Nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ và giải pháp công trình ổn định bãi biển,áp dụng cho bãi biển xương huân, vịnh nha trang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VIỆT ĐỨC

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ VÀ GIẢI PHÁP
CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH BÃI BIỂN, ÁP DỤNG CHO BÃI BIỂN
XƯƠNG HUÂN, VỊNH NHA TRANG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VIỆT ĐỨC

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ VÀ GIẢI PHÁP
CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH BÃI BIỂN, ÁP DỤNG CHO BÃI BIỂN
XƯƠNG HUÂN, VỊNH NHA TRANG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
Mã số: 62-58-02-02

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Trung Việt
GS.TS.NGND. Nguyễn Chiến

HÀ NỘI, NĂM 2016


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả. Các kết quả nghiên
cứu cũng như các kết luận trong luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu được thực hiện
trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định.
Tác giả luận án

Nguyễn Việt Đức

i


LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Các vị lãnh đạo Ban giám hiệu nhà trường, Phòng Đào tạo ĐH & SĐH, Khoa Công trình,
Bộ môn Thủy công - Khoa Công trình và Công ty TV&XD công trình Miền trung đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi và động viên NCS trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Ban chủ nhiệm đề tài Nghị định thư cấp nhà nước hợp tác với Viện Nghiên cứu vì sự
phát triển Pháp (IRD) “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát
vùng cửa sông và bờ biển vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” đã cho phép tác giả là
thành viên trực tiếp tham gia các hoạt động nghiên cứu và sử dụng các số liệu trong
khuôn khổ Đề tài.
GS. TS. NGND Phạm Ngọc Quý chủ tịch Hội đồng cùng các nhà khoa học trong Hội
đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Cơ sở.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các nhà khoa học đã quan tâm chia sẻ, góp ý
và bổ sung cho tác giả nhiều thông tin bổ ích qua cuộc Hội thảo mở rộng, Báo cáo
chuyên đề cũng như trong quá trình thực hiện luận án.

Giáo sư Hitoshi Tanaka Đại học Tohoku, Nhật Bản; Giáo sư Cheng Đại học
Massachusetts Dartmouth, Hoa Kỳ trong thời gian tác giả học tập, tham quan thực tế tại
Nhật Bản và Hoa Kỳ.
TS. Nguyễn Văn Thìn, TS. Hồ Sỹ Tâm, TS. Nguyễn Xuân Tính đã tận tình giúp đỡ, đóng
góp những ý kiến quý báu để tác giả hoàn thiện luận án.
Đặc biệt, NCS xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Trung Việt, GS.TS. NGND.
Nguyễn Chiến đã tận tình hướng dẫn cho NCS trong việc hình thành ý tưởng khoa học và
các hoạt động nghiên cứu để NCS hoàn thành luận án này.
Cuối cùng, tác giả xin trân trọng cảm ơn gia đình, người thân, đồng nghiệp đã luôn sát
cánh chia sẻ, động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn khi thực hiện luận án này.
Tác giả luận án

Nguyễn Việt Đức
ii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU……… .............................................................................................................1
1.

Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................... 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 3

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................3

4.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .............................................................. 3

5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................4

6.

Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 5

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG
ĐỚI BỜ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH BÃI BIỂN.......................................6
1.1

Giới thiệu chung .......................................................................................................................... 6

1.1.1

Khái niệm về đới bờ biển ............................................................................................. 6

1.1.2

Các vấn đề KH-CN trong nghiên cứu biến động đới bờ biển .................................. 7

1.2 Tổng quan các nghiên cứu ở nước ngoài về cơ chế biến động đới bờ và giải pháp
công trình ổn định bãi biển biển ........................................................................................................ 7
1.2.1

Lịch sử nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển ..................................................... 7

1.2.2

Các nghiên cứu về biến động đới bờ biển .................................................................. 8

1.2.3

Tổng quan về phương pháp nghiên cứu biến động đới bờ biển............................... 9

1.2.4

Tổng quan về các mô hình số trị mô phỏng sóng và dòng chảy ............................ 10

1.2.5

Tổng quan về tính toán vận chuyển bùn cát ven bờ ................................................ 12

1.2.6

Tổng quan các nghiên cứu về công trình bảo vệ và tôn tạo bờ, bãi biển............... 14

1.3

Tổng quan nghiên cứu trong nước về biến động đới bờ và giải pháp ổn định bãi biển.. 19

1.3.1

Nghiên cứu biến động đới bờ biển ............................................................................ 19

1.3.2

Nghiên cứu về giải pháp công trình ổn định và tôn tạo bãi biển ............................ 21

1.3.3

Những nghiên cứu đã có về bờ biển tỉnh Khánh Hòa và vịnh Nha Trang............ 23

1.4

Đặt vấn đề nghiên cứu của luận án ......................................................................................... 25

1.5

Kết luận chương 1 ..................................................................................................................... 25

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ
BIỂN.................. ............................................................................................................27
2.1

Các yếu tố chính gây nên biến động đới bờ biển vịnh Nha Trang .................................. 27

2.1.1

Địa hình, địa mạo khu vực vịnh Nha Trang ............................................................. 27
iii

2.1.2

Phân bố trầm tích khu vực vịnh Nha Trang ............................................................. 28

2.1.3

Dòng chảy từ sông Cái, vịnh Nha Trang .................................................................. 29

2.1.4

Chế độ thủy triều trong vịnh Nha Trang................................................................... 30

2.1.5

Chế độ sóng ................................................................................................................. 31

2.1.6

Chế độ dòng chảy trong vịnh Nha Trang ................................................................. 32

2.1.7

Về tác động từ con người ........................................................................................... 33

2.1.8

Phân tích sơ bộ các nguyên nhân gây diễn biến bãi biển theo mùa ....................... 34

2.2

Các số liệu cơ bản phục vụ nghiên cứu.................................................................................. 35

2.2.1

Tài liệu địa hình........................................................................................................... 35

2.2.2

Số liệu thủy, hải văn.................................................................................................... 36

2.2.3

Số liệu bùn cát đáy ...................................................................................................... 40

2.3

Mô hình chuyển động bùn cát dọc bờ trong đới bờ biển..................................................... 40

2.4

Các phương pháp nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển.............................................. 43

2.4.1

Nghiên cứu biến động theo mùa của bãi biển từ hình ảnh thu được bằng Camera 43

2.4.2

Sử dụng phương pháp phao trôi nghiên cứu dòng chảy tổng hợp ven bờ biển.... 43

2.4.3

Sử dụng phương pháp mô hình toán nghiên cứu biến động đới bờ biển .............. 48

