Tổng quan về luận án

Bãi biển Cửa Đại (thành phố Hội An, tỉnh Quảng Nam) giữ vị trí chiến lược thuộc dải bờ biển miền Trung trải dài từ chân bán đảo Sơn Trà (Đà Nẵng) đến Cửa Lở (Núi Thành). Từng được nhiều bảng xếp hạng du lịch quốc tế vinh danh là một trong những bãi biển đẹp hàng đầu châu Á, khu vực này sở hữu chuỗi resort và hạ tầng nghỉ dưỡng cao cấp tạo nguồn thu ngân sách trọng yếu cho địa phương. Tuy nhiên, từ năm 2009 đến nay, dải bờ biển phía Bắc Cửa Đại liên tục đối mặt với thảm họa xói lở nghiêm trọng dưới tác động của các hình thái thời tiết cực đoan như bão nhiệt đới, áp thấp và gió mùa Đông Bắc. Mặc dù hàng trăm tỷ đồng đã được đầu tư để xây dựng đê kè bảo vệ, các công trình này phần lớn không phát huy được hiệu quả bền vững: sóng bão tràn qua đỉnh kè, gây sạt lở chân đụn cát tự nhiên và phá hủy kết cấu hạ tầng phía sau.

Nghiên cứu của Lê Đình Mẫu (2015) đã khẳng định: "từ những năm 1965 trở lại đây vùng ven biển Cửa Đại, Hội An hiện tượng xói lở luôn chiếm ưu thế hơn hiện tượng bồi tụ và cường độ xói lở ngày càng gia tăng, đường bờ ngày càng lấn sâu vào trong đất liền". Tiếp đó, đề tài KH&CN do Nguyễn Kim Đan và Nguyễn Trung Việt (2016–2017) chủ trì đã xác định ba tác nhân cốt lõi: "thiếu hụt bùn cát, do thay đổi hướng sóng, do tác động từ xây dựng công trình trong khu vực". Song song, Nguyễn Ngọc Thể (2016–2017) chỉ ra rằng "các công trình được xây dựng không phát huy hiệu quả trong bão, trong bão hiện tượng xói lở nghiêm trọng thường xảy ra ở vùng bãi cao và chân đụn cát ven bờ". Khoảng trống nghiên cứu (research gap) then chốt là sự thiếu vắng các nghiên cứu thực nghiệm định lượng về thành phần nước dâng do sóng (NDDS – Wave Setup) trong điều kiện bão và gió mùa cực đoan, cũng như cơ chế NDDS kích hoạt xói lở bãi cao và sụt đổ đụn cát ven bờ.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình Biển (mã số: 9580203) của NCS. Nguyễn Ngọc Thể, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Trần Thanh Tùng và GS.TS. Nguyễn Trung Việt tại Trường Đại học Thủy Lợi (2021), đã giải quyết triệt để khoảng trống này. Nghiên cứu đặt ra hai câu hỏi và giả thuyết khoa học cốt lõi:

  • Câu hỏi 1 (RQ1): Cơ chế thủy động lực và độ lớn phân bố của nước dâng do sóng (NDDS) ven bờ Cửa Đại trong điều kiện thời tiết cực đoan diễn ra như thế nào khi được đo đạc trực tiếp bằng công nghệ quang học hiện đại?
    • Giả thuyết 1 (H1): Nước dâng do sóng đóng góp tỷ trọng đáng kể vào mực nước cực trị tổng cộng ven bờ ($TWL$), làm dịch chuyển đới sóng vỡ và vùng sóng tràn (swash zone) vươn sâu vào chân đụn cát.
  • Câu hỏi 2 (RQ2): Quy luật biến động bãi biển và cơ chế xói lở bãi cao dưới tác động đồng thời của sóng bão, triều và NDDS có đặc tính gì, và mô hình công trình giảm sóng xa bờ nào tối ưu hóa được việc ổn định đường bờ?
    • Giả thuyết 2 (H2): Tổ hợp công trình đê ngầm giảm sóng xa bờ kết hợp nuôi bãi nhân tạo sẽ triệt tiêu hiệu ứng NDDS tại bờ, kiểm soát vận chuyển bùn cát ngang bờ và tái lập bãi bồi cân bằng dạng tombolo.

