Tính toán môi trường sóng, vận chuyển bùn cát và xói lở bờ biển, bãi biển trong bão khu vực ven bờ châu thổ sông Hồng

Header Page 1 of 128.

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
---------------------

NGUYỄN THIẾU HOA

TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ XÓI LỞ
BỜ BIỂN, BÃI BIỂN TRONG BÃO KHU VỰC VEN BỜ CHÂU THỔ
SÔNG HỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

Hà Nội – 2015

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 1 of 128.


Header Page 2 of 128.

ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
---------------------

Nguyễn Thiếu Hoa

TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ XÓI LỞ
BỜ BIỂN, BÃI BIỂN TRONG BÃO KHU VỰC VEN BỜ CHÂU THỔ
SÔNG HỒNG

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 60.52.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS. TS. Đinh Văn Mạnh

Hà Nội –2015

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 2 of 128.


Header Page 3 of 128.

iii

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

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, VẬN CHUYỂN
BÙN CÁT VÀ BIẾN ĐỘNG BỜ BIỂN KHU VỰC CHÂU THỔ SÔNG HỒNGError! Bookmark no
1.1. Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tƣợng, thủy văn khu vực châu thổ sông
Hồng..................................................................................................................................E
rror! Bookmark not defined.
1.1.1. Lịch sử phát triển vùng ven biển châu thổ Sông Hồng ... Error! Bookmark not defined.
1.1.2. Đặc điểm địa hình vùng châu thổ sông Hồng ................. Error! Bookmark not defined.

1.1.3. Hệ thống thuỷ văn ........................................................... Error! Bookmark not defined.
1.1.4. Chế độ khí hậu ................................................................ Error! Bookmark not defined.
1.1.5. Các yếu tố hải văn ........................................................... Error! Bookmark not defined.

1.2. Biến động bờ biển cửa sông khu vực châu thổ sông HồngError! Bookmark not
defined.
1.2.1. Cơ chế xói lở bãi biển thường xuyên tại khu vực ven bờ cửa Hà Lạn – cửa Lạch Giang
................................................................................................... Error! Bookmark not defined.
1.2.2. Biến động bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng dưới tác động của bão và nước dâng
trong bão ................................................................................... Error! Bookmark not defined.

1.3. Hệ thống đê biển khu vực châu thổ sông Hồng ....... Error! Bookmark not defined.
1.4. Các nghiên cứu về VCBC và biến động bãi biển do bão ở nƣớc ta .................Error!
Bookmark not defined.

Chƣơng II. THU THẬP VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU PHỤC VỤ TÍNH BIẾN ĐỘNG
BÃI, XÓI LỞ CHÂN ĐÊ TRONG BÃO………………………………………….13
2.1. Số liệu thử nghiệm mô hình SBEACH tại bể thí nghiệm sóng và vận chuyển
bùn cát siêu lớn………….………………………………………………………....13
2.2. Số liệu đo đạc địa hình mặt cắt vuông góc với bờ biển trƣớc và sau bão tại khu
vực
thị
trấn
Hải
Thịnh,
huyện
Hải
Hậu
tỉnh
Nam

Định……………………………………………………………………..…………14
2.3. Số liệu hiện trạng hệ thống đê biển và số liệu về các thông số mực nƣớc, sóng
tính toán chế độ nhiều năm cho khu vực châu thổ sông
Hồng………………………………………………………………….…………….16
Chƣơng III. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MÔ HÌNH TÍNH BIẾN ĐỘNG BÃI, XÓI LỞ
CHÂN ĐÊ TRONG BÃO – SBEACH ................................ Error! Bookmark not defined.

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 3 of 128.


Header Page 4 of 128.

iv

3.1. Vận chuyển bùn cát ngang bờ và lý thuyết mặt cắt cân bằngError! Bookmark not
defined.
3.2. Cơ sở khoa học các phƣơng pháp tính sóng và vận chuyển bùn cát trong mô hình
SBEACH ......................................................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.1. Mô hình tính sóng ngẫu nhiên ......................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.2. Tính các tham số liên quan đến trường sóng .................. Error! Bookmark not defined.
3.2.3. Tính vận chuyển bùn cát ngang bờ ................................. Error! Bookmark not defined.

3.3. Thuật toán sử dụng trong mô hình SBEACH .......... Error! Bookmark not defined.
3.4. Phƣơng pháp đánh giá sự phù hợp giữa kết quả tính toán và số liệu thực đo ...Error!
Bookmark not defined.
3.5. Mô hình SBEACH chạy trong Hệ thống Công nghệ ven bờ phục vụ Thiết kế và
Phân tích (CEDAS) ......................................................... Error! Bookmark not defined.
3.6. Các khả năng tính toán và hạn chế của mô hình SBEACHError! Bookmark not
defined.
3.6.1. Khả năng tính toán của mô hình SBEACH ..................... Error! Bookmark not defined.