2.5

Kết luận chương 2 ..................................................................................................................... 64

CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ BIỂN XƯƠNG
HUÂN, VỊNH NHA TRANG.......... .............................................................................66
3.1

Phân tích quy luật bồi, xói bãi biển từ kết quả quan trắc bằng Camera .................. 66

3.1.1

Phân tích số liệu hình ảnh từ Camera........................................................................ 66

3.1.2

Phân tích quy luật biến động trên mặt bằng của bãi biển khu vực nghiên cứu..... 68

3.2

Tính toán lượng và phương vận chuyển bùn cát dọc bờ ..................................................... 70

3.2.1 Tính toán lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ theo công thức thực nghiệm PelnardConsidere với bộ số liệu từ Camera......................................................................................... 70
3.2.2
3.3

Xác định phương chuyển động bùn cát dọc bờ theo quỹ đạo dòng chảy tổng hợp 72

Nghiên cứu biến đổi địa hình đới bờ biển Xương Huân bằng mô hình toán ................... 73

3.3.1

Chế độ thủy động lực học khu vực vịnh Nha Trang ............................................... 74

3.3.2

Chế độ thủy động lực học khu vực nghiên cứu ....................................................... 75

3.3.3

Dòng chảy tổng hợp dư ven bờ tại khu vực nghiên cứu ......................................... 77
iv


3.3.4 Kết quả nghiên cứu tác động của sóng và dòng chảy tổng hợp ven bờ đến đới bờ
biển khu vực nghiên cứu........................................................................................................... 78
3.3.5

Kết quả mô phỏng diễn biến bồi, xói tại khu vực nghiên cứu................................ 84

3.3.6 So sánh lưu lượng vận chuyển bùn cát giữa phương pháp thực nghiệm và phương
pháp số …………………………………………………………………………… 85
3.4

Kết luận chương 3 ..................................................................................................................... 86

CHƯƠNG 4
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH,
TÔN TẠO BÃI BIỂN XƯƠNG HUÂN, VỊNH NHA TRANG ...................................88
4.1

Hiện trạng khu vực và mục tiêu cải tạo.................................................................................. 88

4.1.1

Hiện trạng bãi biển khu vực nghiên cứu................................................................... 88

4.1.2

Mục tiêu cải tạo ........................................................................................................... 89

4.2

Các căn cứ khoa học đề xuất phương án ............................................................................... 89

4.3

Các phương án bố trí tổng thể công trình ngăn cát, giảm sóng .......................................... 90

4.3.1

Giải pháp chung .......................................................................................................... 90

4.3.2

Các phương án bố trí tổng thể.................................................................................... 90

4.4

Đánh giá hiệu quả kỹ thuật của các phương án bố trí công trình ....................................... 92

4.4.1

Phương pháp đánh giá ................................................................................................ 92

4.4.2

Trường dòng chảy sau khi bố trí các phương án công trình chỉnh trị.................... 92

4.4.3

Biến đổi địa hình đới bờ biển theo các phương án bố trí công trình ...................... 96

4.4.4

Lựa chọn phương án công trình chỉnh trị ............................................................... 101

4.5

Kết luận chương 4 ...................................................................................................................101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................102
I.

Những kết quả đạt được của luận án ....................................................................................102

II.

Những đóng góp mới của luận án ........................................................................................106

III.

Những tồn tại và kiến nghị hướng tiếp tục nghiên cứu......................................................106

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................108
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................110
PHẦN PHỤ LỤC ........................................................................................................116

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 0.1 Một số tồn tại của bãi tắm biển Nha Trang [2] ................................................2
Hình 1.1. Định nghĩa về đới bờ biển [3]..........................................................................6
Hình 1.2. Sơ đồ tính toán đánh giá biến động đới bờ biển ............................................10
Hình 1.3 Tỷ lệ phân bố các dạng công trình bảo vệ bờ biển tại Châu Âu (1988) [18] .15
Hình 1.4 Hình ảnh kết hợp ba loại công trình trên bãi tắm Jaywich (Anh) [2].............18
Hình 1.5 Bãi biển Fiumicino, Roma (Italy) [2] ............................................................. 18
Hình 1.6 Bãi biển tại Dubai (UAE) [2] .........................................................................18
Hình 1.7 Bãi biển tại Malaga (Tây Ban Nha) [2] .......................................................... 18
Hình 1.8. Một số hình ảnh tiêu biểu về công trình bảo vệ bờ biển ở Việt Nam [2] ......23
Hình 2.1 Địa hình, địa mạo vịnh Nha Trang [37] ......................................................... 27
Hình 2.2 Mặt cắt bãi biển tại khu vực Xương Huân (độ dốc 2%) [2] .......................... 28
Hình 2.3 Sơ đồ trầm tích tầng mặt vịnh Nha Trang [37]. .............................................29
Hình 2.4 Phân bố các vùng có rạn san hô chết và đá gốc vùng phía Bắc cửa sông Cái [2]..29

Hình 2.5 Diễn biến khu vực cửa sông Cái Nha Trang [2] .............................................30
Hình 2.6 Hoa sóng ngoài khơi vịnh Nha Trang [2] .......................................................31
Hình 2.7 Elip triều tại biển Nha Trang [2] ....................................................................33
Hình 2.8 Tác dụng ngăn cát, giảm sóng dọc bờ của các công trình nhô ngang bãi. .....34
Hình 2.9 Tổng hợp địa hình khu vực Vịnh Nha Trang (a) và địa hình sau khi nội suy
số liệu với khoảng cách ô lưới 5x5m (b) .......................................................................36
Hình 2.10 Vị trí trạm đo trong hai đợt khảo sát tháng 5 và tháng 12 năm 2013 ...........37
Hình 2.11 Kết quả khảo sát mực nước và sóng (5/2013) ..............................................38
Hình 2.12 Kết quả khảo sát vận tốc trung bình (5/2013). .............................................38
Hình 2.13 Kết quả khảo sát mực nước và sóng (12/2013). ...........................................39
Hình 2.14 Kết quả khảo sát vận tốc trung bình (12/2013). ...........................................39
Hình 2.15 Vị trí lấy mẫu bùn cát đáy ............................................................................40
Hình 2.16 Thành phần hạt đưa vào mô hình .................................................................40
Hình 2.17 Sơ đồ cân bằng bùn cát vận chuyển dọc bờ [47] ..........................................41
Hình 2.18 Sơ đồ sai phân hữu hạn đường bờ và lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ
(Horikawa, 1988) [49] ...................................................................................................42
vi


