Nghiên cứu tiến hóa bờ biển Nha Trang bằng mô hình Genesis trong luận văn thạc sĩ

• Tác giả: Vu Duy Toan
• Người hướng dẫn: Assoc. Tran Thanh Tung
• Trường học: Hanoi University of Science and Technology
• Chuyên ngành: Coastal Engineering
• Đề tài: Ứng Dụng Mô Hình Genesis Trong Nghiên Cứu Tiến Hóa Bờ Biển Nha Trang
• Loại tài liệu: Thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

• DECLARATION
• ACKNOWLEDGEMENTS
• TABLE OF CONTENT
• 1. CHƯƠNG 1: OVERVIEW OF SHORELINE EVOLUTION AND SIMULATION USING ONE-LINE MODELS
• 1.1. Some issues worth considering in coastline evolution study
• 1.2. Process study shoreline changes in the world and current research trends
• 1.3. Numerical modeling of coastline evolution
• 1.3.1. Basic Assumption of shoreline change modeling
• 1.3.2. Conclusion
• 2. CHƯƠNG 2: ANALYSIS NHÀ TRANG COASTLINE EVOLUTION
• 2.1. Overview of the study area
• 2.2. Data for shoreline and beach monitoring
• 2.3. Geology and Geomorphology
• 2.4. Sediment Transport Regime in Nha Trang
• 2.5. Analysis Nha Trang coastline evolution
• 3. CHƯƠNG 3: APPLY OF ONE-LINE MODEL TO STUDY NHA TRANG COASTLINE EVOLUTION
• 3.1. Basic theory of SWAN model
• 3.2. SWAN model setup
• 3.3. Basic theory of Genesis model
• 3.4. Setup Genesis model
• 4. CHƯƠNG 4: PROPOSE ORIENTED SOLUTIONS TO STABILIZE NHA TRANG COAST
• 4.1. Scenarios Nha Trang coastline evolution without protective structure for 1 year, 5 years, 10 years
• 4.2. Scenarios Nha Trang coastline evolution with protective structure for 1 year, 5 years, 10 years
• 4.3. Scenarios simulated with beach nourishment
• CONCLUSION
• APPENDICES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES

I. Tổng quan về tiến hóa bờ biển và mô hình hóa sử dụng mô hình một đường

Phần này trình bày các vấn đề cần xem xét trong nghiên cứu tiến hóa bờ biển, bao gồm sự lắng đọng và xói mòn bờ biển, quá trình thay đổi độ cao bãi biển, và tác động của các công trình ven biển và sông. Mô hình Genesis được giới thiệu như một công cụ hiệu quả để dự đoán sự thay đổi bờ biển dựa trên các giả định về hình dạng hồ sơ bãi biển và vận chuyển trầm tích dọc bờ. Các xu hướng nghiên cứu hiện đại tập trung vào việc hiện đại hóa phương tiện khảo sát, cải tiến mô tả toán học, và kết hợp nghiên cứu thực địa với thí nghiệm thủy lực.

1.1. Các vấn đề đáng lưu ý trong nghiên cứu tiến hóa bờ biển

Nghiên cứu tiến hóa bờ biển tập trung vào các quá trình như sự lắng đọng và xói mòn, thay đổi độ cao bãi biển, và tác động của các công trình ven biển. Mô hình Genesis được sử dụng để dự đoán sự thay đổi bờ biển dựa trên các giả định về hình dạng hồ sơ bãi biển và vận chuyển trầm tích dọc bờ. Các xu hướng nghiên cứu hiện đại bao gồm việc hiện đại hóa phương tiện khảo sát, cải tiến mô tả toán học, và kết hợp nghiên cứu thực địa với thí nghiệm thủy lực.

1.2. Xu hướng nghiên cứu hiện tại về thay đổi bờ biển

Các nghiên cứu hiện tại về thay đổi bờ biển tập trung vào việc hiện đại hóa phương tiện khảo sát, cải tiến mô tả toán học, và kết hợp nghiên cứu thực địa với thí nghiệm thủy lực. Mô hình Genesis được sử dụng để dự đoán sự thay đổi bờ biển dựa trên các giả định về hình dạng hồ sơ bãi biển và vận chuyển trầm tích dọc bờ. Các xu hướng nghiên cứu hiện đại bao gồm việc hiện đại hóa phương tiện khảo sát, cải tiến mô tả toán học, và kết hợp nghiên cứu thực địa với thí nghiệm thủy lực.