3.6.2. Các hạn chế của mô hình SBEACH ................................ Error! Bookmark not defined.

Chƣơng IV. TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ XÓI LỞ BỜ BIỂN, BÃI BIỂN
TRONG BÃO ...................................................................... Error! Bookmark not defined.
4.1. Tính toán vận chuyển bùn cát và biến động bãi biển theo số liệu đo đạc tại
SUPERTANK - các bài toán mẫu ................................... Error! Bookmark not defined.
4.2. Tính toán vận chuyển bùn cát, biến động bãi và hiệu chỉnh mô hình SBEACH trong
một cơn bão thực tế tại bờ biển thị trấn Hải Thịnh, huyện Hải HậuError!
Bookmark
not defined.
4.2.1. Tính toán và hiệu chỉnh mô hình SBEACH trong bão DAMREY .. Error! Bookmark not
defined.
4.2.2. Tính toán vận chuyển bùn cát, xói lở bãi biển cho các trường hợp cực đoan chế độ sử
dụng mô hình SBEACH với bộ tham số VCBC đã được hiệu chỉnhError! Bookmark not
defined.
4.2.3. Đề xuất giải pháp bảo vệ đê biển khu vực châu thổ sông Hồng ... Error! Bookmark not
defined.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................. Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 2

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 4 of 128.


Header Page 5 of 128.

v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. Lịch sử biến động bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng

3

Hình 2. Vị trí các mặt cắt đo đạc định kỳ nhiều năm tại khu vực ven bờhuyện Hải
Hậu, tỉnh Nam Định
8
Hình 3. Cao trình bãi biển trong các thời điểm cao đạc khác nhau tại mặt cắt số
10
8
Hình 4. Khảo sát thực địa tại “Nhà thờ đổ trên biển” thuộc bờ biển khu vực xã
Hải Lý, huyện Hải Hậu

9

Hình 5. Khảo sát thực địa hiện trạng hệ thống đê biển tại xã Hải Hòa, huyện Hải
Hậu tỉnh Nam Định (ảnh chụp khi triều kém) trong khuôn khổ đề tài hợp tác Việt
Nga
11
Hình 6. Đƣờng đi của bão DAMREY 9/2005

14

Hình 7. Nƣớc dâng trong bão DAMREY 9/2005 tại cửa Ninh Cơ

15

Hình 8. Vỡ đê tại Hải Thịnh do bão DAMREY 9/2005

15

Hình 9. Các số liệu đo đạc tại mặt cắt Hải Thịnh trƣớc và sau khi bão đổ bộ

16

Hình 10. Mực nƣớc tổng cộng trong các ngày 27-28/9/2005 đƣa vào tính toán
trong mô hình SBEACH
16
Hình 11. Sơ đồ “Avalanching” trong mô hình SBEACH

37

Hình 12. Các profile ban đầu, cuối cùng và tính toán cho trƣờng hợp P1A

46

Hình 13. Các profile ban đầu, cuối cùng và tính toán cho trƣờng hợp PGA

47

Hình 14. Các profile ban đầu, cuối cùng và tính toán cho trƣờng hợp PCA

47

Hình 15. Các profile ban đầu trƣớc bão, profile tính toán theo mặc định

50

Hình 16.Các profile ban đầu trƣớc bão, profile tính toán theo HC-8 và thực đo 50

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 5 of 128.

Header Page 6 of 128.

vi

Hình 17.Các kết quả tính toán xói lở bãi biển khu vực Hải Thịnh với hai trƣờng
hợp bão có chu kỳ lặp 50 năm và 100 năm
51

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1. Các tham số động lực đầu vào và thời gian tính toán trong các thí
nghiệm tại SUPERTANK

14

Bảng 2. Các tham số động lực biển phục vụ tính toán chế độ

17

Bảng 3. Các tham số hiệu chỉnh và kết quả đánh giá định lƣợng

49

Bảng 4. Đánh giá mực nƣớc tổng cộng tại chân đê khu vực Hải Thịnh trong các
cơn bão với chu kỳ lặp khác nhau

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 6 of 128.

53

Header Page 7 of 128.

vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Giải nghĩa
CTSH

Châu thổ sông Hồng.

SBEACH

(Storm-induced BEach Change) biến động bãi biển do bão.

CEDAS

(Coastal Engineering Design Analysis System)
Hệ thống Công nghệ ven bờ phục vụ Thiết kế và Phân tích).

SUPERTANK

Bể thí nghiệm sóng và vận chuyển bùn cát siêu lớn

FAO

(Food and Agriculture Organization of the United Nations)
Tổ chức Lƣơng thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc

PAM

(People Action Movement) Phong trào Nhân dân Hành động

EBP

(Equilibrium Beach Profile) Profil cân bằng bãi biển

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 7 of 128.