Hình 2.19 Vị trí lắp đặt hệ thống giám sát ở khu vực nghiên cứu [2] ........................... 43
Hình 2.20 Sơ đồ cấu tạo của phao dạng chữ X theo mẫu của Davis 1985....................45
Hình 2.21 Hình ảnh các phao sau khi chế tạo hoàn thiện .............................................46
Hình 2.22 Dao động mực nước thủy triều tại khu vực Nha Trang (từ 26/11 đến
30/11/2015) ....................................................................................................................47
Hình 2.23 Lắp đặt, thử nghiệm và thả phao tại khu vực cửa sông Cái và ven biển vịnh
Nha Trang (11/2015) .....................................................................................................47
Hình 2.24 Sơ đồ khối tính toán của mô hình toán tổng hợp..........................................48
Hình 2.25 Lưới tính toán và biên đầu vào cho mô hình toán ........................................49
Hình 2.26 Trường vận tốc tại thời kỳ triều lên và thời kỳ triều rút ............................... 52
Hình 2.27 Kết quả so sánh độ lớn vận tốc dòng chảy tại Trạm A (5/2013) ..................53

Hình 2.28 Mực nước thực đo và tính toán trạm B đợt khảo sát tháng 5/2013 ..............55
Hình 2.29 Mực nước thực đo và tính toán Trạm A (12/2013) ......................................55
Hình 2.30 Mực nước thực đo và tính toán Trạm C (12/2013) ......................................55
Hình 2.31 Kết quả so sánh độ lớn vận tốc dòng chảy Trạm A (12/2013) .....................56
Hình 2.32 Hoa sóng khu vực Nha Trang trong gió mùa Đông Bắc (a),........................ 58
Hình 2.33 Độ cao và chu kỳ sóng tại biên nước sâu, vịnh Nha Trang (05/2013) .........59
Hình 2.34 Kết quả độ cao sóng tính toán tại một thời điểm (05/2013) ......................... 59
Hình 2.35 Kiểm chứng độ cao sóng tại Trạm A (5/2013) .............................................61
Hình 2.36 Kiểm chứng chu kỳ sóng tại Trạm A (5/2013) ............................................61
Hình 2.37 Độ cao và chu kỳ sóng tại biên nước sâu, vịnh Nha Trang (12/2013) .........62
Hình 2.38 Kiểm chứng độ cao sóng tại Trạm A (12/2013). .........................................62
Hình 2.39 Kiểm chứng chu kỳ sóng tại Trạm A (12/2013). ........................................62
Hình 2.40 Kết quả so sánh mực nước đo đạc và tính toán tại Cầu Trần Phú ................63
Hình 2.41 Kết quả so sánh quỹ đạo phao giữa thực đo và mô phỏng trong trường hợp ở
khu vực cửa sông Cái ....................................................................................................63
Hình 2.42 Kết quả so sánh quỹ đạo phao giữa thực đo và mô phỏng trong trường hợp
thả ven bờ biển...............................................................................................................63
Hình 2.43 So sánh vận tốc phao trôi và vận tốc dòng chảy tính toán ........................... 64
Hình 3.1 Hình ảnh biến đổi đường bờ thu được từ Camera [51] ..................................67
Hình 3.2 Diễn biến đường bờ biển trên mặt bằng khu vực nghiên cứu [2]...................68
vii


Hình 3.3 Biến động đường bờ biển khu vực nghiên cứu trong năm 2013 [2] ..............68
Hình 3.4 Biến đổi của chiều rộng bãi biển tại một số vị trí trắc ngang đặc trưng [2] ...69
Hình 3.5 Kết quả giải đoán đường bờ và chiều rộng bãi Ys từ ảnh Camera [2] ...........71
Hình 3.6 Biểu đồ xác định lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ trong các tháng ......71
Hình 3.7 Kết quả thả phao ở cửa sông Cái........................................................................72
Hình 3.8 Vị trí doi cát ngầm tự nhiên ............................................................................72
Hình 3.9 Kết quả đo quỹ đạo dòng chảy tổng hợp ven bờ khu vực nghiên cứu................73

Hình 3.10 Trường dòng chảy dư trong thời kỳ gió mùa Tây Nam - Mùa hè ................74
Hình 3.11 Trường dòng chảy dư trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc - Mùa đông...........74
Hình 3.12 Ảnh hưởng của dòng chảy sông Cái đến khu vực nghiên cứu trong gió mùa
Tây Nam ........................................................................................................................ 75
Hình 3.13 Hoa dòng chảy khu vực nghiên cứu trong gió mùa Tây Nam .....................76
Hình 3.14 Ảnh hưởng của dòng chảy sông Cái đến khu vực nghiên cứu trong gió mùa
Đông Bắc .......................................................................................................................76
Hình 3.15 Hoa dòng chảy khu vực nghiên cứu trong gió mùa Đông Bắc ....................77
Hình 3.16 Mặt cắt ngang trích xuất lưu lượng dòng chảy.............................................77
Hình 3.17 Lưu lượng dòng chảy dư qua mặt cắt ngang trong năm 2013 ......................78
Hình 3.18 Trường ứng suất đáy tổng cộng trong gió mùa Đông Bắc ........................... 78
Hình 3.19 Trường ứng suất đáy tổng cộng trong gió mùa Tây Nam ............................ 78
Hình 3.20 Trường ứng suất đáy do sóng trong gió mùa Đông Bắc .............................. 79
Hình 3.21 Trường ứng suất đáy do dòng chảy trong gió mùa Đông Bắc .....................79
Hình 3.22 Trường ứng suất đáy do sóng trong gió mùa Tây Nam................................ 79
Hình 3.23 Trường ứng suất đáy do dòng chảy trong gió mùa Tây Nam ......................79
Hình 3.24 Các mặt cắt khảo sát biến thiên ứng suất đáy...............................................80
Hình 3.25 Ứng suất đáy trong thời kỳ triều lên tại Mặt cắt 02 - Gió mùa Tây Nam ....80
Hình 3.26 Ứng suất đáy trong thời kỳ triều rút tại Mặt cắt 02 - Gió mùa Tây Nam .....81
Hình 3.27 Ứng suất đáy trong thời kỳ triều lên tại Mặt cắt 02 - Gió mùa Đông Bắc ...81
Hình 3.28 Ứng suất đáy trong thời kỳ triều rút tại Mặt cắt 02 - Gió mùa Đông Bắc....81
Hình 3.29 Các điểm khảo sát ứng suất đáy ...................................................................82
Hình 3.30 Biến thiên ứng suất đáy trong thời kỳ gió mùa Tây Nam ............................ 83
Hình 3.31 Biến thiên ứng suất đáy trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc ........................... 83
viii