Khung lý thuyết của nghiên cứu tích hợp lý thuyết ứng suất bức xạ sóng của Longuet-Higgins & Stewart (1962, 1964), lý thuyết hình thái động lực vùng sóng tràn (Masselink & Puleo, 2006; Butt & Russell, 1999) và mô hình hóa lan truyền sóng - xói lở bờ biển thông qua bộ đôi phần mềm SWAN và XBEACH. Không gian nghiên cứu bao phủ dải bờ biển dài 7,6 km từ cửa sông Cửa Đại đến hết bãi tắm An Bàng, kế thừa chuỗi dữ liệu bão giai đoạn 1979–2020 kết hợp các chiến dịch quan trắc thực địa chi tiết trong các cơn bão mạnh (điển hình như bão Sarika 2016 và bão Doksuri 2017).

Literature Review và Positioning

Lịch sử nghiên cứu thủy động lực học sóng ven bờ bắt đầu từ công trình kinh điển của Longuet-Higgins & Stewart (1962, 1964), đưa ra khái niệm ứng suất bức xạ ($S_{xx}, S_{yy}, S_{xy}$) để mô tả sự biến thiên của động lượng sóng truyền vào vùng nước nông. Sự suy giảm năng lượng sóng khi vỡ sinh ra một gradient ứng suất bức xạ, tạo ra hiện tượng hạ thấp mực nước trước đới sóng vỡ (wave setdown) và làm dâng cao mực nước trung bình từ đới sóng vỡ vào đến mép nước (wave setup - NDDS). Bowen et al. (1968) đã kiểm chứng thực nghiệm lý thuyết này trong phòng thí nghiệm máng sóng, xác nhận sự phù hợp giữa tính toán giải tích và biến thiên mực nước thực tế.

Trong các thập kỷ tiếp theo, hai luồng quan điểm và phương pháp tiếp cận chính đã xuất hiện trong y văn quốc tế:

  1. Trường phái công thức thực nghiệm và quan trắc hiện trường: Hanslow & Nielsen (1993) phát triển công thức ước tính NDDS cực đại $\eta_{max} = 0,048 \sqrt{H_0 L_0}$ từ chuỗi đo đạc bãi biển tự nhiên có sóng lớn trên 4,2 m. Stockdon et al. (2006) tổng hợp dữ liệu từ 10 bãi biển toàn cầu để đề xuất công thức tính NDDS cho bãi biển tự nhiên $\eta = 0,35 \beta_f \sqrt{H_0 L_0}$ (với $\beta_f$ là độ dốc bãi) và cho bãi biển có công trình $\eta = 0,043 \sqrt{H_0 L_0}$. King et al. (1990) tại bãi biển Woolacombe (Anh) chỉ ra tỷ số nước dâng so với chiều cao sóng vỡ nằm trong khoảng $0,11 \le \eta / H_{rms} \le 0,15$.
  2. Trường phái ghép nối mô hình số trị thủy động lực quy mô lớn: Funakoshi et al. (2008) kết hợp mô hình hoàn lưu ADCIRC và mô hình sóng SWAN, đánh giá NDDS đóng góp từ 10% đến 15% vào mực nước cực trị trong bão. Đột phá hơn, nghiên cứu của Chen et al. (2008) mô phỏng siêu bão Katrina (2005, Hoa Kỳ) đã chứng minh các hiệu ứng sóng ven bờ và NDDS chiếm tới 80% độ cao mực nước cực trị tổng cộng, trong khi nước dâng do gió và áp suất khí quyển chỉ đóng góp 20%.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về nước dâng trong bão được tiến hành từ thập niên 1970 (Lê Phước Trình, 1970; Trần Kỳ, 1970; Đỗ Ngọc Quỳnh, 1982; Bùi Xuân Thông, 2000). Các đề tài cấp Nhà nước do Viện Cơ học chủ trì và dự án hợp tác Việt - Trung đã ghi nhận sự sai lệch lớn giữa mực nước dâng tổng cộng thực tế tại vùng ven bờ so với trạm hải văn Hòn Dấu, xác nhận sự hiện diện của NDDS. Nghiên cứu của Nguyễn Xuân Hiển (2013) tại Hải Phòng và Đỗ Đình Chiến (2014) với mô hình SuWAT trong bão Xangsane (2006) tại Đà Nẵng đã chỉ ra NDDS có thể chiếm từ 20% đến 35% tổng lượng nước dâng. Vũ Hải Đăng et al. (2017) tiếp tục làm rõ vai trò của ứng suất gió và sóng trong bão Xangsane. Lê Thanh Bình (2014) ứng dụng công nghệ video camera để xác định đặc trưng sóng tại Nha Trang; Raimundo Ibaceta & Rafael Almar (2015) tại Grand Popo (Benin) sử dụng Lidar quan sát quá trình tiêu tán sóng.

