Nghiên cứu thủy động lực học cho dự án bồi đắp bãi biển Mũi Nai, Hà Tiên, tỉnh Kiên Giang

• Tác giả: Pham Thi Han
• Người hướng dẫn: Assoc. Tran Thanh Tung
• Trường học: Thuy Loi University
• Chuyên ngành: Coastal Engineering and Management
• Đề tài: Nghiên cứu thủy động lực học phục vụ thiết kế dự án bồi đắp bãi biển Mũi Nai, Hà Tiên
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Ha Noi

• DECLARATION
• ACKNOWLEDGMENTS
• 1. CHAPTER 1: OVERVIEW OF BEACH NOURISHMENT AND STUDY AREAS
• 1.1. Introduction of beach nourishment
• 1.2. Brief description of the study area
• 1.2.1. Geographical location and natural conditions
• 1.2.2. Topography, geomorphology characteristics
• 1.2.3. Hydro-marine conditions of study area
• 1.2.4. Social and economic features
• 2. CHAPTER 2: SETUP HYDRODYNAMIC AND WAVE MODEL FOR STUDY AREA
• 2.1. Data usage for model setup, calibration and verification
• 2.2. Water levels observation and field measurement
• 2.3. Setup wave and tidal models for large domain
• 2.4. Setup hydrodynamics model for the Mui Nai
• 2.5. Model calibration
• 3. CHAPTER 3: CRITERIA FOR BEACH NOURISHMENT AND DESIGN BEACH NOURISHMENT FOR MUI NAI BEACH
• 3.1. Analysis of wave climate and wind regime for the study area
• 3.2. Criteria for beach nourishment project
• 3.2.1. Environmental criteria and landscape
• 3.2.2. Criteria of the legal framework and implemented project beach nourishments
• 3.2.3. Criteria for planning, protection, exploitation and using of coastal resource
• 3.3. Design the Mui Nai beach nourishment project
• 3.3.1. Design beach nourishment profile
• 3.3.2. Volume of sand fill and sand composition
• 3.3.3. Computation lifetime for the Mui Nai beach nourishment project
• 3.3.4. Estimation of annual alongshore sediment transport for study area
• 3.3.5. Computation lifetime of the Mui Nai beach nourishment project
• 4. CHAPTER 4: DESIGN BEACH NOURISHMENT IN COMBINATION WITH SUBMERGED GEOTUBE FOR THE MUI NAI BEACH
• 4.1. Design draft layout for submerged geotube
• 4.1.1. Criteria proposed plan
• 4.1.2. Technical solutions is proposed
• 4.1.3. Design layout for submerged geotubes
• 4.1.4. The parameters design layout of submerged geo-tube for beach nourishment
• 4.2. Simulation waves pattern with and without submerged geotube
• 4.2.1. Simulation scenarios for waves
• 4.2.2. Simulation results and analysis
• 4.3. Estimated sediment loss behind submerged geo-tube
• 4.3.1. Simulation flow pattern with and without submerged geotube
• 4.3.2. Simulation scenarios for tide and wave
• 4.3.3. Simulation results and analysis
• 4.4. Propose layout for beach nourishment in combination with submerged geotube
• CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• Conclusions. Conclusions
• Recommendations. Recommendations
• REFERENCES
• THE APPENDIX

I. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu thủy động lực học phục vụ thiết kế dự án bồi đắp bãi biển Mũi Nai, Hà Tiên có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo vệ và phát triển bãi biển. Khu vực Mũi Nai, nằm ở tỉnh Kiên Giang, đang đối mặt với tình trạng xói lở nghiêm trọng do tác động của sóng và dòng chảy. Việc cải tạo và nâng cấp bãi biển không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn thúc đẩy phát triển du lịch tại địa phương. Theo nghiên cứu, bãi biển Mũi Nai không chỉ là một điểm đến du lịch mà còn có vai trò quan trọng trong việc duy trì an ninh và phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Kiên Giang. Nghiên cứu này nhằm mục đích tạo ra một cái nhìn tổng quan về chế độ thủy động lực học của khu vực và mô phỏng các kế hoạch thiết kế cho dự án bồi đắp bãi biển, từ đó lựa chọn phương án thiết kế hợp lý nhất cho khu vực.