II. Phân tích tiến hóa bờ biển Nha Trang

Phần này tập trung vào việc phân tích tiến hóa bờ biển Nha Trang, bao gồm tổng quan về khu vực nghiên cứu, dữ liệu giám sát bờ biển và bãi biển, địa chất và địa mạo, và chế độ vận chuyển trầm tích. Mô hình Genesis được áp dụng để dự đoán sự thay đổi bờ biển Nha Trang trong các kịch bản khác nhau, bao gồm cả việc có và không có các công trình bảo vệ.

2.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu là bờ biển Nha Trang, một trong những vịnh đẹp nhất thế giới với nhiều cảnh quan thiên nhiên và hệ sinh thái đa dạng. Mô hình Genesis được sử dụng để dự đoán sự thay đổi bờ biển Nha Trang trong các kịch bản khác nhau, bao gồm cả việc có và không có các công trình bảo vệ.

2.2. Dữ liệu giám sát bờ biển và bãi biển

Dữ liệu giám sát bờ biển và bãi biển được thu thập để phân tích tiến hóa bờ biển Nha Trang. Mô hình Genesis được sử dụng để dự đoán sự thay đổi bờ biển Nha Trang trong các kịch bản khác nhau, bao gồm cả việc có và không có các công trình bảo vệ.

III. Ứng dụng mô hình Genesis trong nghiên cứu tiến hóa bờ biển Nha Trang

Phần này trình bày việc áp dụng mô hình Genesis để dự đoán sự thay đổi bờ biển Nha Trang. Mô hình được thiết lập dựa trên lý thuyết cơ bản và các thông số đầu vào từ mô hình SWAN. Các kịch bản được mô phỏng bao gồm sự thay đổi bờ biển trong 1 năm, 5 năm, và 10 năm với và không có các công trình bảo vệ.

3.1. Lý thuyết cơ bản của mô hình Genesis

Mô hình Genesis dựa trên các giả định về hình dạng hồ sơ bãi biển và vận chuyển trầm tích dọc bờ. Mô hình được sử dụng để dự đoán sự thay đổi bờ biển Nha Trang trong các kịch bản khác nhau, bao gồm cả việc có và không có các công trình bảo vệ.

3.2. Thiết lập mô hình Genesis

Mô hình Genesis được thiết lập dựa trên các thông số đầu vào từ mô hình SWAN. Các kịch bản được mô phỏng bao gồm sự thay đổi bờ biển Nha Trang trong 1 năm, 5 năm, và 10 năm với và không có các công trình bảo vệ.

IV. Đề xuất các giải pháp định hướng ổn định bờ biển Nha Trang

Phần này đề xuất các giải pháp để ổn định bờ biển Nha Trang, bao gồm các kịch bản mô phỏng với các công trình bảo vệ và bồi đắp bãi biển. Mô hình Genesis được sử dụng để dự đoán hiệu quả của các giải pháp này trong việc ổn định bờ biển Nha Trang.

4.1. Kịch bản mô phỏng với các công trình bảo vệ

Các kịch bản mô phỏng với các công trình bảo vệ được thực hiện để dự đoán sự thay đổi bờ biển Nha Trang trong 1 năm, 5 năm, và 10 năm. Mô hình Genesis được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các công trình bảo vệ trong việc ổn định bờ biển.

4.2. Kịch bản mô phỏng với bồi đắp bãi biển

Các kịch bản mô phỏng với bồi đắp bãi biển được thực hiện để dự đoán sự thay đổi bờ biển Nha Trang trong 1 năm, 5 năm, và 10 năm. Mô hình Genesis được sử dụng để đánh giá hiệu quả của việc bồi đắp bãi biển trong việc ổn định bờ biển.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài khoảng 3.260 km với 89 cửa sông và hơn 3.000 đảo, trong đó Nha Trang là một trong những khu vực ven biển quan trọng về kinh tế, du lịch và quốc phòng. Nha Trang nổi tiếng với vịnh biển đẹp, bãi cát trải dài khoảng 7 km dọc theo đường Trần Phú, thu hút lượng lớn khách du lịch trong và ngoài nước. Tuy nhiên, hiện tượng xói lở bờ biển diễn ra ngày càng nghiêm trọng, ảnh hưởng đến phát triển bền vững và an ninh quốc phòng. Theo ước tính, mỗi năm Việt Nam phải đầu tư hàng nghìn tỷ đồng để gia cố đê biển và xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển.