Định vị của luận án này: Mặc dù các nghiên cứu đi trước tại Hội An (Lê Đình Mẫu, 2003, 2012; Huỳnh Công Hoài et al., 2018; Vũ Minh Cát, 2013) đã phác thảo bức tranh biến động đường bờ và chỉ ra "cơ chế VCBC ngang bờ trong bão chiếm ưu thế hơn VCBC dọc bờ" (Lê Đình Mẫu, 2012), hầu hết các nghiên cứu trong nước trước đây chỉ kiểm định mô hình số trị bằng phương pháp hồi quy vết nước ngập thụ động để lại trên bờ sau bão, dẫn tới độ bất định cao. Luận án của Nguyễn Ngọc Thể là công trình tiên phong tại Việt Nam tích hợp hệ thống quan trắc quang học video camera độ phân giải cao kết hợp hệ cọc tiêu chia vạch trực tiếp trong bão thời gian thực (bão Doksuri 2017), tạo ra bước nhảy vọt về độ chính xác khi hiệu chỉnh và kiểm định mô hình hình thái động lực XBEACH.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng lý thuyết hình thái động lực học vùng bờ của Short (1999) và Masselink & Puleo (2006) thông qua việc làm sáng tỏ cơ chế tương tác phi tuyến giữa ba yếu tố: triều cường, nước dâng khí tượng và nước dâng do sóng (NDDS).

Nghiên cứu chứng minh rằng NDDS không chỉ đơn thuần là sự nâng cao mực nước tĩnh, mà là động lực chính làm thay đổi vị trí tác động thủy lực:

  1. Chuyển dịch đới sóng vỡ: NDDS làm tăng độ sâu cục bộ tại vùng nước nông sát mép nước, cho phép các con sóng bão có chiều cao lớn tiến sâu hơn vào bờ mà không bị vỡ sớm ở ngoài xa.
  2. Cơ chế xói lở chân đụn cát: Khi mực nước dâng cao kết hợp với dao động sóng tràn trong bão, chân các đụn cát (dune toe) bị sóng bào mòn trực tiếp, hình thành các rãnh xói hàm ếch. Hiện tượng này dẫn tới ứng suất kéo vượt ngưỡng cắt của khối cát không bão hòa, kích hoạt sự sụp đổ trượt phẳng và cuốn trôi bùn cát ra biển theo dòng rút đáy (undertow) để tạo thành các thanh bãi cát (bar chắn) ngầm ngoài khơi.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án kết hợp đa tầng 4 trụ cột lý thuyết và công cụ hiện đại:

  • Lý thuyết bức xạ động lượng sóng: Mô tả gradient ứng suất $S_{xx}$ theo phương vuông góc với bờ $\frac{\partial S_{xx}}{\partial x} = -\rho g (h + \bar{\eta}) \frac{\partial \bar{\eta}}{\partial x}$.
  • Chuỗi mô hình số trị lồng ghép (Nested Modeling Architecture): Sử dụng mô hình phổ sóng SWAN (Simulating Waves Nearshore) cho vùng biển rộng để tính toán lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào vùng ven bờ, sau đó truyền điều kiện biên phổ sóng và trường mực nước vào mô hình XBEACH (eXtreme Beach behavior model).
  • Thuật toán xử lý ma trận hình ảnh RGB: Xây dựng quy trình trích xuất tín hiệu không gian màu RGB từ chuỗi video camera ghi lại dao động mực nước trên hệ thống 6 cọc tiêu (C1–C6) tại bãi tắm khách sạn Agribank Hội An.
  • Điều kiện biên giới hạn: Khung phân tích được giới hạn chặt chẽ trong điều kiện chế độ triều hỗn hợp thiên về nhật triều với biên độ nhỏ của vịnh Đà Nẵng - Quảng Nam, đặc trưng bùn cát đáy bãi biển Cửa Đại với đường kính hạt $D_{50} = 0,22 \div 0,35 \text{ mm}$, và các kịch bản sóng bão Đông Bắc cực đoan.
[Trường gió & Khí áp NCEP / JMA]
[Đánh giá biến động bãi biển tự nhiên]    [Mô phỏng 4 phương án công trình]
- Mức độ hạ thấp cao trình mặt bãi        - Đê ngầm giảm sóng tách bờ (Ld, X)
- Chiều rộng xói lở chân đụn cát          - Kè mỏ hàn kết hợp nuôi bãi
- Cân bằng bùn cát ngang bờ               - Tái lập bãi bồi Tombolo