II. Thiết lập mô hình thủy động lực học và sóng

Chương này trình bày quy trình thiết lập mô hình thủy động lực học và sóng cho khu vực nghiên cứu. Việc sử dụng mô hình số (MIKE 21FM) cho phép phân tích và dự đoán các điều kiện thủy động lực trong khu vực Mũi Nai. Mô hình này được thiết lập dựa trên dữ liệu thực địa, bao gồm quan trắc mực nước, sóng và dòng chảy. Quá trình hiệu chỉnh mô hình được thực hiện để đảm bảo độ chính xác cao, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế dự án bồi đắp. Các kết quả từ mô hình cho thấy sự thay đổi của dòng chảy và mực nước trong các điều kiện thời tiết khác nhau, điều này rất quan trọng trong việc đánh giá tác động của các phương án bồi đắp. Đặc biệt, mô hình giúp dự đoán được các kịch bản khác nhau về tác động của sóng và dòng chảy đến bãi biển, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế hiệu quả hơn.

III. Tiêu chí bồi đắp bãi biển và thiết kế dự án

Chương này tập trung vào việc xác định các tiêu chí cho dự án bồi đắp bãi biển Mũi Nai. Các tiêu chí này bao gồm phân tích khí hậu sóng, chế độ gió, và các yếu tố môi trường khác. Đặc biệt, cần chú ý đến các tiêu chí về pháp lý và quy hoạch bãi biển để đảm bảo tính khả thi của dự án. Thiết kế bồi đắp phải đảm bảo bảo vệ môi trường và duy trì cảnh quan tự nhiên của bãi biển. Bên cạnh đó, việc tính toán khối lượng cát cần thiết và thành phần cát là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của dự án. Kết quả từ phân tích cho thấy rằng việc bồi đắp bãi biển không chỉ giúp cải thiện cảnh quan mà còn giảm thiểu sự mất mát cát sau khi thực hiện dự án.

IV. Thiết kế bồi đắp kết hợp với geotube ngập nước

Chương này đề xuất thiết kế bồi đắp bãi biển kết hợp với sử dụng geotube ngập nước. Việc sử dụng geotube giúp giảm thiểu sự xói lở và bảo vệ bãi biển hiệu quả hơn. Các giải pháp kỹ thuật được đề xuất nhằm tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo tính bền vững cho bãi biển Mũi Nai. Các mô phỏng sóng và dòng chảy được thực hiện để đánh giá hiệu quả của thiết kế này. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng geotube không chỉ giúp bảo vệ bãi biển mà còn tạo ra không gian an toàn cho du khách. Đặc biệt, thiết kế này còn giúp duy trì các đặc điểm tự nhiên của bãi biển, từ đó nâng cao giá trị du lịch cho khu vực.

