Tổng quan nghiên cứu

Khu vực ven bờ biển miền Trung Việt Nam luôn chịu tác động dữ dội của các quá trình thủy động lực biển, gây ra hiện tượng xói lở và bồi tụ phức tạp. Từ năm 1980, dải bờ biển tỉnh Thừa Thiên Huế từ Hải Dương đến Hòa Duân rơi vào tình trạng xói lở nghiêm trọng; trong đó khu vực bờ biển xã Hải Dương ở phía bắc cửa Thuận An bị xâm thực với tốc độ trung bình 10m/năm, còn khu vực bờ biển Thuận An ở phía nam bị xói lở từ 5 đến 6m/năm, đe dọa trực tiếp đến đời sống của hàng nghìn hộ dân và làm suy thoái tài nguyên du lịch ven biển. Trước tình thế cấp bách, dự án khẩn cấp xây dựng hệ thống kè bảo vệ bờ và chỉnh trị luồng cảng Thuận An đã được khởi công vào đầu năm 2008 và hoàn thành giai đoạn 1 vào cuối năm 2010.

Nghiên cứu này tập trung phân tích định lượng các yếu tố động lực sóng và dòng chảy tác động đến vận chuyển trầm tích, đồng thời ứng dụng hệ mô hình số trị hiện đại để mô phỏng sự biến đổi địa hình đáy biển vùng cửa Thuận An sau khi có sự hiện diện của hệ thống công trình kè. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ vùng cửa biển Thuận An có chiều rộng khoảng 350m, chiều dài khoảng 600m, độ sâu cực đại trên 15m cùng hệ thống phá Tam Giang – Cầu Hai, dựa trên chuỗi số liệu tái phân tích khí tượng hải văn 21 năm từ năm 1991 đến năm 2011 và chuỗi 12 đợt đo đạc trắc đạc thực địa từ tháng 1 năm 2007 đến tháng 6 năm 2012. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp bức tranh chi tiết về động lực học bùn cát, làm căn cứ tối ưu hóa các giải pháp bảo vệ bờ và duy trì độ sâu luồng chạy tàu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống lý thuyết thủy động lực học vùng nước nông và cơ học vận chuyển trầm tích bờ biển tiên tiến. Nền tảng động lực học chất lưu dựa trên hệ phương trình chuyển động và phương trình liên tục hai chiều trung bình theo độ sâu giải bằng phương pháp thể tích hữu hạn trong mô đun CMS-Flow. Trong đó, các đại lượng ứng suất đáy được tính toán theo mô hình tương tác sóng - dòng chảy của Nishimura năm 1988, kết hợp công thức ma sát đáy của Madsen và Grant năm 1976 cùng hệ số nhám tổng hợp Soulsby năm 1997 bao gồm nhám hạt cát, nhám sóng cát và nhám kích thước hạt.

Về quá trình vận chuyển bùn cát, nghiên cứu áp dụng mô hình Lund-CIRP của Camenen và Larson phát triển trong các năm 2005 và 2006, tích hợp tính toán đồng thời lượng trầm tích di đáy và trầm tích lơ lửng thông qua phương trình bình lưu khuếch tán. Đối với trường sóng, lý thuyết truyền sóng phổ bất quy tắc dựa trên phương trình cân bằng tác động sóng dạng ổn định của Mase năm 2001 trong mô đun CMS-Wave được sử dụng để mô phỏng khúc xạ, phản xạ, sóng leo theo Dean và Dalrymple năm 1984, sóng đổ theo tiêu chuẩn Miche năm 1951 và hiện tượng nhiễu xạ quanh công trình kè biển với hệ số nhiễu xạ mặc định bằng 4.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập và xử lý tập dữ liệu khí tượng hải văn quy mô lớn với cỡ mẫu gồm 61.341 bản ghi số liệu sóng 3 giờ một lần qua 21 năm (1991–2011) được mô phỏng từ mô hình SWAN trên lưới phân giải 0.25 độ toàn Biển Đông từ trường gió NCEP 0.5 độ. Phương pháp chọn mẫu áp dụng kỹ thuật phân nhóm sóng theo 6 cung hướng chính tác động trực tiếp tới đường bờ (từ 330 độ đến 150 độ). Nhằm phản ánh chính xác tác động phi tuyến của sóng lên biến dạng đáy biển, chiều cao sóng tạo hình Hmor được tính toán theo phương pháp thống kê lũy thừa bậc 2.5 của Roelvink năm 2001 thay vì sử dụng chiều cao sóng hữu hiệu trung bình thông thường.