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ triệt để triết lý thực chứng (positivism) và phương pháp luận kỹ thuật bờ biển hiện đại. Thiết kế nghiên cứu là sự kết hợp đa phương pháp (triangulation): nghiên cứu phân tích tổng quan lý thuyết, đo đạc thực nghiệm quan trắc hiện trường trong bão và mô phỏng số trị thủy thạch động lực chi tiết.

Phạm vi địa lý bao phủ toàn bộ 7,6 km bờ biển phía Bắc Cửa Đại. Hệ thống lưới tính toán thủy động lực học được xây dựng trên nền bình đồ địa hình số hóa đáy biển tỷ lệ 1/100.000 (Viện Hải dương học Nha Trang, 2015) kết hợp bình đồ chi tiết dưới nước tỷ lệ 1/5.000 (đường đồng mức 2 m) và trên cạn tỷ lệ 1/2.000 (đường đồng mức 1 m) đo đạc tháng 10/2016, nội suy lưới trực giao kích thước $15 \text{ m} \times 15 \text{ m}$.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập và xử lý dữ liệu thực địa tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt:

  • Đo đạc trắc địa và địa hình đáy: Sử dụng máy toàn đạc điện tử Leica TS02 với độ chính xác đo cạnh $[3\text{ mm} + 2\text{ ppm} \times D]$ và độ chính xác đo góc $\pm 2''$, kết hợp máy đo sâu hồi âm đơn tia Garmin. Lập 2 trắc diện quan trắc trọng điểm: MCN-01 (đo kéo dài ra độ sâu $h > 10\text{ m}$ qua các mùa gió giai đoạn 03/2016 – 03/2017) và MCN-02 (đo tần suất dày trước, trong và sau bão Sarika tháng 10/2016).
  • Quan trắc hải văn tầng sâu: Lắp đặt các máy đo sóng và dòng chảy chuyên dụng AWAC (Nortek) và AQUAPRO tại các trạm ngoài khơi SMS01 (phía Bắc Cửa Đại, độ sâu $-4,0\text{ m}$ đến $-6,0\text{ m}$) và trạm SMS02 (trước cửa sông Cửa Đại, độ sâu $-6,0\text{ m}$). Trạm dòng chảy tầng đáy SCRI đặt tại độ sâu $-1,8\text{ m}$.
  • Quan trắc dao động mực nước liên tục: Sử dụng cảm biến áp suất tự ghi Level TROLL 500 (In-Situ, Hoa Kỳ) đặt cố định tại cầu cảng Đồn Biên phòng Cửa Đại ($15^\circ 52' 33''\text{ N}, 108^\circ 23' 20''\text{ E}$), tần suất thu mẫu 10 phút/lần liên tục từ tháng 12/2015 đến tháng 03/2017, phân tích trích xuất 68 hằng số điều hòa triều.
  • Kỹ thuật trích xuất NDDS bằng Video Camera: Trong bão Doksuri (12–15/09/2017), bố trí hệ thống camera kỹ thuật số độ phân giải cao đối chiếu với hệ thống 6 cọc tiêu cắm vuông góc với đường bờ tại bãi tắm khách sạn Agribank. Mỗi đợt quan sát (obs) ghi hình liên tục từ 500 đến 700 giây (10–15 phút), thu nhận trên 100 chu kỳ sóng liên tiếp. Thuật toán xử lý ảnh tách biệt đường biên tiếp xúc nước - cọc qua phổ màu RGB, tính toán sai số pixel chuyển đổi sang tọa độ thực địa với sai số độ dài $< 1,5\text{ cm}$.

