Tài liệu Nghiên cứu diễn biến đường bờ biển và giải pháp công trình để bảo vệ bãi biển thành phố nha trang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THANH BÌNH NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ BIỂN VÀ GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ĐỂ BẢO VỆ BÃI BIỂN THÀNH PHỐ NHA TRANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT (BẢN DỰ THẢO BẢO VỆ CẤP TRƯỜNG) HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ THANH BÌNH NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ BIỂN VÀ GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH ĐỂ BẢO VỆ BÃI BIỂN THÀNH PHỐ NHA TRANG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 62-58-02-02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS NGUYỄN TRUNG VIỆT 2. GS. TS. HITOSHI TANAKA HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Lê Thanh Bình i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng gửi lời cám ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Trung Việt đã hướng dẫn cho tác giả tiếp cập bầu trời nghiên cứu khoa học rộng mở, cũng như tác phong làm việc chuyên nghiệp và hội nhập với quốc tế. Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng tới GS.TS. Hitoshi Tanaka đã truyền cho tác giả tinh thần nghiên cứu kiên nhẫn, luôn nỗ lực cố gắng làm việc, và phấn đấu không ngừng. Bên cạnh sự hướng dẫn tận tình của tập thể GVHD, tác giả xin chân thành gửi lời cám ơn tới GS.TS.NGND. Phạm Ngọc Quý; GS.TS.NGND. Nguyễn Chiến đã đóng góp những ý kiến quý báu để tác giả đạt được kết quả nghiên cứu hôm nay; NCS. Dương Hải Thuận đã đồng hành cùng tác giả trong quá trình nghiên cứu; TS. Nguyễn Xuân Tính và TS. Nguyễn Văn Thìn đã tận tình giúp đỡ để tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả xin cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài Nghị định thư cấp nhà nước giữa Việt Nam và Cộng hòa Pháp: “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 chính, trực tiếp tham gia nghiên cứu và sử dụng các số liệu của Đề tài. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo ĐH&SĐH, khoa Công trình, khoa Kỹ thuật biển, Bộ môn Thủy công - Khoa Công trình trường Đại học Thủy lợi; Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Khánh Hòa và Tổng Công ty TVXD TL Việt Nam - CTCP (HEC) cùng các bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng là sự biết ơn vô hạn được gửi tới gia đình đã luôn sát cánh động viên, cảm thông, chia sẻ để tác giả duy trì nghị lực vượt qua chặng đường đầy khó khăn trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án Lê Thanh Bình ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ ................xi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................4 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .....................................................5 4.1 Cách tiếp cận ..................................................................................................5 4.2 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................5 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................6 5.1 Ý nghĩa khoa học ............................................................................................6 5.2 Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................7 6. Cấu trúc của luận án .......................................................................................7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN BÃI BIỂN VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN...............................................................................8 1.1 Khái niệm chung ................................................................................................8 1.1.1 Khái niệm bãi biển ......................................................................................8 1.1.2 Khái niệm công trình bảo vệ bãi biển .........................................................9 1.2 Tổng quan nghiên cứu diễn biến bờ biển trên thế giới ....................................11 1.2.1 Nghiên cứu từ số liệu thực đo ...................................................................12 1.2.2 Công nghệ viễn thám ................................................................................13 1.2.3 Công nghệ phân tích ảnh từ video-camera ................................................15 1.2.4 Phương pháp phân tích EOF .....................................................................17 1.2.5 Phương pháp sử dụng mô hình toán..........................................................18 1.2.6 Phương pháp sử dụng mô hình vật lý .......................................................26 1.2.7 Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) .........27 iii 1.3 Tổng quan các nghiên cứu của Việt Nam về các vấn đề liên quan đến diễn biến bờ biển và công trình ven biển ..........................................................................29 1.3.1 Hiện trạng diễn biến bờ biển Việt Nam ....................................................29 1.3.2 Các nghiên cứu về lĩnh vực diễn biến bờ biển Việt Nam .........................29 1.3.3 Các công trình bảo vệ bờ, tôn tạo bãi........................................................32 1.4 Hiện trạng bãi biển Nha Trang và những nghiên cứu liên quan ......................35 1.4.1 Các công trình xây dựng ở bãi biển Thành phố Nha Trang ......................35 1.4.2 Hiện trạng diễn biến bãi biển ở thành phố Nha Trang ..............................37 1.4.3 Những nghiên cứu liên quan đến bờ biển Nha Trang ...............................39 1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................40 1.5.1 Các vấn đề tồn tại của các nghiên cứu trước đây ......................................40 1.5.2 Định hướng nội dung nghiên cứu của luận án ..........................................42 CHƯƠNG 2 2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................44 Phương pháp khảo sát thực địa ........................................................................44 2.2 Phương pháp sử dụng công nghệ phân tích ảnh từ video - camera để phân tích diễn biến đường bờ và chiều cao sóng vỡ .................................................................51 2.2.1 Cơ sở khoa học của công nghệ phân tích đường bờ, trắc ngang bãi biển .51 2.2.2 Cơ sở khoa học của công nghệ xác định các đặc trưng sóng bằng hệ thống video-camera .........................................................................................................63 2.3 Phương pháp phân tích EOF ............................................................................64 2.4 Phương pháp mô hình toán mô phỏng diễn biến đường bờ .............................67 2.4.1 Phương trình cơ bản của mô hình .............................................................67 2.4.2 Lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ ......................................................69 2.4.3 Độ sâu vận chuyển bùn cát dọc bờ ............................................................70 2.4.4 Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát Dc ....................................................71 2.4.5 Mô hình truyền sóng nước nông ...............................................................74 2.4.6 Tính sóng vỡ khi có công trình .................................................................75 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................76 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ TẠI BÃI BIỂN TRUNG TÂM THÀNH PHỐ NHA TRANG.....................................................78 3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................78 3.2 Đánh giá diễn biến đường bờ bằng công nghệ phân tích ảnh video-camera ...79 iv 3.3 Phân tích diễn biến đường bờ bằng phương pháp EOF. ..................................81 3.4 Xác định chiều cao sóng vỡ từ ảnh video-camera ...........................................91 3.5 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát khu vực bãi biển Nha Trang ...95 3.5.1 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát bằng công thức kinh nghiệm 95 3.5.2 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát bằng số liệu đo địa hình ...97 3.5.3 Thiết lập công thức tính độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát cho bãi biển trung tâm TP Nha Trang ......................................................................................100 3.6 Ứng dụng mô hình để mô phỏng diễn biến đường bờ ...................................103 3.6.1 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình ......................................................103 3.6.2 Phân tích diễn biến đường bờ tại bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang 106 3.7 Kết luận chương 3 ..........................................................................................107 CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN TRUNG TÂM THÀNH PHỐ NHA TRANG ............................................................................109 4.1 Mục tiêu giải pháp công trình bảo vệ bãi biển thành phố Nha Trang ...........109 4.2 Quy hoạch mặt bằng không gian bố trí công trình ........................................109 4.2.1 Tác dụng của đê ngầm phá sóng ở Nha Trang ........................................110 4.2.2 Các căn cứ nghiên cứu phương án bố trí công trình. ..............................112 4.2.3 Các phương án quy hoạch mặt bằng không gian ....................................113 4.2.4 Nhận xét kết quả......................................................................................127 4.3 Kết luận chương 4 ..........................................................................................128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................134 