Mô hình số trị hai chiều tích phân Surface-water Modeling System (SMS) được lựa chọn nhờ khả năng ghép nối hai chiều toàn diện giữa CMS-Wave và CMS-Flow với bước thời gian trao đổi tương tác 3 giờ. Lưới tính CMS-Wave có kích thước 15.000m dọc bờ và 12.000m ngang bờ, gồm 300 x 480 ô lưới kích thước 25m x 50m, xoay góc 240 độ để song song đường đẳng sâu. Lưới tính CMS-Flow là lưới chữ nhật phi đồng nhất với 300 x 480 ô, kích thước mịn nhất tại khu vực chân kè và luồng tàu đạt 25m x 25m, mở rộng dần ra biên ngoài đạt 100m x 100m theo hệ số gia tăng 1.01. Mỗi kịch bản hướng sóng được mô phỏng liên tục trong 720 giờ (tương đương 30 ngày). Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm chứng độc lập với số liệu quan trắc mực nước và dòng chảy 3 tầng tại trạm V1 ngày 21 và 22 tháng 4 năm 2007 cùng 12 đợt đo đạc đường bờ thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình hiệu chỉnh mô hình tại trạm quan trắc V1 cho kết quả tương thích cao với thực tế đo đạc, trong đó chỉ số sai số chuẩn Bias của dao động mực nước đạt 0.177m và sai số Bias của vận tốc dòng chảy tầng giữa chỉ đạt 0.0963 m/s, khẳng định độ tin cậy tuyệt đối của hệ số nhám Manning và các tham số khuấy trộn động lực học đã thiết lập.

Phân tích chế độ sóng nước sâu chỉ ra rằng sóng hướng Đông Bắc và Đông (cung góc 60 đến 90 độ) là tác nhân chi phối áp đảo toàn bộ quá trình động lực học ven bờ cửa Thuận An, chiếm 33.497 bản ghi (tương đương hơn 54.6% tổng số bản ghi trong 21 năm) với chiều cao sóng gây biến đổi đáy Hmor đạt giá trị cực đại 2.90m, vượt trội gấp 5 lần so với sóng hướng Đông Nam (Hmor chỉ đạt 0.58m với 141 bản ghi).

Mô phỏng bồi xói sau 30 ngày cho thấy hệ thống kè phía bắc (gồm kè S1, S2 và B) đã cách ly hoàn toàn bờ biển xã Hải Dương khỏi tác động của sóng và dòng chảy, triệt tiêu 100% hiện tượng xói lở tại đây. Tại bờ phía nam, kè mỏ hàn N làm chuyển dịch cán cân bùn cát từ trạng thái xói lở nghiêm trọng 5-6m/năm trước năm 2008 sang trạng thái bồi tụ bãi cát mạnh mẽ ở phía nam thân kè.

Tuy nhiên, dưới tác động của các hướng sóng Đông Bắc và Đông, bùn cát vận chuyển dọc bờ bị cuốn vào cửa sông và lắng đọng, tạo nên các bãi cát ngầm (bar cát) nổi rõ tại trung tâm luồng ra vào cảng Thuận An, làm suy giảm nghiêm trọng độ sâu chuẩn tắc của tuyến luồng hàng hải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản của hiện tượng bồi xói chọn lọc tại cửa Thuận An bắt nguồn từ đặc trưng biên độ thủy triều rất nhỏ, trung bình chỉ khoảng 0.25m. Do dòng triều yếu, ứng suất bức xạ sinh ra từ sóng vỡ đóng vai trò là động lực chủ đạo điều khiển dòng chảy dọc bờ và dòng hoàn lưu ven bờ. Khi sóng truyền từ hướng Đông Bắc vào vùng nước nông, công trình kè mỏ hàn phía nam hoạt động như một vật cản thủy lực, làm giảm đột ngột vận tốc dòng chảy phía khuất sóng, khiến hạt cát có đường kính trung bình d50 nhanh chóng lắng đọng tạo bãi bồi.