Data và phân tích

  • Phân tích bão lịch sử: Thống kê 83 cơn bão ảnh hưởng đến dải bờ biển Quảng Nam (1979–2020) từ cơ quan khí tượng Nhật Bản JMA và NCEP cho thấy bão tập trung chủ yếu vào tháng 9 và tháng 10, chiếm tỷ lệ $60,24%$. Cơn bão mạnh nhất ngoài khơi đạt cấp 13 (bão Doksuri 2017), khi đổ bộ vào bờ suy giảm duy trì cấp 9–10.
  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình SWAN: Dữ liệu sóng đo đạc tại SMS01 và SMS02 trong đợt 1 (10/2016) dùng để hiệu chỉnh và đợt 2 (03/2017) dùng để kiểm định. Kết quả kiểm định cho thấy hệ số tương quan $R^2 > 0,88$, sai số tuyệt đối trung bình chiều cao sóng $H_s < 0,15\text{ m}$, chu kỳ sóng đỉnh $T_p < 0,8\text{ s}$ và hướng sóng lệch $< 12^\circ$.
  • Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình XBEACH: Tích hợp đồng thời dữ liệu sóng, mực nước triều trạm Sơn Trà, NDDS từ video camera và trắc diện mặt cắt địa hình thực tế tại bãi Agribank trong bão Doksuri. Các tham số ma sát đáy, hệ số tiêu tán sóng đổ ($\gamma = 0,55 \div 0,60$) và thông số sạt lở đụn cát ($facua = 0,15$, $wetslp = 0,3$) được tối ưu hóa, mang lại chỉ số Brier Skill Score (BSS) đạt mức $0,72 \div 0,81$ (độ chính xác tốt đến tuyệt hảo).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

  1. Định lượng chính xác đóng góp của NDDS trong bão: Tại khu vực ven bờ Cửa Đại trong bão Doksuri (2017), chiều cao sóng ngoài khơi đạt $H_s > 5,0\text{ m}$, khi truyền vào sát bờ nước nông còn $H_s > 3,0\text{ m}$. Kết quả trích xuất quang học và mô hình hóa chỉ ra giá trị NDDS cực đại tại mép nước đạt từ $0,65\text{ m}$ đến $0,82\text{ m}$, đóng góp từ $25%$ đến $38%$ vào mực nước dâng tổng cộng trong bão ($TWL$).
  2. Quy luật biến động bãi biển theo mùa và cơ chế xói lở bãi cao: Phân tích dữ liệu trắc diện MCN-01 và MCN-02 xác nhận quy luật: bãi biển xói lở dữ dội vào mùa gió Đông Bắc (tháng 9 đến tháng 3 năm sau) và bồi tụ phục hồi một phần vào mùa gió Tây Nam (tháng 4 đến tháng 8). Tuy nhiên, tổng lượng bồi phục hồi chỉ bù đắp được khoảng $40\div 50%$ lượng cát bị xói, khiến đường bờ trung bình thoái lui liên tục $15\div 25\text{ m/năm}$.
  3. Vai trò phá hủy của NDDS đối với chân đụn cát: Khi so sánh kịch bản bão có xét NDDS (Kịch bản 1 - KB1) và không xét NDDS (Kịch bản 3 - KB3) trên mô hình XBEACH:
    • Tại mặt cắt CD04 (bãi tự nhiên chưa có kè), sự xuất hiện của NDDS làm tăng chiều sâu xói lở mặt bãi từ $1,2\text{ m}$ lên $2,1\text{ m}$ (tăng $75%$), đồng thời làm chiều rộng xói lấn sâu vào đụn cát từ $18\text{ m}$ lên $34\text{ m}$ (tăng $88,8%$).
    • Tại các mặt cắt đã có kè cứng (CD01, CD02), NDDS làm mực nước dâng vượt qua đỉnh công trình, làm gia tăng chiều sâu hố xói chân kè từ $0,8\text{ m}$ lên $1,65\text{ m}$, dẫn tới nguy cơ trượt đổ toàn bộ mái kè nghiêng.
  4. Hiện tượng dòng chảy rút xa bờ (Rip Current) cục bộ: Dưới tác động của NDDS kết hợp địa hình đáy phân bố bar cát không đồng đều, các luồng dòng chảy rút đáy cục bộ hình thành với vận tốc đạt $0,8 \div 1,2\text{ m/s}$, không chỉ cuốn trôi trầm tích mịn ra ngoài đới sóng vỡ mà còn tạo ra các cạm bẫy đuối nước nguy hiểm cho hoạt động tắm biển.

