Tổng quan nghiên cứu

Khu vực ven biển miền Trung Việt Nam luôn chịu tác động dữ dội của các điều kiện khí tượng hải văn phức tạp. Từ thập niên 1980, hiện tượng xói lở bờ biển tại khu vực cửa biển Thuận An thuộc tỉnh Thừa Thiên Huế đã diễn biến nghiêm trọng, với tốc độ sạt lở tại bờ bắc xã Hải Dương lên tới 10m/năm và bờ nam khu vực Thuận An – Phú Thuận dao động từ 5m đến 6m/năm. Tình trạng này đe dọa trực tiếp đến đời sống dân cư và hệ sinh thái đầm phá Tam Giang – Cầu Hai. Nhằm giải quyết tình trạng khẩn cấp, dự án kè chắn sóng và kè mỏ hàn giai đoạn 1 đã được xây dựng hoàn thiện trong giai đoạn 2008 – 2010.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là đánh giá định lượng sự biến đổi của trường thủy động lực học, quá trình vận chuyển bùn cát và xu thế biến động đáy biển tại vùng lân cận công trình bảo vệ bờ cửa Thuận An dưới tác động tổng hợp của sóng và dòng chảy. Mục tiêu cụ thể là xây dựng bộ công cụ số trị tích hợp, mô phỏng chi tiết các quá trình động lực học ven bờ và làm rõ cơ chế bồi lấp luồng hàng hải sau khi có sự hiện diện của hệ thống kè.

Phạm vi không gian nghiên cứu bao quát toàn bộ vùng biển ven bờ cửa Thuận An với chiều dài bờ biển 15.000m và vươn ra khơi 12.000m đến độ sâu khoảng 30m. Khung thời gian dữ liệu sử dụng chuỗi số liệu tái phân tích khí tượng hải văn 21 năm (1991 – 2011) cùng 12 đợt đo đạc thực địa từ tháng 1/2007 đến tháng 6/2012. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp giải pháp dự báo bồi xói với độ phân giải lưới tính chi tiết 25m x 25m, giúp nâng cao độ chính xác trong công tác quản lý luồng tàu lên trên 85% và tối ưu hóa quy hoạch công trình biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng tổ hợp hai mô hình toán thủy động lực học ven bờ tiên tiến trong hệ thống phần mềm SMS (Surface-water Modeling System):

  1. Mô hình sóng CMS-wave: Hoạt động dựa trên việc giải phương trình cân bằng tác động sóng dạng ổn định của Mase (2001). Mô hình mô phỏng đầy đủ các quá trình vật lý phức tạp bao gồm khúc xạ sóng, phản xạ sóng, suy giảm năng lượng do ma sát đáy theo mô hình Collins (1972), sóng vỡ do độ sâu theo tiêu chuẩn Miche (1951) và tương tác phi tuyến sóng - dòng chảy thông qua độ lệch tần số Doppler. Hệ số nhiễu xạ sóng được thiết lập giá trị chuẩn bằng 4 quanh các kết cấu kè biển.
  2. Mô hình dòng chảy và vận chuyển trầm tích CMS-flow: Sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn giải hệ phương trình nước nông hai chiều tích phân theo độ sâu (2D depth-averaged Saint-Venant). Động lực dòng chảy tích hợp lực Coriolis, ứng suất gió theo hàm Charnock và Hsu, ứng suất đáy phi tuyến kết hợp sóng và dòng chảy theo Nishimura (1988), và ten-sơ ứng suất bức xạ sóng.
  3. Mô hình vận chuyển trầm tích Lund-CIRP (Camenen và Larson, 2006): Tính toán phân tách lượng vận chuyển bùn cát di đáy và trầm tích lơ lửng dưới tác động đồng thời của sóng và dòng triều. Quá trình bồi tụ và xói lở đáy biển được xác định qua phương trình cân bằng khối lượng bảo toàn thể tích trầm tích liên tục và phương trình bình lưu - khuếch tán nồng độ hạt cát.

Các khái niệm then chốt bao gồm: ứng suất bức xạ sóng, tham số độ nhám đáy tổng hợp Soulsby (1997), tham số Shields tới hạn và chiều cao sóng biến đổi hình thái đáy (Hmor) theo đề xuất của Roelvink (2001).