Hình 3.32 Biến đổi địa hình đới bờ biển tại khu vực nghiên cứu trong năm 2013 .......84
Hình 3.33 Kết quả so sánh lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ giữa phương pháp
thực nghiệm Camera và mô hình số trị .........................................................................85

Hình 4.1 Vị trí bãi biển khu vực nghiên cứu .................................................................88
Hình 4.2 Sơ họa bố trí cụm công trình chỉnh trị khu vực nghiên cứu, phương án 02 ...91
Hình 4.3 Sơ họa bố trí cụm công trình chỉnh trị khu vực nghiên cứu, phương án 03 ...91
Hình 4.4 Sơ họa bố trí cụm công trình chỉnh trị khu vực nghiên cứu, phương án 04 ...91
Hình 4.5 Sơ họa bố trí cụm công trình chỉnh trị khu vực nghiên cứu, phương án 05 ...92
Hình 4.6. Vị trí kiểm tra so sánh kết quả trường vận tốc trên mô hình các phương án 92
Hình 4.7. Vận tốc dòng chảy tại vị trí 1 ứng với 4 phương án ......................................93
Hình 4.8. Vận tốc dòng chảy tại vị trí 2 ứng với 4 phương án ......................................94
Hình 4.9. Vận tốc dòng chảy tại vị trí 5 ứng với 4 phương án ......................................95
Hình 4.10. Bồi xói khu vực nghiên cứu sau 12 tháng theo các phương án ...................96
Hình 4.11 Khảo sát mức độ bồi xói theo mặt cắt ngang ...............................................97
Hình 4.12. Biến đổi địa hình đáy mặt cắt 1 ở các phương án .......................................97
Hình 4.13. Biến đổi địa hình đáy mặt cắt 3 ở các phương án .......................................98
Hình 4.14. Biến đổi địa hình đáy mặt cắt 5 ở các phương án .......................................98
Hình 4.15. Sơ họa khu vực tính thể tích bồi xói ..........................................................100
Hình 4.16. Thể tích bồi, xói khu vực tính toán trung bình tháng trong 4 phương án .100
Hình 4.17. Tổng thể tích bồi, xói khu vực tính toán trung bình tháng trong 4 phương án . 100
Hình 4.18. Sơ đồ tính toán đánh giá biến động đới bờ biển ........................................102

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Diện tích phân bố theo độ sâu vịnh Nha Trang .............................................27
Bảng 2.2 Thống kê tần suất mực nước trạm Cầu Đá (1/5/2013 đến 1/5/2014) ............31
Bảng 2.3 Số liệu lưu tốc thực đo (cm/s) trong vịnh Nha Trang [46]. ........................... 33
Bảng 2.4 Vị trí các trạm đo hải văn (05/2013 và 12/2013) ...........................................37
Bảng 2.5 Kết quả đo đạc và đánh giá sai số giữa phao đo và máy ADCP ....................44
Bảng 2.6 Kết quả tính toán tỷ số DAR của phao thiết kế..............................................46
Bảng 2.7 Các phương án thả phao .................................................................................47

Bảng 2.8 Các hằng số điều hòa của sóng triều tại biên lỏng phía Đông ........................... 50
Bảng 2.9 Kết quả hiệu chỉnh mô hình (5/2013) ............................................................ 54
Bảng 2.10 Kết quả kiểm chứng mô hình (12/2013) ......................................................57
Bảng 3.1 Biến động chiều rộng bãi biển (m) khu vực nghiên cứu................................ 70
Bảng 3.2 Kết quả đo vận tốc dòng chảy tổng hợp ven bờ (m/s) ...................................73
Bảng 3.3 Ứng suất đáy tổng cộng do sóng và dòng chảy tổng hợp gây ra (N/m2) .......82
Bảng 3.4 Ứng suất đáy do riêng dòng chảy tổng hợp (N/m2) .......................................82
Bảng 3.5 Ứng suất đáy do riêng sóng (N/m2) ............................................................... 83
Bảng 4.1. Vận tốc trung bình tháng (m/s) tại vị trí 1 ứng với 4 phương án ..................93
Bảng 4.2. Vận tốc trung bình tháng (m/s) tại vị trí 2 ứng với 4 phương án ..................94
Bảng 4.3. Vận tốc trung bình tháng (m/s) tại vị trí 5 ứng với 4 phương án ..................95

x


CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ

ADCP

Acoustic Doppler Current Profiler
Thiết bị đo các yếu tố thủy động lực học

DELFT3D

Mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều do trường Đại học
DELFT Hà Lan Phát triển

ĐGS

Đê giảm sóng

Đề tài

Đề tài Nghị định thư cấp nhà nước hợp tác với Viện Nghiên cứu vì
sự phát triển Pháp (IRD) “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và
vận chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển vịnh Nha Trang, tỉnh
Khánh Hòa”

EFDC

FVCOM

Environmental Fluid Dynamics Code
Mô hình thủy động lực học môi trường 3 chiều EFDC
Finite-Volume, primitive equation Community Ocean Model
Mô hình hoàn lưu biển sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn

GPS

Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu

GTVT

Giao thông vận tải

KTTV

Khí tượng thủy văn

KTXH

Kinh tế xã hội

KH-CN

Khoa học công nghệ

Khu vực
nghiên cứu

Khu vực đới bờ biển Xương Huân, chạy dọc đường Trần Phú từ Khách
sạn 378 Bộ Công an đến giao lộ Trần Phú-Yersin (Khu vực Xương Huân)

LPT

Lagrange Particle Tracking - Phương pháp hạt trôi

MHB

Mỏ hàn biển

MIKE

Mô hình thủy động lực học môi trường do Viện thủy lực Đan Mạch
phát triển

NBNT

Nuôi bãi nhân tạo

NOAA

National Oceanic and Atmospheric Administration - Trung tâm
nghiên cứu biển và khí quyển Mỹ