Implications đa chiều

  • Về mặt lý thuyết và học thuật: Cung cấp bộ dữ liệu thực chứng khẳng định vai trò sống còn của ứng suất bức xạ sóng trong bài toán động lực học vùng bờ tại các vịnh biển có chế độ nhật triều nhỏ, khắc phục các giả định đơn giản hóa xem nhẹ NDDS trong các tiêu chuẩn thiết kế đê biển truyền thống.
  • Về mặt phương pháp luận: Chuẩn hóa quy trình quan trắc video camera đa điểm kết hợp xử lý ảnh ma trận RGB, cung cấp một giải pháp kỹ thuật chi phí thấp nhưng có độ tin cậy và an toàn tuyệt đối cho nghiên cứu sóng và mực nước trong bão nhiệt đới.
  • Về mặt thực tiễn và giải pháp công trình: Nghiên cứu đã mô phỏng đánh giá 4 phương án công trình bảo vệ bờ biển Cửa Đại trên mô hình XBEACH. Kết quả lựa chọn Phương án bố trí tuyến đê ngầm giảm sóng xa bờ kết hợp kè mỏ hàn và nuôi bãi nhân tạo:
    • Tuyến đê ngầm đặt tại độ sâu $-4,0\text{ m}$ đến $-5,0\text{ m}$, cách đường bờ $250\div 300\text{ m}$, đỉnh đê ngập dưới mực nước tĩnh $-0,5\text{ m}\div -1,0\text{ m}$.
    • Công trình làm giảm từ $55%$ đến $70%$ năng lượng sóng truyền vào bờ, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng NDDS tại bãi cao, thúc đẩy bồi lắng trầm tích tạo thành các dạng bãi bồi tombolo ổn định, bảo vệ cảnh quan du lịch sinh thái nguyên vẹn.

Limitations và Future Research

  • Hạn chế về số lượng điểm đo camera đồng thời: Do điều kiện cuồng phong nguy hiểm trong bão Doksuri 2017, hệ thống camera mới chỉ được triển khai tập trung tại trắc diện bãi tắm khách sạn Agribank, chưa phủ kín đồng thời toàn bộ 7,6 km đường bờ.
  • Mô hình bùn cát đơn hạt ($D_{50}$): Mô hình hình thái động lực XBEACH hiện tại giả định cấp phối hạt đồng nhất đại diện, chưa tính toán chi tiết sự phân lớp trầm tích hỗn hợp giữa cát mịn ven bờ và bùn hữu cơ từ hạ lưu sông Thu Bồn đẩy ra trong mùa lũ.
  • Tác động biến đổi khí hậu dài hạn: Luận án tập trung vào các kịch bản bão chu kỳ lặp ngắn và trung bình ($10\div 50\text{ năm}$), chưa tích hợp đầy đủ kịch bản nước biển dâng dài hạn theo RCP 8.5 đến năm 2100 kết hợp suy giảm bùn cát do hệ thống thủy điện thượng nguồn bậc thang sông Vu Gia - Thu Bồn.

Định hướng nghiên cứu tiếp theo:

  1. Mở rộng mạng lưới camera AI thông minh tự động truyền dữ liệu thời gian thực dọc toàn tuyến ven biển miền Trung.
  2. Ứng dụng mô hình 3D đa pha (như Delft3D-FM hoặc FLOW-3D) để mô phỏng tương tác sóng - cấu trúc đê ngầm rỗng xốp có tính đến vận chuyển bùn cát đa cấp hạt.
  3. Nghiên cứu tích hợp cân bằng bùn cát toàn lưu vực sông - bờ biển nhằm đánh giá ảnh hưởng của các hồ chứa thủy điện thượng lưu đối với cán cân trầm tích bãi biển Hội An.

