biển chịu ảnh hưởng của gió mùa và bão. Tuy nhiên, đặc điểm địa hình phức tạp của vịnh Nha Trang với nhiều đảo lớn nhỏ làm tăng tính đa dạng của trường sóng và dòng chảy, đòi hỏi mô hình phải có độ phân giải cao và kết nối chặt chẽ giữa các yếu tố thủy động lực.
Việc sử dụng mô hình SBEACH để mô phỏng biến đổi mặt cắt bãi biển trong các đợt bão giúp dự báo chính xác mức độ xói lở và phục vụ cho công tác quản lý bờ biển. Các biểu đồ so sánh độ cao sóng tính toán và thực đo, bản đồ biến động địa hình bãi biển tại các mặt cắt, cũng như bảng thống kê tần suất sóng theo hướng và độ cao, là các công cụ trực quan hỗ trợ phân tích và ra quyết định.
Đề xuất và khuyến nghị
Xây dựng hệ thống quan trắc sóng và dòng chảy ven bờ liên tục:
- Mục tiêu: Cập nhật dữ liệu thực tế để hiệu chỉnh mô hình và theo dõi biến động bãi biển.
- Thời gian: Triển khai trong 1-2 năm đầu.
- Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường Khánh Hòa phối hợp Viện Hải dương học.
Thiết kế và thi công các công trình bảo vệ bờ biển phù hợp:
- Mục tiêu: Giảm thiểu xói lở tại các đoạn bãi trọng điểm, bảo vệ bãi tắm du lịch.
- Thời gian: 3-5 năm.
- Chủ thể thực hiện: UBND tỉnh Khánh Hòa, các đơn vị tư vấn kỹ thuật.
Áp dụng mô hình số trong quản lý và quy hoạch bờ biển:
- Mục tiêu: Sử dụng mô hình CMS-wave, CMS-flow và SBEACH để dự báo biến động bãi biển theo các kịch bản khí hậu và bão.
- Thời gian: Liên tục cập nhật và áp dụng trong 5 năm tới.
- Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học, cơ quan quản lý biển.
Tăng cường đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn:
- Mục tiêu: Đào tạo cán bộ kỹ thuật về mô hình thủy động lực học và quản lý bờ biển.
- Thời gian: Định kỳ hàng năm.
- Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Công nghệ, Viện Cơ học.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Các nhà quản lý và hoạch định chính sách biển:
- Lợi ích: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách bảo vệ bờ biển và phát triển du lịch bền vững.
- Use case: Lập kế hoạch phòng chống xói lở và quy hoạch phát triển ven biển.
Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy động lực học:
- Lợi ích: Tham khảo phương pháp mô hình hóa hiện đại và kết quả phân tích trường sóng, vận chuyển bùn cát.
- Use case: Nghiên cứu mở rộng hoặc áp dụng mô hình cho các vùng ven bờ khác.
Các kỹ sư thiết kế công trình biển:
- Lợi ích: Hiểu rõ tác động của sóng và dòng chảy đến biến động bãi biển để thiết kế công trình bảo vệ hiệu quả.
- Use case: Thiết kế kè chắn sóng, đê biển, công trình ổn định bãi.
Cộng đồng địa phương và doanh nghiệp du lịch:
- Lợi ích: Nắm bắt thông tin về biến động bãi biển để tham gia bảo vệ môi trường và phát triển du lịch bền vững.
- Use case: Hỗ trợ các hoạt động bảo vệ bãi tắm, nâng cao nhận thức cộng đồng.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao cần nghiên cứu chế độ trường sóng cho bãi biển Nha Trang?
Nghiên cứu chế độ trường sóng giúp hiểu rõ nguồn năng lượng sóng tác động đến bãi biển, từ đó dự báo biến động bãi và đề xuất giải pháp bảo vệ hiệu quả. Ví dụ, sóng Đông Bắc chiếm 40% tần suất gây xói lở nghiêm trọng.Mô hình SWAN có ưu điểm gì trong tính toán sóng ven bờ?
SWAN là mô hình thế hệ ba, mô phỏng chính xác các quá trình truyền sóng, khúc xạ, nhiễu xạ và tương tác sóng với địa hình phức tạp, phù hợp với vùng ven bờ như vịnh Nha Trang.Làm thế nào để kiểm chứng độ chính xác của mô hình?
Mô hình được kiểm chứng bằng so sánh kết quả tính toán với số liệu thực đo tại trạm A năm 2013, với sai số RMS về độ cao sóng chỉ khoảng 0,11-0,18m, cho thấy độ tin cậy cao.Tác động của bão đến biến động bãi biển như thế nào?
Bão gây sóng lớn với chiều cao 8-9m và chu kỳ 12-14 giây, làm tăng tốc độ vận chuyển bùn cát và xói lở bãi biển, đặc biệt tại các đoạn bãi không được bảo vệ.Giải pháp nào hiệu quả để ổn định bãi biển Nha Trang?
Kết hợp xây dựng công trình bảo vệ bờ, quản lý nguồn bùn cát, theo dõi quan trắc liên tục và áp dụng mô hình số để dự báo biến động, giúp giảm thiểu xói lở và duy trì bãi tắm.
Kết luận
- Đã xác định được chế độ trường sóng vùng nước sâu và ven bờ Nha Trang với sóng Đông Bắc chiếm 40% tần suất, chiều cao sóng trung bình 2-3m tại 90m độ sâu.
- Mô hình SWAN, CMS-wave và CMS-flow kết nối hiệu quả trong mô phỏng sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát, với sai số mô hình thấp so với số liệu thực đo.
- Biến động bãi biển Nha Trang chịu ảnh hưởng lớn từ trường sóng thịnh hành và các đợt bão, gây xói lở và thay đổi địa hình bãi rõ rệt.
- Mô hình SBEACH mô phỏng chính xác biến đổi mặt cắt bãi trong các đợt bão, hỗ trợ dự báo và quản lý bờ biển.
- Đề xuất xây dựng hệ thống quan trắc, công trình bảo vệ bờ, áp dụng mô hình số và nâng cao năng lực chuyên môn để ổn định và phát triển bãi biển bền vững.
Next steps: Triển khai hệ thống quan trắc liên tục, cập nhật mô hình theo dữ liệu mới, thực hiện các công trình bảo vệ bờ và đào tạo nhân lực chuyên sâu.
Call to action: Các nhà quản lý, chuyên gia và cộng đồng cần phối hợp chặt chẽ để bảo vệ và phát triển bãi biển Nha Trang, góp phần phát triển kinh tế xã hội bền vững.