Kết quả mô phỏng không gian được trực quan hóa sinh động qua các bản đồ trường dòng chảy trong pha triều lên - triều xuống, bản đồ bình đồ biến động đáy sau 720 giờ và biểu đồ trắc dọc tại 5 mặt cắt ngang đặc trưng. Khi đối chiếu địa hình đáy ban đầu năm 2005 với kết quả tính toán và số liệu trắc đạc đường bờ tháng 6 năm 2012, các vị trí bồi tụ bãi biển phía nam kè và bồi lấp dải bar cát trung tâm hoàn toàn trùng khớp với ảnh chụp thực tế. Điều này khẳng định giai đoạn 1 của dự án kè biển đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu chống sạt lở khu dân cư và khu du lịch, nhưng đồng thời tạo ra hệ quả thứ cấp là bồi lắng luồng tàu, đòi hỏi các giải pháp chỉnh trị bổ sung trong giai đoạn tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

Xây dựng bổ sung hệ thống đê dẫn luồng và đê ngắt cát ngầm phía bờ nam cửa Thuận An với chiều dài thiết kế từ 400m đến 500m, vươn ra ngoài đới sóng vỡ nhằm ngăn chặn dòng bùn cát dịch chuyển từ hướng Đông Bắc tràn vào luồng tàu. Dự án cần được Ủy ban nhân dân tỉnh Thừa Thiên Huế cùng Ban Quản lý Dự án Giao thông tỉnh phê duyệt và triển khai trong giai đoạn 2026–2028.

Triển khai kế hoạch nạo vét định kỳ luồng hàng hải vào cảng Thuận An với khối lượng nạo vét duy tu ước tính khoảng 150.000 đến 200.000 m3 cát mỗi năm, duy trì chuẩn tắc độ sâu luồng chạy tàu từ 6m đến 8m nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho tàu có tải trọng trên 3.000 DWT ra vào cảng. Nhiệm vụ này do Cục Hàng hải Việt Nam và Tổng công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải miền Bắc chủ trì thực hiện hàng năm trước mùa mưa bão.

Lắp đặt trạm quan trắc tự động liên tục đo đạc sóng, dòng chảy và mực nước tại phao số 0 cửa Thuận An với tần suất truyền số liệu 10 phút một lần, kết hợp định kỳ 6 tháng một lần quét địa hình đáy luồng bằng máy đo sâu hồi âm đa chùm tia. Đơn vị chủ trì thực hiện là Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thừa Thiên Huế, hoàn thành lắp đặt trong quý 4 năm 2026.

Ứng dụng quy trình tính toán ghép nối hai chiều CMS-Flow và CMS-Wave vào công tác đánh giá tác động môi trường và thẩm định kỹ thuật cho toàn bộ các công trình bảo vệ bờ biển tương lai tại dải ven biển miền Trung từ năm 2027, do Viện Cơ học và các viện nghiên cứu chuyên ngành phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, môi trường và giao thông đường thủy tại các tỉnh ven biển: Nắm bắt cơ sở dữ liệu khoa học về cơ chế xói bồi để hoạch định chính sách bảo vệ bờ biển, quy hoạch không gian đầm phá Tam Giang và phân bổ ngân sách đầu tư công trình chỉnh trị hợp lý.

Các kỹ sư công trình thủy, đơn vị tư vấn thiết kế cảng và công trình bảo vệ bờ: Tiếp cận quy trình công nghệ tính toán kết cấu kè biển, kè mỏ hàn và đánh giá định lượng tác động cản dòng của công trình lên hình thái đáy biển lân cận.

Các nhà khoa học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Hải dương học, Khí tượng Thủy văn, Kỹ thuật Bờ biển: Sử dụng luận văn như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp ghép nối mô hình số trị hai chiều, kỹ thuật tính toán sóng tạo hình Hmor từ chuỗi dữ liệu 21 năm và phương pháp kiểm định mô hình thủy động lực học.

Doanh nghiệp vận tải biển và đơn vị quản lý khai thác cảng Thuận An: Sử dụng quy luật biến động của các bar cát ngầm để tối ưu hóa hải trình điều động tàu thuyền theo chu kỳ nhật triều và chủ động lập kế hoạch logistics hàng hải.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao sóng hướng Đông Bắc và Đông lại gây biến động đáy biển mạnh nhất tại cửa Thuận An?

Theo chuỗi số liệu 21 năm với 61.341 bản ghi, sóng hướng Đông Bắc và Đông chiếm hơn 54.6% tổng thời gian xuất hiện trong năm và sở hữu chiều cao sóng tạo hình cực đại lên tới 2.90m. Nguồn năng lượng sóng khổng lồ này tác động trực diện vào đường bờ, tạo ra ứng suất bức xạ lớn nhất làm khuấy động và vận chuyển phần lớn lượng bùn cát ven bờ.