Tác động và ảnh hưởng

  • Tác động học thuật: Luận án tạo tiền đề cho các hướng nghiên cứu kết hợp đo đạc viễn thám quang học và mô hình số trị tại các cơ sở đào tạo chuyên ngành Công trình Biển, Hải dương học và Quản lý Bờ biển (Trường Đại học Thủy Lợi, Viện Cơ học, Đại học Quốc gia Hà Nội).
  • Chuyển đổi thực tiễn ngành xây dựng công trình thủy: Chấm dứt tư duy áp dụng giải pháp kè cứng áp sát bờ vốn gây xói sâu chân công trình; chuyển đổi mô hình sang đê ngầm giảm sóng tiêu năng từ xa kết hợp nuôi bãi nhân tạo thân thiện môi trường.
  • Đóng góp chính sách và quy hoạch: Cung cấp cơ sở khoa học chính xác cho UBND tỉnh Quảng Nam, Ban Quản lý Dự án ĐTXD các công trình Nông nghiệp & PTNT tỉnh Quảng Nam trong việc phê duyệt dự án tổng thể bảo vệ bờ biển Hội An trị giá hàng nghìn tỷ đồng từ nguồn vốn ODA và ngân sách Nhà nước.
  • Bảo tồn di sản và an sinh xã hội: Giữ vững bãi cát du lịch, bảo vệ tính mạng và sinh kế cho hàng chục nghìn hộ dân ven biển phường Cửa Đại, Cẩm An; bảo tồn không gian đệm sinh thái của Khu Dự trữ Sinh quyển Thế giới Cù Lao Chàm – Hội An.

Đối tượng hưởng lợi

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Cung cấp quy trình mẫu chuẩn mực về nghiên cứu thực nghiệm ven bờ kết hợp lồng ghép mô hình SWAN - XBEACH.
  • Các nhà khoa học và chuyên gia công trình thủy: Kế thừa bộ cơ sở dữ liệu hải văn - địa hình đo đạc đồng bộ tại bãi biển Cửa Đại qua nhiều năm để phát triển các thuật toán mô phỏng mới.
  • Các doanh nghiệp lữ hành và khu nghỉ dưỡng ven biển: Hưởng lợi trực tiếp từ việc bãi biển được tái tạo ổn định, không còn cảnh tượng sụp đổ bờ kè bê tông gây mất an toàn và phá hủy cảnh quan.
  • Nhà quản lý đô thị và quy hoạch biển: Có căn cứ xác lập hành lang bảo vệ bờ biển, quy định cao trình xây dựng hạ tầng tối thiểu có tính đến thành phần nước dâng do sóng cực trị.

Câu hỏi chuyên sâu

  1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?
    Trả lời: Luận án mở rộng trực tiếp lý thuyết ứng suất bức xạ sóng của Longuet-Higgins & Stewart (1964) và lý thuyết xói lở đụn cát của Masselink & Puleo (2006) khi định lượng hóa chính xác cơ chế NDDS làm nâng cao mặt nước vùng sóng tràn, đẩy đới sóng vỡ sát vào chân đụn cát ven bờ Cửa Đại, biến đổi hoàn toàn cơ chế phá hủy từ xói ngầm đáy sang xói hàm ếch và sụt lở trượt phẳng đụn cát trong bão.

  2. Cải tiến phương pháp luận so với ít nhất 2 nghiên cứu quốc tế trước đây như thế nào?
    Trả lời: So với phương pháp hồi quy vết nước ngập sau bão truyền thống của Chen et al. (2008) hay đo đạc đơn điểm bằng máng sóng phòng thí nghiệm của Bowen et al. (1968), luận án đã cải tiến vượt bậc bằng việc thiết lập quy trình quan trắc quang học video camera ghi hình trên 100 con sóng liên tục đối chiếu hệ 6 cọc tiêu chia vạch trực tiếp trong tâm bão thực tế (bão Doksuri 2017), cho phép trích xuất dao động mực nước tức thời với sai số không gian $< 1,5\text{ cm}$, làm nguồn dữ liệu kiểm chuẩn chính xác cho mô hình XBEACH.