Tổng quan nghiên cứu

Mui Nai là một khu vực bờ biển thuộc thị xã Hà Tiên, tỉnh Kiên Giang, nằm ở phía Tây Nam Việt Nam với vị trí địa lý từ 9°23'50" đến 10°32'30" vĩ độ Bắc và từ 104°40' đến 105°32'40" kinh độ Đông. Khu vực này có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội, an ninh quốc phòng và phát triển du lịch của tỉnh Kiên Giang cũng như vùng Tây Nam Bộ. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, bờ biển Mui Nai chịu tác động mạnh của sóng, dòng chảy và hiện tượng nước biển dâng, dẫn đến hiện tượng xói lở bờ biển nghiêm trọng, làm thu hẹp diện tích bãi biển, ảnh hưởng tiêu cực đến phát triển du lịch và an toàn hạ tầng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là mô phỏng chế độ thủy động lực học khu vực Mui Nai bằng mô hình số MIKE 21FM, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc thiết kế dự án bồi bổ bãi biển nhằm cải thiện và nâng cấp bãi biển, đồng thời đề xuất giải pháp kết hợp với cấu trúc mềm như ống địa kỹ thuật chìm (submerged geotube) để tăng hiệu quả bảo vệ bờ biển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khu vực bãi biển Mui Nai, thị xã Hà Tiên, tỉnh Kiên Giang, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn 2005-2016, đặc biệt là các quan trắc thủy văn, sóng và trầm tích năm 2016.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc bảo vệ và phát triển bền vững bờ biển, góp phần phát triển du lịch và kinh tế địa phương, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà quản lý và kỹ sư trong việc thiết kế các công trình bảo vệ bờ biển phù hợp với điều kiện tự nhiên và biến đổi khí hậu hiện nay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết thủy động lực học bờ biển: Nghiên cứu các quá trình vận chuyển trầm tích, tác động của sóng, dòng chảy và thủy triều đến sự biến đổi bờ biển.
• Mô hình số MIKE 21 Flow Model FM và MIKE 21 SW: Mô hình thủy động lực học 2D sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn trên lưới không cấu trúc, giải các phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds, mô phỏng sóng và dòng chảy trong môi trường biển ven bờ.
• Khái niệm bồi bổ bãi biển (beach nourishment): Giải pháp mềm nhằm bổ sung vật liệu cát phù hợp để mở rộng bãi biển, cân bằng lượng trầm tích mất do xói lở, duy trì ổn định bờ biển.
• Khái niệm cấu trúc mềm (soft structure): Sử dụng các công trình như ống địa kỹ thuật chìm để giảm thiểu tổn thất trầm tích, kết hợp với bồi bổ bãi biển nhằm tăng hiệu quả bảo vệ.

Các khái niệm chính bao gồm: vận chuyển trầm tích dọc bờ, sóng và gió mùa, đặc điểm địa hình và địa chất bờ biển, các chỉ tiêu thiết kế bồi bổ bãi biển như khối lượng cát, kích thước hạt cát, chu kỳ bồi bổ.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu quan trắc thủy văn, sóng, dòng chảy, mực nước và trầm tích được thu thập tại khu vực bãi biển Mui Nai trong tháng 6 năm 2016, kết hợp với dữ liệu sóng và gió từ NOAA giai đoạn 2005-2015 tại đảo Phú Quốc.
• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình số MIKE 21FM để mô phỏng thủy động lực học và mô hình sóng MIKE 21 SW để phân tích đặc điểm sóng, dòng chảy, vận chuyển trầm tích. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng dữ liệu quan trắc thực tế với hệ số NASH đạt khoảng 0.8, đảm bảo độ tin cậy.
• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Dữ liệu quan trắc gồm 3 trạm đo sóng, dòng chảy và mực nước, 15 điểm lấy mẫu trầm tích đáy và 12 mẫu trầm tích lơ lửng, được phân bố đều dọc bờ biển để phản ánh đặc điểm thủy động lực học và trầm tích khu vực.
• Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu thực địa tháng 6/2016, mô hình hóa và phân tích dữ liệu trong năm 2016, tổng hợp và đề xuất giải pháp thiết kế bồi bổ bãi biển trong cùng năm.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát thực địa, phân tích số liệu và mô phỏng mô hình số hiện đại, đảm bảo tính khoa học và thực tiễn cho việc thiết kế dự án bồi bổ bãi biển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc điểm sóng và gió mùa: Dữ liệu phân tích từ NOAA cho thấy khu vực chịu ảnh hưởng của hai mùa gió chính: gió Đông Bắc và Tây Nam. Mùa Đông có sóng chủ yếu hướng Đông Nam chiếm 40% với biên độ sóng dưới 1 m, mùa Hè sóng hướng Tây chiếm 26% với biên độ từ 0.5 đến 1 m. Sóng cao nhất đo được tại trạm WV1 là 2.25 m, trung bình khoảng 0.29 m trong các ngày quan trắc.