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích thống kê chuỗi thời gian dài, mô phỏng số trị ghép đôi tương tác hai chiều và kiểm chứng đo đạc thực địa:

  • Nguồn dữ liệu đầu vào: Trường gió bề mặt tái phân tích từ NCEP độ phân giải 0.5 độ với tần suất 3 giờ/lần. Trường sóng nước sâu 21 năm (1991 – 2011) được tính toán truyền sóng từ mô hình SWAN trên lưới phân giải 0.25 độ toàn Biển Đông, kiểm chứng độc lập tại trạm giàn khoan MSP-1 Bạch Hổ và 3 cơn bão lớn (bão Frankie năm 1996, bão Linda năm 1997, bão Wukong năm 2000). Bản đồ địa hình đáy biển tỷ lệ 1/100.000 kết hợp đo đạc chi tiết tỷ lệ 1/25.000. Dữ liệu dao động đường bờ qua 12 đợt khảo sát thực tế bằng máy định vị vệ tinh vi sai từ năm 2007 đến năm 2012 thuộc dự án hợp tác Việt Nam – Thụy Điển VS/RDE-03.
  • Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu: Phân tích thống kê hơn 61.300 quan trắc sóng nước sâu trong 21 năm để phân chia thành 6 cung hướng sóng chính tác động đến bờ biển Thuận An (-90° đến +90° so với pháp tuyến đường bờ). Dữ liệu hiệu chỉnh động lực học chọn mẫu đo đạc liên tục 24 giờ tại trạm khảo sát V1 ngày 21 – 22/4/2007 với 3 tầng đo vận tốc dòng chảy (tầng mặt, tầng giữa, tầng đáy) và mực nước triều.
  • Thiết lập mô hình và kết nối hai chiều: Lưới tính CMS-wave dạng chữ nhật kích thước 300 x 480 ô (15.000m x 12.000m), kích thước ô 25m x 50m, xoay trục 240 độ song song đẳng sâu. Lưới tính CMS-flow là lưới phi đồng nhất có độ phân giải từ 25m x 25m tại vùng cửa và chân kè đến 100m x 100m ở biên ngoài theo hệ số dãn biên 1.01. Hai mô hình trao đổi dữ liệu hai chiều sau mỗi bước thời gian 3 giờ: CMS-wave truyền trường ứng suất bức xạ và phổ sóng cho CMS-flow; CMS-flow truyền lại mực nước tức thời, trường dòng chảy và địa hình đáy đã cập nhật.
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Việc kết nối hai chiều giữa CMS-wave và CMS-flow là giải pháp tối ưu cho vùng cửa sông ven biển, nơi hiện tượng sóng vỡ sinh dòng chảy dọc bờ và dòng triều làm biến tính phổ sóng diễn ra đồng thời với cường độ mạnh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng 6 kịch bản hướng sóng với tổng thời gian 720 giờ (30 ngày) cho mỗi kịch bản đã mang lại các phát hiện khoa học định lượng rõ nét:

  1. Đặc trưng trường sóng chi phối: Phân tích hoa sóng nhiều năm cho thấy các hướng sóng Đông (E) và Đông Bắc (NE) chiếm tỷ trọng vượt trội trên 90% tổng thời gian trong năm. Chiều cao sóng biến đổi hình thái Hmor đạt cực đại từ 1.8m đến 2.5m trong cung hướng 60° – 90° (hướng khí tượng Đông Bắc – Đông), đóng vai trò là động lực chủ đạo gây xáo động đáy biển và dịch chuyển bùn cát ven bờ.
  2. Hiệu quả cách ly bảo vệ bờ bắc của kè S1, S2, B: Hệ thống đê kè đá đổ khép kín hình tam giác tại xã Hải Dương đã chặn đứng 100% tác động trực tiếp của sóng biển và dòng chảy dọc bờ vào đường bờ tự nhiên. Tình trạng sạt lở 10m/năm trước đây đã hoàn toàn chấm dứt, tạo lập trạng thái ổn định tuyệt đối cho dải bờ phía trong công trình.
  3. Cơ chế bẫy cát bồi tụ tại bờ nam của kè mỏ hàn N: Kè mỏ hàn bờ nam cản trở dòng vận chuyển trầm tích dọc bờ hướng từ nam lên bắc trong mùa gió tây nam và điều tiết bùn cát trong mùa gió đông bắc. Kết quả mô phỏng cho thấy bãi biển phía nam kè mỏ hàn chuyển hoàn toàn từ xói lở 5m/năm sang bồi tụ mạnh, hình thành bãi bồi cát thoải vươn rộng từ 30m đến 50m ra phía biển trên đoạn bờ dài hơn 400m sau 30 ngày tính toán.
  4. Hiện tượng bồi lắng luồng hàng hải và xuất hiện bãi ngầm trung tâm: Dưới tác động của sóng hướng Đông và Đông Bắc kết hợp pha triều rút, trầm tích đáy bị cuốn trôi từ vùng nước nông và lắng đọng tại khu vực giảm vận tốc trước cửa biển. Độ sâu luồng tàu tại trung tâm cửa bị bồi lấp cục bộ từ độ sâu ban đầu 15m giảm xuống chỉ còn khoảng 6m đến 8m tại một số vị trí mặt cắt ngang, tạo thành các dải cồn cát ngầm gây cản trở tàu thuyền.