  3. Phát hiện nào gây bất ngờ nhất và có bằng chứng số liệu chứng minh?
    Trả lời: Phát hiện bất ngờ nhất là tại bãi tự nhiên Cửa Đại, khi có sự tham gia của NDDS ($0,65 \div 0,82\text{ m}$), chiều sâu xói lở bãi tăng tới $75%$ (từ $1,2\text{ m}$ lên $2,1\text{ m}$) và phạm vi xói lấn sâu vào đụn cát tăng tới $88,8%$ (từ $18\text{ m}$ lên $34\text{ m}$) so với kịch bản chỉ có sóng và triều đơn thuần (chênh lệch giữa kịch bản KB1 và KB3 tại mặt cắt CD04). Điều này chứng minh NDDS là thủ phạm chính gây mất bãi chứ không phải triều cường.

  4. Luận án có cung cấp quy trình tái lặp nghiên cứu (Replication Protocol) hoàn chỉnh không?
    Trả lời: Có. Luận án mô tả chi tiết từng bước: từ thiết lập hệ thống cọc tiêu, thông số đặt camera, tần suất ghi hình $10\div 15\text{ phút/obs}$, thuật toán đọc tín hiệu ma trận màu RGB trên mặt cắt, đến cấu hình tệp tham số hiệu chỉnh mô hình SWAN/XBEACH (hệ số ma sát, chỉ số sóng vỡ $\gamma = 0,55\div 0,60$, $facua = 0,15$, $wetslp = 0,3$).

  5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được định hình như thế nào?
    Trả lời: Tập trung vào 3 trọng tâm: (1) Phát triển hệ thống camera AI kết nối mạng nơ-ron giám sát và cảnh báo sớm xói lở thời gian thực; (2) Nghiên cứu công nghệ vật liệu sinh thái làm đê ngầm nhân tạo (như rạn san hô nhân tạo khối Geotube kết hợp bê tông xốp); (3) Xây dựng mô hình số tích hợp quản lý tổng hợp vùng bờ từ lưu vực sông Thu Bồn đến dải bờ biển Hội An dưới tác động kép của thủy điện và biến đổi khí hậu toàn cầu.

Kết luận

  1. Chuẩn hóa công nghệ thực nghiệm hiện trường: Luận án đã xây dựng thành công kỹ thuật quan trắc và quy trình phân tích nước dâng do sóng ven bờ bằng công nghệ video camera kết hợp hệ thống cọc tiêu, mở ra phương pháp đo đạc quang học chính xác cao trong điều kiện bão nguy hiểm tại Việt Nam.
  2. Xác lập cơ sở dữ liệu kiểm chuẩn tin cậy: Thiết lập bộ số liệu thực đo đồng bộ về địa hình mặt cắt ngang, sóng (máy AWAC), mực nước (Level TROLL 500) và NDDS trong các cơn bão mạnh (Sarika 2016, Doksuri 2017), làm sáng tỏ sự tương quan giữa năng lượng sóng nước sâu và mực nước dâng sát bờ.
  3. Định lượng tác động phá hủy của NDDS: Ứng dụng mô hình số trị XBEACH chứng minh NDDS đóng góp tới $25\div 38%$ mực nước dâng tổng cộng ven bờ Cửa Đại, là động lực cốt lõi kích hoạt xói sâu chân đụn cát (tăng chiều sâu xói $75%$ và mở rộng phạm vi xói $88,8%$) và gây sụp đổ các tuyến kè áp bờ hiện hữu.
  4. Đề xuất giải pháp công trình mang tính đột phá: Luận án đã khẳng định tính ưu việt của giải pháp đê ngầm giảm sóng xa bờ kết hợp kè mỏ hàn và nuôi bãi nhân tạo, giúp triệt tiêu năng lượng sóng từ xa, kiểm soát dòng bùn cát ngang bờ và tái lập bãi tắm dạng tombolo bền vững.
  5. Mở ra các hướng nghiên cứu liên ngành mới: Tạo tiền đề cho các nghiên cứu mô hình hóa xói lở bờ biển theo thời gian thực ứng dụng thị giác máy tính (Computer Vision), tích hợp chính sách quản trị tổng hợp vùng bờ biển thích ứng với thiên tai và biến đổi khí hậu tại Việt Nam.