RNT

Rạn nhân tạo
xi


SMS

Surfacewater Modeling System - Hệ thống mô hình nước mặt

SWAN

Mô hình tính toán lan truyền sóng nước nông

UBND

Ủy ban nhân dân

Vịnh

vịnh Nha Trang

xii

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam với bờ biển dài hơn 3.260km, xuất phát từ phía Bắc xuống phía Nam, nằm vị
trí thứ 27 của thế giới, trên tổng số 157 quốc gia, quốc đảo, vùng lãnh thổ có tiếp giáp
với biển. Chỉ số chiều dài bờ biển trên diện tích đất liền của Việt Nam xấp xỉ 0,01km
(cứ 100km2 đất liền có 1km bờ biển). Trong 63 đơn vị hành chính (bao gồm các tỉnh và
thành phố trực thuộc trung ương) trên cả nước thì có 28 tỉnh, thành phố với gần một nửa
dân số sinh sống ven biển [1].
Vịnh Nha Trang nằm về phía Đông thành phố Nha Trang, là Vịnh lớn thứ hai sau vịnh Vân
Phong của tỉnh Khánh Hòa, với diện tích khoảng 500km2. Vịnh nằm trong giới hạn phía
Bắc là mũi Khe Cây (Kê Gà) và phía Nam là mũi Đồng Ba (Núi Cù Hin). Vịnh Nha Trang
là một trong 29 vịnh đẹp nhất Thế giới, là trung tâm du lịch và dịch vụ, có tốc độ tăng trưởng
kinh tế nhanh của tỉnh Khánh Hòa nói riêng và khu vực Nam Trung Bộ nói chung.
Bên cạnh những thế mạnh về du lịch, hiện tại khu vực bãi biển vịnh Nha Trang đang tồn
tại một số hạn chế sau:
Bãi biển hẹp, dốc và biến đổi theo mùa: Bãi biển từ Khách sạn 378 (Bộ Công an) đến
cảng Hải quân có độ dốc trung bình từ 2% đến 5%. Do bãi biển quá dốc, nước sâu áp
sát bờ, sóng leo cao và rút mạnh, gây nguy hiểm cho người tắm biển và do đó giảm sức
hấp dẫn về du lịch nói chung.
Sóng lớn thường xuyên tác động vào bờ: Với sóng hướng Đông Bắc khu vực Bãi Tiên
và đoạn bờ từ Tháp Trầm Hương đến Cảng Vinpearl bị sóng tác động mạnh nhất, chiều
cao sóng gần bờ trong bão có thể đạt tới 3,2m. Với sóng hướng Đông, toàn bộ khu bờ
từ cảng Vinpearl đến Bãi Tiên bị sóng tác động mạnh. Tuy nhiên, tần suất và cường độ
của sóng hướng Đông Bắc cao hơn sóng hướng Đông. Ngoài ra, còn có sóng lừng hoạt
động khá thường xuyên, chiều cao sóng lừng có thể đạt tới 2,0m. Khi có sóng lớn, ngọn
sóng có thể leo tràn qua bờ, làm ngập đường giao thông ven biển, nhất là đường Trần
Phú. Sóng lớn làm sạt lở bờ biển, gây tổn hại đến các công trình ven bờ.

1

Từ trước đến nay chưa có nghiên cứu nào đi sâu xác định cơ chế bồi, xói, vận chuyển bùn
cát và nguyên nhân tác động chính ảnh hưởng đến cơ chế biến động đới bờ biển với mục
tiêu ổn định và nâng cấp bền vững các bãi biển đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế du lịch
vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hoà.
Vì vậy, nghiên cứu trong luận án sẽ tập trung vào chế độ thủy động lực học, cơ chế bồi,
xói và tác động của sóng, dòng chảy tổng hợp đến biến đổi địa hình đới bờ biển vịnh
Nha Trang, từ đó làm cơ sở khoa học cho việc đề xuất các giải pháp bảo vệ và tôn tạo
bãi biển khu vực nghiên cứu hiệu quả, ổn định lâu dài. Hình 0.1 là hình ảnh minh họa cho
các vấn đề hạn chế của bãi tắm ven biển vịnh Nha Trang.

a) Bãi tắm hẹp, dốc

b) Bãi tắm hẹp, dốc, nước rút mạnh

c) Sóng đổ gần bờ nguy hiểm cho người tắm

d) Sóng xô lên đỉnh bờ làm ngập đường

e) Bãi tắm trung tâm ngày càng quá tải

f) Các vật trôi nổi, rác bẩn tràn lên bãi tắm

Hình 0.1 Một số tồn tại của bãi tắm biển Nha Trang [2]
2


2. Mục tiêu nghiên cứu
Các mục tiêu nghiên cứu của luận án là:
1) Mô tả và lý giải được cơ chế bồi, xói theo mùa của bãi biển khu vực nghiên cứu.

2) Làm sáng tỏ được chế độ thủy động lực học, cơ chế vận chuyển bùn cát và các yếu
tố tác động chính gây nên sự biến đổi địa hình đới bờ biển khu vực nghiên cứu.
3) Đề xuất và lựa chọn được giải pháp bố trí công trình phù hợp để cải thiện các mặt hạn
chế của bãi biển khu vực nghiên cứu, vịnh Nha Trang.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Chế độ thủy động lực học, cơ chế bồi, xói và tác động của sóng,
dòng chảy tổng hợp ven bờ đến biến đổi địa hình đới bờ biển.
Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong phạm vi đới bờ biển Xương Huân.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1. Cách tiếp cận
Để đạt được mục tiêu nghiên cứu, tác giả sử dụng các phương pháp tiếp cận hệ thống,
hiện đại và bền vững.
Tiếp cận hệ thống: Coi quá trình biến đổi địa hình đới bờ nằm trong hệ thống các quá
trình biến động đới bờ biển có sự liên kết, ràng buộc lẫn nhau. Do đó cần làm rõ nguyên
nhân, cơ chế tác động của các yếu tố động lực ưu thế, nổi trội gây nên biến đổi địa hình
đới bờ, từ đó nghiên cứu đưa ra giải pháp phù hợp để khắc phục những tác động tiêu
cực của các yếu tố này đến địa hình đới bờ biển khu vực nghiên cứu.
Tiếp cận hiện đại: Sử dụng các phương pháp, công nghệ hiện đại để nghiên cứu và tìm
giải pháp xử lý những tác động tiêu cực đến bờ biển khu vực nghiên cứu.
Tiếp cận bền vững: Giải pháp công trình đề xuất phải được tính toán kỹ càng để vừa đạt
được mục đích ổn định, tôn tạo bãi biển, vừa không phá vỡ cảnh quan môi trường cũng
như không gây ảnh hưởng tiêu cực đến các khu vực lân cận.