Thảo luận kết quả

Cơ chế động lực học giải thích hiện tượng bồi lấp luồng bắt nguồn từ sự suy giảm đột ngột của năng lượng dòng chảy khi dòng triều rút từ phá Tam Giang mở rộng ra biển Đông. Tại vị trí chuyển tiếp này, lực ma sát đáy và hiện tượng khúc xạ sóng làm giảm đáng kể khả năng tải cát lơ lửng, dẫn đến sự sa lắng nhanh chóng của cấp phối hạt mịn d50.

Khi so sánh với các nghiên cứu chỉnh trị cửa sông tại dải ven biển miền Trung, kết quả tính toán hoàn toàn tương đồng về quy luật dòng vận chuyển cát dọc bờ chiếm ưu thế theo hướng Bắc – Nam vào mùa đông và Nam – Bắc vào mùa hè. Kết quả biến đổi đáy tính toán sau 720 giờ khớp hoàn toàn với bản đồ đường bờ đo đạc GPS tháng 6/2012 và ảnh chụp thực địa các bãi cồn cát ngầm tại cửa Thuận An.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị so sánh biến động đáy tại 5 mặt cắt đo dọc và ngang luồng (mặt cắt số 1 đến số 5). Đồ thị mặt cắt chỉ rõ: tại mặt cắt số 1 và số 2 ở cửa ngoài, cao độ đáy biển có xu hướng nâng cao trung bình từ 0.75m đến 1.2m do cát bồi tụ; trong khi tại mặt cắt số 4 và số 5 phía trong cửa, lòng dẫn duy trì trạng thái xói nhẹ từ 0.2m đến 0.4m do vận tốc dòng triều đạt xấp xỉ 1.1 m/s trong các kỳ triều cường.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả mô phỏng định lượng và thực trạng biến động đáy biển sau giai đoạn 1, các giải pháp công trình và phi công trình được đề xuất cụ thể:

  1. Kéo dài đê chắn sóng phía bắc: Ủy ban nhân dân tỉnh Thừa Thiên Huế và Ban Quản lý Dự án Giao thông cần chỉ đạo kéo dài tuyến đê kè bờ bắc thêm 150m đến 200m hướng ra biển sâu trước năm 2015. Mục tiêu nhằm chặn dòng cát dịch chuyển từ hướng Đông Bắc tràn vào cửa, duy trì ổn định độ sâu luồng hàng hải đạt chuẩn trên -6.5m.
  2. Kế hoạch nạo vét duy tu định kỳ luồng hàng hải: Cục Hàng hải Việt Nam và Công ty Bảo đảm An toàn Hàng hải cần xây dựng quy trình nạo vét cơ giới định kỳ với khối lượng dự toán khoảng 120.000m³ đến 150.000m³/năm tại khu vực bar cát trung tâm cửa biển Thuận An, đảm bảo cho tàu thuyền tải trọng 1.000 DWT ra vào an toàn cảng Thuận An.
  3. Hiện đại hóa mạng lưới quan trắc hải văn tự động: Trung tâm Khảo sát Nghiên cứu Tư vấn Môi trường Biển cần lắp đặt 2 trạm đo sóng và mực nước tự động truyền dữ liệu theo thời gian thực (real-time) với chu kỳ thu thập 60 phút/lần trong giai đoạn 2013 – 2014, nhằm phục vụ công tác hiệu chỉnh các kịch bản dự báo bão lũ hàng năm.
  4. Tích hợp mô hình số trị vào quy hoạch không gian biển: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thừa Thiên Huế cần bắt buộc áp dụng công cụ mô hình CMS-flow và CMS-wave trong quá trình thẩm định đánh giá tác động môi trường của mọi công trình lấn biển, giúp tiết kiệm ít nhất 35% chi phí xử lý sạt lở phát sinh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước và Ban quản lý dự án cảng biển: Cán bộ quản lý tại Sở Giao thông Vận tải, Sở Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn tỉnh Thừa Thiên Huế có thể sử dụng số liệu bồi xói tại 5 mặt cắt để lập dự toán và thiết kế kỹ thuật cho giai đoạn 2 của dự án chỉnh trị cửa Thuận An.
  2. Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy công và ven biển: Các chuyên gia xây dựng công trình cảng - đường thủy khai thác bộ thông số nhám Manning, hệ số nhiễu xạ kè κ=4 và quy trình thiết lập lưới tính phi đồng nhất 25m x 25m phục vụ tính toán ổn định kết cấu kè và đê chắn sóng.
  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Hải dương học, Thủy văn: Giới nghiên cứu tiếp cận phương pháp luận xử lý chuỗi sóng 21 năm từ SWAN, ứng dụng công thức Lund-CIRP và cơ chế tương tác sóng - dòng chảy trong điều kiện bán nhật triều biên độ nhỏ 0.25m.
  4. Học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Biển, Quản lý Vùng bờ: Học viên có được tài liệu tham khảo chuẩn mực về quy trình hiệu chỉnh mô hình số trị bằng sai số thống kê BIAS và RMS từ dữ liệu trạm quan trắc thực địa.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phải kết nối tương tác hai chiều giữa CMS-wave và CMS-flow? Sự tương tác sóng và dòng chảy tại cửa biển diễn ra liên tục. CMS-wave cung cấp ứng suất bức xạ sóng để CMS-flow tính toán dòng chảy do sóng vỡ và dòng chảy bùn cát. Ngược lại, CMS-flow cập nhật mực nước dao động và trường dòng chảy ngược để CMS-wave điều chỉnh hiện tượng dâng nước do sóng và sóng đổ. Việc trao đổi 3 giờ/lần giúp loại bỏ sai số ước tính độ sâu lên tới 40% so với mô hình một chiều.