Header Page 8 of 128.

viii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu tôi đã tham gia.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Nguyễn Thiếu Hoa

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 8 of 128.


Header Page 9 of 128.

ix

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Viện Cơ học, Viện Hàn Lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam, cơ quan nơi tôi công tác đã cử đi đào tạo, cũng
nhƣ tạo điều kiện về mặt thời gian, kinh phí và các thủ tục hành chính trong suốt
quá trình học tập và hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Công Nghệ, Khoa Cơ
học kỹ thuật, Phòng đào tạo đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Nhiệm vụ hợp tác Việt Nga “Nghiên cứu bãi biển và dự báo biến động bãi khu
vực ven bờ biển Việt Nam và Liên bang Nga” Mã số VAST.HTQT.NGA.03 hai giai
đoạn 2010-2011 và 2014-2015, thuộc Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam, đã tài trợ và tạo điều kiện cho tôi đi khảo sát thực tế và tham gia đo đạc tại
khu vực thị trấn Thịnh Long, châu thổ sông Hồng.
Tôi xin bày tỏ sự biết ơn tới thầy hƣớng dẫn PGS.TS Đinh Văn Mạnh đã trực
tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện trong quá trình nghiên cứu và hoàn
thành bản luận văn này.
Xin gửi lời cám ơn chân thành đến GS. TSKH Magnus Larson, Khoa Kỹ thuật
Tài nguyên Nƣớc, Đại học Lund Thụy Điển đã cung cấp các số liệu đo đạc tại Bể
thí nghiệm sóng và vận chuyển bùn cát siêu lớn và kết quả tính toán theo mô hình
trong một số trƣờng hợp tiêu biểu.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Cơ học kỹ thuật đã tận tình
dạy dỗ và truyền thụ kiến thức cho tôi trong những năm học vừa qua.
Cuối cùng xin cảm ơn các cô chú, các bạn đồng nghiệp tại Phòng Cơ học và Môi
trƣờng Biển, Viện cơ học đã nhiệt tình giúp đỡ, tƣ vấn cho tôi thực hiện luận văn
này.
luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 9 of 128.


Header Page 10 of 128.

x

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 10 of 128.


Header Page 11 of 128.

1

MỞ ĐẦU
Mục tiêu của luận văn này là thiết lập đƣợc hệ thống mô hình số đủ tin cậy cho
phép tính toán vận chuyển bùn cát, xói lở bãi biển do bão gây ra cho khu vực đang
xảy ra xói lở tại vùng châu thổ sông Hồng; trên cơ sở kết quả tính toán nhận đƣợc sẽ
đánh giá khả năng bảo vệ của hệ thống đê tại khu vực nghiên cứu.
Với mục tiêu trên, khu vực nghiên cứu của luận văn đƣợc lựa chọn là khu vực bãi
biển của thị trấn Hải Thịnh; đây là một khu vực xung yếu có thể đại diện cho toàn bộ
bờ biển của khu vực châu thổ sông Hồng, tại nơi này đã nhiều lần đê bị phá hủy trong
bão.
Hệ thống mô hình số đƣợc sử dụng trong luận văn này là CEDAS, với modul chủ
yếu đƣợc khai thác là mô hình SBEACH.Đây là hệ thống mô hình số cho phép tính
toán sự biến động của bãi biển sau bão.
Ngoài việc đòi hỏi các thông số đầu vào của mô hình số, nhƣ số liệu đo đạc mặt
cắt địa hình, địa mạo, các thông số đặc trƣng của bùn cát, các tham số mực nƣớc,
sóng..., mô hình này cần đƣợc kiểm định kỹ càng trên cơ sở các số liệu đo đạc trong
bể thí nghiệm cũng nhƣ tại hiện trƣờng khu vực nghiên cứu. Do vậy, luận văn đã
đƣợc hoàn thành trên cơ sở các nội dung chính nhƣ sau:
-

Tổng quan về điều kiện tự nhiên, sự vận chuyển bùn cát và xói lở bờ biển, bãi
biển vùng châu thổ sông Hồng, đặc biệt là khu vực nghiên cứu bãi biển Hải

Thịnh;

-

Thu thập các số liệu liên quan phục vụ cho việc thiết lập, kiểm định mô hình
số tính toán vận chuyển bùn cát và biến động bãi bao gồm: các số liệu đo đạc
từ bể thí nghiệm sóng SUPERTANK, số liệu đo đạc địa hình thực tế trƣớc và
sau bão tại khu vực nghiên cứu, các số liệu thống kê về các đặc trƣng thủy lực
(sóng, dòng chảy, mực nƣớc, bão, ....);

-

Nghiên cứu tìm hiểu cơ sở khoa học mô hình SBEACH chạy trong CEDAS;

-

Thiết lập tính toán kiểm tra và hiệu chỉnh các tham số của mô hình SBEACH
cho một số bài toán mẫu (so sánh với số liệu đo đạc và tính toán trong bể thí
nghiệm sóng SUPERTANK);

-

Tính toán kiểm định mô hình số qua các số liệu thực đo trƣớc và sau cơn bão
DAMREY tại khu vực ven biển Hải Thịnh;

-

Tính toán xói lở bãi biển, chân đê với các tham số thủy triều, nƣớc dâng và
sóng có chu kỳ lặp 50 năm và 100 năm từ đó đƣa ra các đánh giá, kiến nghị về

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 11 of 128.