2. Mực nước và thủy triều: Mực nước dao động từ -0.2 m đến 0.32 m tại bãi biển Mui Nai, với biên độ thủy triều nhỏ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc bồi bổ bãi biển. Mực nước trung bình quan trắc là 0.32 m, phù hợp với thiết kế bãi biển.

3. Đặc điểm trầm tích: Kích thước hạt cát trung bình của trầm tích đáy là khoảng 161 µm, phù hợp để sử dụng làm vật liệu bồi bổ với kích thước hạt đề xuất từ 180 đến 200 µm. Nồng độ trầm tích lơ lửng trung bình là 172 mg/l, tập trung nhiều ở khu vực giữa bãi biển, cho thấy vùng này là trọng điểm vận chuyển trầm tích.

4. Hiệu quả mô hình thủy động lực học: Mô hình MIKE 21FM và MIKE 21 SW được hiệu chỉnh với dữ liệu thực tế, cho kết quả mô phỏng mực nước và sóng tương đồng với quan trắc, hệ số NASH đạt 0.8. Mô hình cho phép dự báo sự phân bố sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích, làm cơ sở cho thiết kế bồi bổ bãi biển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xói lở bãi biển Mui Nai là do tác động của sóng mùa Tây Nam mạnh, dòng chảy ven bờ và sự thiếu hụt nguồn trầm tích tự nhiên do các công trình chắn dòng và biến đổi khí hậu gây nước biển dâng. So với các nghiên cứu tại các bãi biển tương tự ở Việt Nam và quốc tế, kết quả mô hình cho thấy bãi biển Mui Nai có đặc điểm sóng và dòng chảy tương đối ôn hòa, nhưng vẫn cần giải pháp bồi bổ để duy trì bãi biển.

Việc sử dụng mô hình số MIKE 21FM và MIKE 21 SW đã chứng minh tính khả thi trong việc mô phỏng thủy động lực học bờ biển, hỗ trợ thiết kế kỹ thuật bồi bổ bãi biển. Kết quả mô phỏng sóng và dòng chảy với và không có cấu trúc mềm (ống địa kỹ thuật chìm) cho thấy cấu trúc mềm giúp giảm đáng kể tổn thất trầm tích, tăng tuổi thọ dự án bồi bổ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh sóng, mực nước thực đo và mô phỏng, bảng phân bố kích thước hạt cát và nồng độ trầm tích, cũng như bản đồ mô phỏng dòng chảy và vận chuyển trầm tích trước và sau khi áp dụng giải pháp cấu trúc mềm.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Thực hiện dự án bồi bổ bãi biển Mui Nai: Bổ sung khoảng 30.000 m³ cát có kích thước hạt từ 180-200 µm, với chu kỳ bồi bổ 5 năm, nhằm mở rộng bãi biển, tăng diện tích phục vụ du lịch và giảm xói lở.

2. Kết hợp sử dụng ống địa kỹ thuật chìm (submerged geotube): Lắp đặt dải ống địa kỹ thuật chìm dọc bờ biển để giảm tổn thất trầm tích do sóng và dòng chảy, kéo dài tuổi thọ dự án bồi bổ từ 3-5 năm, do các mô phỏng cho thấy giảm được vận tốc dòng chảy và sóng tại khu vực bồi bổ.

3. Tăng cường quan trắc và giám sát thủy động lực học: Thiết lập hệ thống quan trắc sóng, dòng chảy, mực nước và trầm tích định kỳ hàng năm để đánh giá hiệu quả dự án và điều chỉnh thiết kế phù hợp với biến đổi môi trường.

4. Phối hợp quản lý và phát triển du lịch bền vững: Các cơ quan quản lý địa phương cần xây dựng kế hoạch phát triển du lịch gắn liền với bảo vệ môi trường bờ biển, hạn chế các hoạt động khai thác cát trái phép và xây dựng công trình gây ảnh hưởng đến dòng chảy tự nhiên.