Mô hình kết nối hai chiều giữa CMS-Wave và CMS-Flow mang lại lợi ích kỹ thuật gì nổi bật?

Phương pháp trao đổi dữ liệu hai chiều sau mỗi 3 giờ cho phép CMS-Wave truyền građien ứng suất bức xạ sóng sang CMS-Flow để tính toán dòng chảy do sóng, đồng thời CMS-Flow liên tục cập nhật trường mực nước dâng và địa hình đáy bị xói bồi ngược lại cho CMS-Wave, giúp kết quả mô phỏng đạt độ chính xác cao với sai số Bias vận tốc chỉ 0.0963 m/s.

Hệ thống kè biển xây dựng giai đoạn 1 đã phát huy hiệu quả thực tế như thế nào?

Hệ thống kè phía bắc gồm kè S1, S2, B đã bảo vệ 100% bờ biển xã Hải Dương không còn bị xói lở với tốc độ 10m/năm như trước đây. Phía nam cửa, kè mỏ hàn N đã biến bãi biển Thuận An từ trạng thái xói lở 5-6m/năm thành bãi bồi rộng lớn, bảo tồn vững chắc hạ tầng du lịch nghỉ dưỡng địa phương.

Hiện tượng hình thành các bar cát tại trung tâm luồng tàu gây ra những thách thức gì?

Dưới tác dụng đẩy cát của sóng hướng Đông Bắc, lượng trầm tích trôi dọc bờ bị giữ lại và lắng đọng tạo thành các cồn cát ngầm ngay giữa luồng ra vào cửa biển Thuận An. Hiện tượng này làm thu hẹp luồng tàu sâu 15m, gây nguy cơ cạn luồng và đe dọa an toàn cho tàu thuyền lưu thông vào đầm phá Tam Giang.

Độ tin cậy của các kịch bản mô phỏng trong luận văn được bảo đảm bằng cách nào?

Mô hình được hiệu chỉnh tỉ mỉ qua chuỗi số liệu thực đo dòng chảy 3 tầng tại trạm V1 tháng 4 năm 2007 thuộc dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển. Đồng thời, toàn bộ bức tranh bồi xói đáy biển 30 ngày đã được đối chiếu, kiểm chứng trùng khớp hoàn toàn với 12 đợt trắc đạc đường bờ bằng GPS từ năm 2007 đến tháng 6 năm 2012.

Kết luận

  • Ứng dụng thành công hệ mô hình số trị hai chiều tương tác toàn diện CMS-Flow và CMS-Wave trên hệ lưới phi đồng nhất có độ phân giải cao từ 25m đến 100m, đạt chỉ số sai số Bias mực nước 0.177m và Bias vận tốc dòng chảy 0.0963 m/s.
  • Phân tích chi tiết chuỗi dữ liệu sóng 21 năm, xác định chính xác sóng hướng Đông Bắc với chiều cao tạo hình Hmor đạt 2.90m là nhân tố động lực chủ đạo gây biến dạng đáy biển cửa Thuận An.
  • Đánh giá định lượng hiệu quả bảo vệ bờ của công trình giai đoạn 1: Chấm dứt hoàn toàn xói lở 10m/năm tại xã Hải Dương và thúc đẩy bồi tụ mạnh mẽ tại bãi biển Thuận An phía nam kè.
  • Phát hiện và cảnh báo nguy cơ bồi lấp tuyến luồng hàng hải do các bar cát ngầm hình thành tại trung tâm cửa biển dưới tác động tương hỗ giữa sóng vỡ và công trình kè mỏ hàn.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ, bao gồm xây dựng đê dẫn luồng 400m đến 500m và nạo vét duy tu 150.000 đến 200.000 m3 cát hàng năm.

Luận văn đã đóng góp một phương pháp luận khoa học chuẩn xác trong việc tính toán thủy thạch động lực học vùng ven bờ, giải quyết triệt để bài toán đánh giá tác động của công trình nhân tạo lên chế độ vận chuyển trầm tích. Trong giai đoạn 2026–2030, việc triển khai các bước nghiên cứu tiếp theo về mô phỏng 3 chiều và tích hợp biến đổi khí hậu là yêu cầu cấp thiết. Kính mời các nhà khoa học, cơ quan quản lý và kỹ sư chuyên ngành tham khảo toàn văn công trình để áp dụng hiệu quả vào công tác bảo vệ và phát triển bền vững dải ven biển Việt Nam.