Header Page 12 of 128.

2

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Báo cáo dự án “Nghiên cứu, lập dự án khả thi chống xói lở khu vực xã Hải Trạch,
huyện Bố Trạch – tỉnh Quảng Binh” Trung tâm Khảo sát Nghiên cứu, Tƣ vấn Môi
trƣờng Biển, Hà Nội 4/2011
2. Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Trung tâm KHTN &CNQ “Nghiên cứu cơ
chế bồi xói bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng” Phạm Văn Ninh, Viện Cơ học. Hà
Nội 12/2003
3. Báo cáo tổng hợp đề tài cấp nhà nƣớc “Hiện trạng và nguyên nhân bồi xói dải bờ
biển Việt Nam. Đề xuất các biện pháp khoa học kỹ thuật bảo vệ và khai thác vùng đất
ven biển”. Mã sốKT 03.14. Hà Nội, 1995.
4. Doãn Tiến Hà, 2010. “Ứng dụng mô hình SBEACH tính toán biến đổi mặt cắt
ngang bãi biển Phú Yên”Đặc san Khoa học công nghệ thủy lợi số 27 tháng 10/2010.
Viện Nghiên cứu Khoa học Thủy lợi.
5. Đinh Văn Mạnh (chủ biên, 2014) “Tính toán cao độ mực nƣớc biển phục vụ thiết
kế công trình ven biển”. Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Viện Khoa
học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội, 2014.
6. Nguyễn Mạnh Hùng (2009). “Báo cáo tổng kết nội dung nghiên cứu –Xác định
các tham số sóng trong điều kiện gió mạnh, gió mùa và bão tại vùng nước sâu và ven
bờ” thuộc đề tài “Xác định chiều cao sóng trong tính toán thiết kế đê biển từ Quảng
Ninh đến Quảng Nam”. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. Hà Nội 2009.
7. Nguyễn Mạnh Hùng (2014). “Các quá trình thủy thạch động lực ven bờ: mực
nước; sóng; và vận chuyển bùn cát”. Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ,
Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội, 2014.

8. Phạm Văn Ninh, 2003. “Nghiên cứu cơ chế bồi xói bờ biển khu vực châu thổ
sông Hồng”. Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Trung tâm KHTN &CNQ, Viện
Cơ học. Hà Nội 12/2003.
Tiếng Anh
9. M. Larson and N. C. Kraus, (1989) “Sbeach: Numerical Model for Simulating
Storm – induced Beach Change” Department of The Army US Corps of Engineers,
Washington, DC. 1989.
10.Magnus Larson, Nguyen Manh Hung, Hans Hanson, Annika Sundstromand
Emma Sodervall (2014). “Impacts of Typhoons on the Vietnamese Coastline: A Case
Study of Hai Hau Beach and Ly Hoa Beach”. Chapter 2 of the book “Coastal disaster
and climate change in Viet Nam – Engineering and planning perspective” edited by

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 12 of 128.


Header Page 13 of 128.

3

Nguyen Danh Thao, Hiroshi Tagaki and Miguel Esteban. Elsevier Publishing house,
2014.
11.Nguyen Manh Hung, Duong Cong Dien, 2006 “Effects of the storm number 7
(DAMREY) on the sea dyke system of Namdinh province” Journal of Marine Sciences,
Volume 4 (T6), 2006.
12.Nguyen Manh Hung, Magnus Larson (2014). “Coastline and River Mouth
Evolution in the Central Part of the Red River Delta”. Chapter 3 of the book “Coastal
disaster and climate change in Viet Nam – Engineering and planning perspective”
edited by Nguyen Danh Thao, Hiroshi Tagaki and Miguel Esteban. Elsevier
Publishing house, 2014.
13.The final report of the project “The Evolution and Sustainable Management of

Coastal Areas in Vietnam”. The “Vietnam Sweden Research Cooperation Programme:
2004 – 2011). Hanoi 2011.
14.Shore Protection Manual Coastal Engineering Research Center, US Navy, 1984.

luan van thac si - luan van kinh te - khoa luan - tai lieu -Footer Page 13 of 128.