3


4.2. Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận án
Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu chủ yếu sau: phương pháp nghiên cứu
tổng quan; phương pháp nghiên cứu thực nghiệm quan trắc hiện trường (quan trắc đường
bờ bằng Camera; thả phao nghiên cứu dòng chảy tổng hợp ven bờ…); phương pháp sử

dụng mô hình số trị và phương pháp nghiên cứu ứng dụng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học
Luận án đã nghiên cứu đưa phương pháp phao trôi vào áp dụng thực tiễn tại khu vực
ven bờ biển vịnh Nha Trang, cho phép hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình toán ứng dụng
thực tiễn một cách hiệu quả. Thành công của nghiên cứu trong luận án cho phép lập quy
trình ứng dụng phao trôi vào nghiên cứu dòng chảy tổng hợp ven bờ và làm cơ sở tin
cậy để hiệu chỉnh, kiểm chứng khả năng áp dụng thực tiễn của các mô hình toán mô
phỏng dòng chảy tổng hợp tại Việt Nam.
Với bộ số liệu tin cậy có được từ các thiết bị quan trắc, khảo sát hiện đại cùng với mô
hình toán mã nguồn mở đã được hiệu chỉnh, kiểm chứng, Luận án đã làm sáng tỏ cơ chế
vận chuyển bùn cát, tìm ra được các nguyên nhân chính và đánh giá vai trò tác động của
từng yếu tố động lực đến biến đổi địa hình đới bờ biển khu vực nghiên cứu. Đây là cơ
sở khoa học quan trọng cho việc đề xuất các giải pháp cải tạo bãi biển Nha Trang đảm
bảo phát triển du lịch, môi trường, sinh thái bền vững.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Thành công của Luận án sẽ cung cấp một giải pháp phù hợp cho việc nghiên cứu và đề
xuất giải pháp nhằm ổn định, tôn tạo bãi biển khu vực nghiên cứu nói riêng và các khu
vực biến đổi địa hình đới bờ biển nói chung. Điều này đặc biệt có ý nghĩa trong việc góp
phần phát triển nền kinh tế du lịch biển một cách bền vững trong giai đoạn ứng phó với
các diễn biến bất lợi của biến đổi khí hậu hiện nay.

4


6. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, nội dung luận án gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ và giải pháp
công trình ổn định bãi biển
Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển

Chương 3: Nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển Xương Huân, vịnh Nha Trang
Chương 4: Nghiên cứu đề xuất giải pháp công trình ổn định, tôn tạo bãi biển Xương
Huân, vịnh Nha Trang

5


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ
BIẾN ĐỘNG ĐỚI BỜ VÀ GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH BÃI BIỂN
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1

Khái niệm về đới bờ biển

Đới bờ biển là khu vực phân giới giữa biển và lục địa, nhưng nó không phải là đường tiếp
xúc đơn giản giữa nước biển và lục địa mà là một dải ven bờ chịu tác động rõ rệt của sóng
và thủy triều, là dải đất xẩy ra tiếp xúc và tương tác giữa biển và lục địa. Thuật ngữ khoa
học gọi dải đất đó là đới bờ biển (Coastal area). Đới bờ biển gồm 3 thành phần hợp thành:
Bãi trên hay bãi sau (Backshore): là phần bãi nằm cao hơn mực nước đỉnh triều, chỉ có
thể bị ngập khi gặp sóng bão, triều cường.
Bãi giữa hay bãi trước (Foreshore): là phần bãi nằm giữa mực nước đỉnh triều và mực
nước chân triều, bao gồm cả khu vực sóng leo trên đường đỉnh triều.
Bãi thấp hay bãi ngoài (Inshore-Shore Face): là phần bãi trong giải sóng vỡ dưới đường
chân triều, vì vậy cũng gọi là dải sóng vỡ. Khi triều cao, bãi giữa cũng là 1 phần của dải
sóng vỡ. Đây là phần bãi hoạt động nhất của dải bờ biển do có chuyển động bùn cát rất
mạnh. Các khu vực động lực trên mặt cắt ngang bờ biển và các thuật ngữ tên gọi tương
ứng được thể hiện trên Hình 1.1.
Đớibờbờbiển
biển

Vùng
Vùng gần bờ

Bờ biển

Bãi biển hay bờ biển
Bãi sau
Bãi trước

Trong bờ hay mặt bờ

Bãi thấp hay bãi ngoài
Thềm bãi

Cồn cát
hay vách
bờ biển
Bãi
Dốcdốc
bãi

Ngoài
khơi

Vùng sóng vỡ
Đỉnh bãi

Vùng sóng vỡ

Sóng vỡ

Mực nước cao

Mực nước thấp trung bình
Điểm sóng đổ nhào
của Đường sóng vỡ

Hình 1.1 Định nghĩa về đới bờ biển [3]
6

Đáy


1.1.2

Các vấn đề KH-CN trong nghiên cứu biến động đới bờ biển

Đới bờ biển trên toàn trái đất dài khoảng 440.000km (gấp 11 lần chiều dài đường xích
đạo), là khu vực có kinh tế, văn hóa phát triển nhất thế giới ngày nay. Vì vậy, hàng ngàn
năm nay từ khi con người có yêu cầu chinh phục biển, nghiên cứu khoa học - công nghệ
về đới bờ biển luôn là vấn đề thời sự, dành được sự quan tâm của các nhà khoa học trên
thế giới cũng như của Việt Nam.
Các vấn đề khoa học - công nghệ (KH-CN) về đới bờ biển chủ yếu bao gồm:
- Đặc điểm hình thái và cách phân loại đới bờ biển;
- Cơ chế thành tạo đới bờ biển và các yếu tố ảnh hưởng;
- Cấu trúc và phân bố trầm tích;
- Các yếu tố động lực trong đới bờ biển;
- Chuyển động bùn cát trong đới bờ biển và các yếu tố ảnh hưởng;
- Công trình bảo vệ, tôn tạo, khai thác bờ biển.
1.2 Tổng quan các nghiên cứu ở nước ngoài về cơ chế biến động đới bờ và giải pháp