Chỉ số chiều cao sóng biến đổi hình thái Hmor có ưu điểm gì so với chiều cao sóng hữu hiệu trung bình? Chiều cao sóng Hmor được tính toán theo công thức lũy thừa bậc 2.5 của chiều cao sóng và tần suất xuất hiện (Roelvink, 2001). Chỉ số này phản ánh chính xác năng lượng sóng thực tế có khả năng gây xáo động đáy biển và bốc dỡ hạt cát, thay vì tính trung bình số học thông thường vốn làm triệt tiêu tác động của các đợt sóng lớn trong mùa gió đông bắc.

Kè mỏ hàn ở bờ nam đã làm thay đổi bãi tắm Thuận An như thế nào? Trước năm 2008, bãi tắm Thuận An bị xói lở từ 5m đến 6m mỗi năm. Sau khi xây dựng kè mỏ hàn N dài hơn 200m vuông góc bờ, công trình đã hoạt động như một bẫy cát tự nhiên, giữ lại bùn cát dịch chuyển dọc bờ và mở rộng bãi bồi thêm 30m đến 50m, khôi phục cảnh quan phục vụ du lịch.

Mô hình có tính đến yếu tố lưu lượng xả lũ từ hệ thống sông Hương vào mùa mưa không? Nghiên cứu tập trung vào động lực học sóng và dòng triều trong điều kiện thủy hải văn mùa khô và mùa gió mùa điển hình với biên độ triều 0.25m. Do đó, lưu lượng xả lũ tức thời từ các sông chưa được đưa vào biên đất, tạo dư địa mở rộng cho các nghiên cứu tiếp theo vào mùa mưa lũ cực đoan.

Dữ liệu sóng tính toán được kiểm chứng với những sự kiện bão thực tế nào? Chuỗi sóng nước sâu SWAN được kiểm chứng đối sánh chi tiết với số liệu đo thực tế từ giàn khoan MSP-1 Bạch Hổ giai đoạn tháng 10 – 12/2002 và 3 cơn bão nhiệt đới mạnh trên Biển Đông gồm bão Frankie (tháng 7/1996), bão Linda (tháng 11/1997) và bão Wukong (tháng 9/2000) với sai số chiều cao sóng dưới 0.3m.

Kết luận

  • Ứng dụng thành công hệ thống mô hình tích hợp hai chiều CMS-wave và CMS-flow mô phỏng chi tiết 720 giờ biến động đáy biển vùng ven bờ cửa Thuận An.
  • Phân tích và xử lý bộ cơ sở dữ liệu sóng nước sâu 21 năm (1991 – 2011), xác định sóng hướng Đông và Đông Bắc chiếm trên 90% tần suất, chi phối toàn diện chế độ động lực học bùn cát.
  • Chứng minh tính hiệu quả công trình kè biển giai đoạn 1: bảo vệ tuyệt đối bờ bắc Hải Dương và tạo bãi bồi mở rộng 30m – 50m tại bờ nam Thuận An.
  • Xác định định lượng nguyên nhân bồi lấp luồng hàng hải do sự hình thành cồn cát ngầm tại trung tâm cửa, làm giảm độ sâu đáy biển từ 15m xuống còn 6m – 8m.
  • Đề xuất giải pháp kéo dài đê chắn sóng phía bắc thêm 150m – 200m và duy trì nạo vét 120.000m³/năm luồng tàu trước năm 2015.

Nghiên cứu đã đặt nền móng khoa học vững chắc cho việc quy hoạch giai đoạn 2 công trình chỉnh trị cửa Thuận An. Các đơn vị tư vấn và nhà khoa học quan tâm có thể khai thác toàn văn luận văn tại Trung tâm Thông tin - Thư viện Đại học Quốc gia Hà Nội để ứng dụng mô hình số trị vào các dự án công trình ven biển tương tự.