Luận văn tập trung nghiên cứu sự biến đổi bờ biển Nha Trang trong giai đoạn 2003-2015, sử dụng mô hình số GENESIS kết hợp với mô hình sóng SWAN để mô phỏng quá trình vận chuyển trầm tích và dự báo sự thay đổi đường bờ trong các kịch bản khác nhau. Mục tiêu chính là đánh giá xu hướng biến đổi bờ biển, đề xuất các giải pháp bảo vệ bờ biển hiệu quả nhằm duy trì sự ổn định của bãi biển, phục vụ phát triển du lịch và bảo vệ môi trường ven biển. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn bờ biển dài 300 m gần cửa sông Cái, tỉnh Khánh Hòa.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu khoa học, hỗ trợ hoạch định chính sách quản lý bờ biển, đồng thời góp phần nâng cao nhận thức về tác động của biến đổi khí hậu và hoạt động con người đến hệ sinh thái ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết một đường bờ (One-line theory): Giả định hình dạng mặt cắt bãi biển không đổi, chỉ có sự dịch chuyển song song của đường bờ theo hướng bờ biển. Đây là cơ sở để mô hình hóa sự biến đổi đường bờ dựa trên vận chuyển trầm tích dọc bờ.

• Mô hình GENESIS (Generalized Model for Simulating Shoreline Change): Mô hình số được phát triển bởi Hanson và Kraus (1989), dùng để dự báo sự thay đổi đường bờ trong phạm vi từ 1 đến 100 km và thời gian từ 1 đến 100 tháng. GENESIS tính toán sự biến đổi đường bờ dựa trên sự thay đổi vận chuyển trầm tích dọc bờ, bao gồm ảnh hưởng của các công trình bảo vệ và bổ sung cát.

• Mô hình SWAN (Simulating Waves Nearshore): Mô hình sóng thế hệ thứ ba, mô phỏng sóng ngắn do gió tạo ra trong vùng ven bờ, bao gồm các quá trình vật lý như sóng dập, khúc xạ, tương tác phi tuyến, và mất năng lượng do ma sát đáy. SWAN cung cấp dữ liệu sóng đầu vào cho mô hình GENESIS.

Các khái niệm chính bao gồm: vận chuyển trầm tích dọc bờ (longshore sediment transport), sự xói lở và bồi tụ bờ biển, ảnh hưởng của sóng và gió theo mùa, tác động của công trình bảo vệ bờ biển như kè chắn sóng và bồi bổ bãi biển.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu khí tượng thủy văn (gió, mưa, thủy triều), dữ liệu sóng từ năm 1997 đến 2015, số liệu dòng chảy và trầm tích từ sông Cái, ảnh vệ tinh Google Earth giai đoạn 2003-2015 để phân tích biến đổi đường bờ.

• Phương pháp phân tích:

  • Mô hình SWAN được thiết lập với lưới tính toán 360x360 ô, kích thước ô 302 m, sử dụng dữ liệu sóng ngoài khơi từ Wavewatch III làm điều kiện biên. Mô hình được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu sóng đo tại hai điểm trên thềm lục địa năm 2013, sử dụng chỉ số Nash để đánh giá độ chính xác.
  • Mô hình GENESIS áp dụng lý thuyết một đường bờ để dự báo sự thay đổi đường bờ trong các kịch bản không có và có công trình bảo vệ trong các khoảng thời gian 1, 5 và 10 năm.
  • Phân tích số liệu vệ tinh để đánh giá xu hướng biến đổi đường bờ thực tế.
  • So sánh kết quả mô hình với số liệu thực tế để đánh giá độ tin cậy.

• Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý dữ liệu từ 1995 đến 2015, mô phỏng và phân tích trong năm 2015-2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xu hướng biến đổi đường bờ:
   Dữ liệu vệ tinh cho thấy trong giai đoạn 2003-2015, bờ biển Nha Trang có sự biến đổi rõ rệt với khu vực gần cửa sông Cái bị xói lở mạnh, đặc biệt ở phía nam cửa sông. Mức độ xói lở có thể lên đến vài mét mỗi năm, trong khi một số khu vực khác có hiện tượng bồi tụ nhẹ.

2. Ảnh hưởng của sóng và gió theo mùa:
   Sóng từ hướng đông bắc (northeast monsoon) chiếm ưu thế với chiều cao sóng trung bình từ 2 đến 4 m trong các tháng 11-1, tạo ra dòng vận chuyển trầm tích dọc bờ mạnh hơn so với mùa gió tây nam. Gió mạnh nhất được ghi nhận là 28 m/s vào tháng 11 năm 1988.

3. Hiệu quả mô hình SWAN và GENESIS:
   Mô hình SWAN hiệu chỉnh đạt chỉ số Nash trên 0,7 khi so sánh sóng mô phỏng với dữ liệu đo thực tế, cho thấy độ tin cậy cao. Mô hình GENESIS dự báo sự thay đổi đường bờ phù hợp với xu hướng quan sát thực tế, với sai số trung bình dưới 10%.
   Kịch bản không có công trình bảo vệ dự báo bờ biển tiếp tục bị xói lở nghiêm trọng sau 10 năm, trong khi kịch bản có xây dựng ba kè chắn sóng giúp giảm xói lở đến 60% sau 10 năm.

4. Tác động của công trình bảo vệ và bồi bổ bãi biển:
   Việc xây dựng kè chắn sóng và bổ sung cát có thể làm thay đổi dòng vận chuyển trầm tích, gây tích tụ cát ở phía thượng lưu công trình và xói lở ở hạ lưu. Do đó, cần thiết kế công trình phù hợp để hạn chế tác động tiêu cực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến đổi đường bờ là do tác động kết hợp của sóng mùa đông bắc mạnh, dòng chảy từ sông Cái mang theo lượng lớn trầm tích, và các công trình bảo vệ bờ biển chưa đồng bộ. Kết quả mô hình phù hợp với các nghiên cứu trước đây về sự ảnh hưởng của gió mùa và sóng đến vận chuyển trầm tích dọc bờ tại Nha Trang.

So với các nghiên cứu trong khu vực Đông Nam Á, mô hình GENESIS thể hiện ưu điểm trong việc mô phỏng biến đổi đường bờ dài hạn với chi phí tính toán hợp lý. Việc kết hợp mô hình sóng SWAN giúp cải thiện độ chính xác của dữ liệu đầu vào, từ đó nâng cao độ tin cậy dự báo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến đổi vị trí đường bờ theo năm, bảng so sánh mức độ xói lở giữa các kịch bản, và bản đồ phân bố sóng trung bình theo mùa. Những biểu đồ này giúp minh họa rõ ràng xu hướng và tác động của các yếu tố tự nhiên cũng như nhân tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống kè chắn sóng hợp lý:
   Thiết kế và thi công ba kè chắn sóng tại các vị trí xói lở nghiêm trọng nhằm giảm thiểu xói lở bờ biển, dự kiến hoàn thành trong vòng 5 năm. Chủ thể thực hiện là chính quyền địa phương phối hợp với các đơn vị tư vấn chuyên môn.

2. Thực hiện bồi bổ bãi biển định kỳ:
   Bổ sung cát tự nhiên cho các khu vực bị thiếu hụt trầm tích, đặc biệt là đoạn bờ gần cửa sông Cái, nhằm duy trì độ rộng bãi biển và phục hồi hệ sinh thái. Thời gian thực hiện hàng năm, theo dõi hiệu quả qua mô hình và quan trắc thực tế.

3. Giám sát và quản lý dòng chảy sông Cái:
   Kiểm soát lượng trầm tích và dòng chảy từ sông Cái để hạn chế tác động tiêu cực đến bờ biển, phối hợp với các cơ quan thủy lợi và môi trường. Thực hiện trong vòng 3 năm đầu nghiên cứu.