công trình ổn định bãi biển biển
1.2.1

Lịch sử nghiên cứu cơ chế biến động đới bờ biển

Nghiên cứu xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển, hải cảng luôn gắn liền với sự phát
triển của nền văn minh nhân loại. Một số dấu vết về các công trình cảng cổ xưa còn tồn
tại cho đến ngày nay. Phần lớn các cảng và công trình bảo vệ bờ biển lâu đời này đã bị
phá hủy do động đất, sụt lún hoặc bị đất chôn vùi.
Các nghiên cứu xây dựng công trình biển cổ xưa chủ yếu tập trung vào việc xây dựng
cảng, trừ một số ít các công trình liên quan đến bảo vệ bờ biển. Việc bảo vệ thành phố
Venice là môt ví dụ về công trình xây dựng bảo vệ bờ biển. Các tài liệu tiếng Hy Lạp
và Latinh của Herodotus, Josephs, Suetonius … đưa ra các mô tả về các nghiên cứu ven
bờ. Đã cho thấy sự hiểu biết khá đầy đủ của họ về các quá trình phức tạp ven bờ chỉ với
các số liệu đo đạc hạn chế và các công cụ xây dựng thô sơ. Các nhà nghiên cứu về bờ
biển cổ xưa đã nắm vững được các quá trình động lực ven bờ như dòng chảy của khu
7


vực ven bờ biển Địa Trung Hải, chế độ gió và tác động của gió và sóng. Người La Mã
là những người đầu tiên thiết lập hoa gió biểu thị chế độ gió vùng ven bờ [4] [5].
1.2.2

Các nghiên cứu về biến động đới bờ biển

Nhìn chung, việc nghiên cứu biến động đới bờ biển là vấn đề đã được thế giới quan tâm
từ rất lâu, theo thời gian, các kết quả nghiên cứu đã cho thấy những qui luật rõ ràng của
tự nhiên, và các kết quả nghiên cứu cũng đã được tổng hợp lại và xuất bản trên những
ấn phẩm khoa học dưới dạng bài báo khoa học hoặc các cuốn sách rất có giá trị cho việc
tham khảo trong nghiên cứu cũng như phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu tính

toán ứng dụng trên thực tiễn.
Các nghiên cứu về cơ sở khoa học của các quá trình thành tạo và biến đổi địa mạo bờ biển
được công bố trong các công trình của Steers (1948, 1962), Guilcher (1958), Ottmann
(1965), Bird (1969), Zenkovich (1967), Davies (1973). Trong đó công trình của King
(1972) được sử dụng rất rộng rãi khi tham khảo về các quá trình xảy ra trên bãi biển. Shepard
và Wanless (1971) đã có các thử nghiệm nghiên cứu tổng hợp về lịch sử biến động bờ biển
của Mỹ bao gồm cả Alaska và Hawaii. Các cuốn sách về kỹ thuật bờ biển của Wiegel
(1964), Ippen (1966), Muir Wood (1969) đã đề cập đến các vấn đề về áp dụng các loại kỹ
thuật khác nhau trong công nghệ ven biển. Cuốn “Hướng dẫn bảo vệ bờ” [3] do Trung tâm
Nghiên cứu Kỹ thuật bờ biển của Mỹ công bố vào các năm 1973, 1977 và tái bản lần cuối
cùng năm 1984 là một sách cẩm nang cho các nhà kỹ thuật bờ biển. Tuy nhiên nội dung
cuốn sách này chủ yếu tập trung vào vấn đề bảo vệ bờ biển. Năm 2000, Trung tâm nghiên
cứu này đã cho ra đời cuốn sách tổng hợp về nghiên cứu bờ biển (CEM) “Hướng dẫn về
công nghệ bờ biển” [4]. Trong cuốn sách này đưa ra các cơ sở khoa học về các quá trình
ven bờ, các phương pháp tính toán các thông số kỹ thuật phục vụ bảo vệ bờ biển cửa sông,
và hướng dẫn lập kế hoạch nghiên cứu giảm thiểu tác động của bão đến bờ biển, bảo vệ bờ
và các công trình xây dựng ven biển. Đồng thời trong cuốn sách hướng dẫn này, đã nghiên
cứu một cách khái quát, rộng rãi tất cả các vấn đề liên quan đến bờ biển bao gồm cả vấn đề
hàng hải và thiết kế cảng, nạo vét luồng ra vào cảng, vị trí xả thải các bùn cát nạo vét, duy
tu và phục hồi công trình biển, các quá trình đất ngập nước và bảo vệ các vùng bờ biển có
năng lượng yếu, bờ biển cấu tạo từ bùn cát kết dính, đánh giá rủi ro, mô phỏng số các quá
trình ven bờ và các quá trình khác liên quan đến ven bờ biển. Hướng dẫn về công nghệ bờ
8


biển gồm hai mảng đề cập đến cơ sở khoa học và cơ sở công nghệ ven bờ biển. Mảng cơ
sở khoa học bao gồm Phần II - Thủy động lực ven bờ; Phần III - Các quá trình bùn cát ven
bờ và Phần IV - Địa chất ven bờ. Các phần này đề cập đến các cơ sở khoa học các quá trình
ven biển mà mảng thứ hai - Cơ sở công nghệ ven biển sẽ sử dụng. Mảng Cơ sở công nghệ
ven biển bao gồm Phần V - Lập kế hoạch và thiết kế và Phần VI - Thiết kế chi tiết các công

trình biển đề cập đến cơ sở phương pháp luận nghiên cứu tổng thể về các vấn đề bảo vệ bờ
biển khác với các vấn đề thiết kế cụ thể được đưa ra trong cuốn “Hướng dẫn bảo vệ bờ
biển” trước đó. Phụ lục A của “Hướng dẫn về công nghệ bờ biển” đưa ra các thuật ngữ liên
quan đến các quá trình ven bờ biển. Cuốn sách này được cập nhật định kỳ các kiến thức,
kết quả nghiên cứu mới về các quá trình liên quan đến công nghệ bờ biển [5].
1.2.3