5. Nâng cao nhận thức cộng đồng và đào tạo kỹ thuật: Tổ chức các chương trình đào tạo, tuyên truyền về bảo vệ bờ biển và ứng dụng công nghệ bồi bổ bãi biển cho cán bộ kỹ thuật và người dân địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách về biển và bờ biển: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách bảo vệ bờ biển, phát triển du lịch bền vững và ứng phó biến đổi khí hậu.

2. Kỹ sư và chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển và thủy động lực học: Áp dụng mô hình số và phương pháp thiết kế bồi bổ bãi biển kết hợp cấu trúc mềm trong các dự án tương tự.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật biển, quản lý tài nguyên biển: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình hóa và phân tích dữ liệu thủy động lực học bờ biển.

4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực du lịch biển và phát triển hạ tầng ven biển: Hiểu rõ các giải pháp kỹ thuật và tác động môi trường để đầu tư hiệu quả, bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Bồi bổ bãi biển là gì và tại sao cần thiết cho Mui Nai?
   Bồi bổ bãi biển là việc bổ sung vật liệu cát phù hợp để mở rộng và ổn định bãi biển, giảm xói lở. Mui Nai cần bồi bổ do hiện tượng xói lở nghiêm trọng làm thu hẹp bãi biển, ảnh hưởng đến du lịch và an toàn hạ tầng.

2. Mô hình MIKE 21FM và MIKE 21 SW có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
   Hai mô hình này mô phỏng chính xác sóng, dòng chảy và vận chuyển trầm tích trong môi trường biển ven bờ, giúp dự báo hiệu quả các giải pháp kỹ thuật và thiết kế dự án bồi bổ phù hợp.

3. Tại sao cần kết hợp bồi bổ bãi biển với ống địa kỹ thuật chìm?
   Ống địa kỹ thuật chìm giúp giảm tổn thất cát do sóng và dòng chảy, giữ vật liệu bồi bổ lâu hơn, tăng tuổi thọ dự án và giảm chi phí bảo trì.

4. Chu kỳ bồi bổ bãi biển được xác định như thế nào?
   Chu kỳ bồi bổ dựa trên tốc độ mất cát trung bình hàng năm, thường là khoảng 5 năm tại Mui Nai, nhằm duy trì bãi biển ổn định và hiệu quả kinh tế.

5. Làm thế nào để giám sát hiệu quả dự án bồi bổ bãi biển?
   Thiết lập hệ thống quan trắc định kỳ sóng, dòng chảy, mực nước và trầm tích, kết hợp khảo sát thực địa để đánh giá sự thay đổi bãi biển và điều chỉnh giải pháp kỹ thuật kịp thời.

Kết luận

• Nghiên cứu đã mô phỏng thành công chế độ thủy động lực học khu vực bãi biển Mui Nai bằng mô hình số MIKE 21FM và MIKE 21 SW, với độ chính xác cao (NASH = 0.8).
• Đặc điểm sóng, dòng chảy và trầm tích được phân tích chi tiết, làm cơ sở khoa học cho thiết kế dự án bồi bổ bãi biển.
• Giải pháp kết hợp bồi bổ bãi biển với ống địa kỹ thuật chìm được đề xuất nhằm tăng hiệu quả bảo vệ bờ biển và kéo dài tuổi thọ dự án.
• Các đề xuất bao gồm bổ sung vật liệu cát phù hợp, lắp đặt cấu trúc mềm, tăng cường quan trắc và quản lý bền vững.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao năng lực quản lý và kỹ thuật bảo vệ bờ biển, thúc đẩy phát triển du lịch và kinh tế địa phương.

Next steps: Triển khai dự án bồi bổ theo thiết kế đề xuất, thiết lập hệ thống quan trắc liên tục, đánh giá hiệu quả và điều chỉnh giải pháp phù hợp. Các cơ quan quản lý và nhà đầu tư được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển bền vững khu vực bờ biển Mui Nai.