4. Nâng cao năng lực quản lý và nghiên cứu khoa học:
   Đào tạo cán bộ kỹ thuật về mô hình hóa bờ biển, cập nhật công nghệ giám sát và dự báo biến đổi bờ biển. Chủ thể là các viện nghiên cứu, trường đại học và cơ quan quản lý địa phương, triển khai liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ven biển:
   Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch bảo vệ bờ biển, phát triển du lịch bền vững và phòng chống thiên tai.

2. Các chuyên gia và kỹ sư thủy lợi, xây dựng công trình ven biển:
   Áp dụng mô hình GENESIS và SWAN trong thiết kế công trình bảo vệ bờ biển, đánh giá tác động môi trường và hiệu quả kỹ thuật.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học biển, địa chất và môi trường:
   Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình hóa và phân tích dữ liệu trong lĩnh vực biến đổi bờ biển và vận chuyển trầm tích.

4. Doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực du lịch và phát triển bất động sản ven biển:
   Hiểu rõ xu hướng biến đổi bờ biển để đưa ra các quyết định đầu tư phù hợp, giảm thiểu rủi ro do xói lở và biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình GENESIS có thể áp dụng cho những khu vực bờ biển nào?
   GENESIS phù hợp với các bờ biển có hình dạng tương đối thẳng và vận chuyển trầm tích dọc bờ chiếm ưu thế. Ví dụ, nó được sử dụng rộng rãi tại các vùng bờ biển mở và có chiều dài từ vài km đến hàng trăm km.

2. Dữ liệu đầu vào quan trọng nhất để mô hình hóa biến đổi bờ biển là gì?
   Dữ liệu sóng ngoài khơi, dòng chảy ven bờ, trầm tích và hình dạng địa hình bãi biển là các yếu tố then chốt. Ví dụ, dữ liệu sóng từ mô hình SWAN giúp xác định vận chuyển trầm tích dọc bờ chính xác hơn.

3. Tại sao cần kết hợp mô hình SWAN và GENESIS?
   SWAN mô phỏng sóng ven bờ chi tiết, cung cấp dữ liệu sóng đầu vào cho GENESIS để dự báo biến đổi đường bờ. Sự kết hợp này nâng cao độ chính xác và tính thực tiễn của dự báo.

4. Các công trình bảo vệ bờ biển có thể gây ra tác động tiêu cực nào?
   Công trình như kè chắn sóng có thể gây tích tụ cát ở phía thượng lưu và xói lở ở hạ lưu, làm mất cân bằng vận chuyển trầm tích. Do đó, cần thiết kế hợp lý và theo dõi liên tục.

5. Làm thế nào để giám sát hiệu quả sự biến đổi bờ biển?
   Kết hợp quan trắc vệ tinh, đo đạc hiện trường định kỳ và mô hình hóa số để theo dõi biến đổi đường bờ, từ đó điều chỉnh các biện pháp bảo vệ kịp thời.

Kết luận

• Nha Trang là khu vực ven biển có giá trị kinh tế và du lịch cao, đang chịu tác động mạnh của xói lở bờ biển do sóng mùa đông bắc và dòng chảy sông Cái.
• Mô hình SWAN và GENESIS được hiệu chỉnh và áp dụng thành công để dự báo biến đổi đường bờ trong các kịch bản khác nhau, với độ chính xác cao.
• Kịch bản xây dựng kè chắn sóng và bồi bổ bãi biển giúp giảm thiểu xói lở đáng kể, góp phần bảo vệ bờ biển và phát triển bền vững.
• Cần triển khai các giải pháp đồng bộ về kỹ thuật và quản lý, đồng thời nâng cao năng lực nghiên cứu và giám sát.
• Giai đoạn tiếp theo tập trung vào hoàn thiện thiết kế công trình bảo vệ, thực hiện bồi bổ bãi biển định kỳ và xây dựng hệ thống giám sát biến đổi bờ biển liên tục.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các cơ quan chức năng và nhà nghiên cứu phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời cập nhật dữ liệu và mô hình để nâng cao hiệu quả quản lý bờ biển Nha Trang.