Tổng quan về phương pháp nghiên cứu biến động đới bờ biển

Trước đây, do thiếu công cụ tính toán, dự báo bằng mô hình toán như tính sóng, dòng
chảy tổng hợp cũng như vận chuyển bùn cát ven bờ cho nên phương pháp nghiên cứu
biến động đới bờ biển được thực hiện theo trình tự: Đo đạc các yếu tố sóng, dòng chảy,
nồng độ bùn cát, sau đó tính toán dòng bùn cát bằng các công thức bán kinh nghiệm để
xem xét chênh lệch dòng bùn cát cho một khu vực và đánh giá biến động địa hình của
khu vực nghiên cứu.
Từ những tiến bộ vượt bậc về công nghệ và kỹ thuật tính toán, máy móc đo đạc hiện
trường hiện đại cùng các phương pháp nghiên cứu tiên tiến nên việc tính toán các yếu
tố thủy thạch động lực ven bờ trong những năm gần đây đã có những chuyển biến mạnh
về chất. Phương pháp nghiên cứu chủ yếu hiện nay là sử dụng mô hình toán để mô phỏng
kết hợp với khảo sát, đo đạc hiện trường. Các nghiên cứu biến đổi địa hình vùng bờ ngắn
hạn phổ dụng hiện nay có thể được khái quát như trên sơ đồ Hình 1.2. Trong đó, có thể
thấy yếu tố chủ yếu là sóng và dòng chảy ven bờ (do thuỷ triều, gió, dòng nền do sông
đổ ra, do dòng chảy sóng). Chính vì vậy, việc mô phỏng, dự báo biến đổi địa hình bờ sẽ
phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của các mô hình mô phỏng lan truyền và biến dạng
sóng vùng ven bờ và mô hình tính toán dự báo dòng chảy tổng hợp. Bên cạnh đó, cách
tính toán các dòng vận chuyển bùn cát trong mô hình vận chuyển bùn cát cũng là vấn
đề quan trọng trong việc mô phỏng được đúng quá trình biến đổi địa hình đới bờ biển.
Tính toán dự báo, đánh giá biến đổi địa hình được thực hiện theo sơ đồ Hình 1.2
9

SÓNG
ĐỊA HÌNH
TÍNH CHẤT ĐÁY

ỨNG SUẤT
SÓNG

TRIỀU
GIÓ

DÒNG CHẢY TỔNG
HỢP VEN BỜ
VẬN CHUYỂN BÙN
CÁT VEN BỜ
BIẾN ĐỔI ĐỊA HÌNH
ĐỚI BỜ BIỂN

Hình 1.2 Sơ đồ tính toán đánh giá biến động đới bờ biển
1.2.4

Tổng quan về các mô hình số trị mô phỏng sóng và dòng chảy

Các ứng dụng thực tế tính toán sóng bao gồm một hỗn hợp sóng lừng và sóng do gió tạo
thành tại chỗ, gió biến đổi theo không gian, thời gian và địa hình bờ. Để tính toán sóng
trong các trường hợp này cần phải dùng một mô hình diễn tả được các quá trình vật lý
xảy ra trong tự nhiên.
Mô hình toán đầy đủ có tính đến tất cả các điều kiện thực tế nêu trên thường rất phức
tạp và khó áp dụng trên thực tiễn do thời gian tính toán quá lâu và đòi hỏi máy tính có
bộ nhớ rất lớn và tốc độ tính toán rất nhanh. Thực tế hiện nay, những mô hình phức tạp

như vậy thường giải trực tiếp hệ phương trình Navier-Stokes và mới chỉ phù hợp cho
các bài toán qui mô nhỏ (thí dụ như trong phòng thí nghiệm, xung quanh một vật thể,
một công trình) mà chưa thể áp dụng cho tính toán thực tế trên qui mô vùng bờ biển. Để
đáp ứng được nhu cầu áp dụng thực tiễn và không bị xa rời bản chất vật lý chủ đạo của
quá trình sóng, thông thường, một loạt các mô hình đơn giản hơn được đưa ra để áp
dụng cho các trường hợp đặc biệt. Trong đó, các quá trình vật lý chủ đạo, chiếm ưu thế
được chú trọng mô mỏng, và bỏ qua những quá trình thứ yếu, có tác động không lớn
đến kết quả mô phỏng. Do đó, để lựa chọn được một mô hình thích hợp nhất cần phải
hiểu tính quan trọng tương đối của các quá trình vật lý. Battjes (1994) đã phân các mô
hình trong đó miền áp dụng được chia thành 4 loại như sau:
10


1) Nước sâu, ảnh hưởng của đáy là có thể bỏ qua.
2) Thềm lục địa - miền giữa nước sâu và nước nông.
3) Miền nước nông mà tại đó hiệu ứng nước nông là quan trọng
4) Cảng mà tại đó cần phải tính đến tương tác giữa sóng và một công trình nào đó (như
đập phá sóng, dàn khoan dầu khí, đảo, dải đá ngầm v.v...).
Các mô hình có thể được chia thành hai loại:
1) Mô hình phân giải pha có tính đến biên độ và pha của các sóng thành phần
2) Mô hình trung bình pha chỉ tính được các đại lượng trung bình như phổ hay các đặc
trưng tích phân ( H s , f p , v.v.).
Nếu như các đặc trưng trung bình pha thay đổi nhanh (với bậc vài bước sóng) thì nói
chung cần phải dùng một mô hình phân giải pha. Ngược lại, nếu các tính chất sóng thay
đổi chậm, trên kích thước rất nhiều bước sóng thì nói chung, một mô hình trung bình
pha là áp dụng được.
Không có loại mô hình nào là ưu việt hơn và thường là dải áp dụng của chúng là không
trùng lặp. Tuy nhiên, Battjes (1994) kết luận rằng: “Các mô hình phân giải pha cần nhiều
thời gian tính toán nên chỉ dùng chúng khi mà có yêu cầu chi tiết nghiêm ngặt”. Trong
số các quá trình sóng, thì chỉ có nhiễu xạ và tương tác phi tuyến, tương tác sóng phản

xạ - sóng tới và sóng đổ cần được mô phỏng bằng mô hình phân giải pha. Do đó, miền
áp dụng của các mô hình phân giải pha thường được thực hiện trong khu vực có tương
tác sóng và công trình (cảng v.v.) và miền gần bờ.
Sự xuất hiện của các công cụ mô hình toán 1D, 2D và 3D cho phép tính toán và mô
phỏng các quá trình thủy động lực trong sông, ngoài biển như: mực nước; dòng chảy;
trường vận tốc; độ cao sóng; triều; nước dâng; vận chuyển trầm tích,... một cách chi tiết
và hết sức trực quan. Từ những kết quả tính toán bằng các mô hình toán, cho phép nhìn
nhận các quá trình động lực, hình thái ở những khu vực cửa sông ven biển một cách toàn
diện hơn, đúng hiện tượng và bản chất vật lý hơn.

11