PHỤ LỤC ....................................................................................................................142 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. Bãi biển bị suy thoái sau khi lấn biển khu vực Ba Làng ....................................2 Hình 2. Cửa sông Cái trước và sau khi có cầu Trần Phú (Nguồn: internet) ...................2 Hình 3. Thực trạng bãi biển Nha Trang năm 2006 và tháng 5/2013 ...............................3 Hình 4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................5 Hình 1.1 Mặt cắt ngang điển hình của bãi biển [3] .........................................................9 Hình 1.2 Vị trí các trạm quan trắc Argus bằng camera trên toàn thế giới ....................16 Hình 1.3 Trạm quan trắc Argus bằng camera ở Hà Lan ...............................................17 Hình 1.4 Tiếp cận mô hình theo quy mô không gian và thời gian [23] ........................18 Hình 1.5 Quá trình lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào bờ.......................................21 Hình 1.6 Định nghĩa độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát (Hallermeier (1981)) [32] ..25 Hình 1.7 Tường chắn sóng bảo vệ bờ đảo ở quần đảo Trường Sa (chụp 04/2016) ......33 Hình 1.8 Công trình bảo vệ bãi biển tại Sun Spa Resort Quảng Bình (T07/2013) .......33 Hình 1.9 Bãi biển Nhơn Lý, TP Quy Nhơn, tỉnh Bình Định.........................................34 Hình 1.10 Đập mỏ hàn chắn sóng cửa Tam Quan, tỉnh Bình Định (chụp T07/2016) ..34 Hình 1.11 Hiện trạng xói lở bở (chụp 09/2015) ............................................................34 Hình 1.12 Khảo sát xói bồi cửa sông và bờ biển ở Bình Thuận (chụp T07/2013) .......35 Hình 1.13 Công trình kè bảo vệ bờ và tường chắn sóng dọc bãi biển Nha Trang ........35 Hình 1.14 Đập mỏ hàn khu vực Khách sạn 378 xây dựng năm 1993 (Tháng 12/2015) .......................................................................................................................................36 Hình 1.15 Công trình cầu cảng Vinpearl. ......................................................................36 Hình 1.16 Bãi biển trước UBND tỉnh Khánh Hòa ........................................................37 Hình 1.17 bãi biển Thành phố Nha Trang dưới tác động của công trình (T12/2015) ...38 Hình 1.18 Hình ảnh bãi biển Nha Trang do tác động của sóng lớn ..............................39 Hình 1.19 Sơ đồ nghiên cứu của luận án .......................................................................43 Hình 2.1 Thiết bị khảo sát .............................................................................................46 Hình 2.2 Khu vực lắp cảm biến áp lực (Pressure Sensor) đo sóng và vị trí sóng vỡ xẩy ra ngẫu nhiên tại các thời điểm khác nhau (ảnh chụp từ camera) .................................47 Hình 2.3 Vị trí thiết bị cảm biến áp lực đo sóng khu vực sóng vỡ và sóng leo ............47 Hình 2.4 Lắp đặt cảm biến áp lực đo sóng khu vực sóng vỡ và sóng leo .....................47 Hình 2.5 Lắp đặt thiết bị đo hải văn ..............................................................................48 Hình 2.6 Bình đồ địa hình đo tháng 5/2013 ..................................................................48 Hình 2.7 Trích số liệu mực nước đồng thời tại các Pressure Sensor ............................49 Hình 2.8 Quan trắc sóng vỡ bằng mắt kết hợp thước đo thực hiện tháng 12/2013 .......50 Hình 2.9 Quan hệ hình học giữa tâm Camera (XC,YC,ZC), tọa độ ảnh (u,v) và tọa độ thực (X,Y,Z) [75]...........................................................................................................51 Hình 2.10 Vị trí lắp đặt Camera giám sát diễn biến đường bờ tại Vịnh Nha Trang .....53 Hình 2.11 Mối tương quan giữa tọa độ tính toán từ Camera và tọa độ GCP ................54 Hình 2.12 Kết quả tính toán tọa độ thực từ video-camera và tọa độ GCP ....................54 vi Hình 2.13 Mối quan hệ giữa sai số tính toán và tiêu cự f của Camera phía Bắc ..........54 Hình 2.14 Kết quả xử lý video từ Camera phía Nam lúc 12:00 ngày 1/7/2013 ............55 Hình 2.15 Mô tả nhận diện đường bờ và kết quả giải đoán đường bờ dựa trên ảnh Camera (với x, y là đơn vị pixel) ...................................................................................56 Hình 2.16 Tổng hợp đường bờ giải đoán trong ngày ....................................................56 Hình 2.17 Mặt cắt ngang bãi biển một số ngày điển hình mùa hè ................................57 Hình 2.18 Mặt cắt ngang bãi một số ngày điển hình mùa đông ....................................58 Hình 2.19 Ảnh chụp từ Camera phía Nam ảnh hưởng bão Nari ...................................59 Hình 2.20 Ảnh chụp từ Camera phía Nam ảnh hưởng bão Haiyan ..............................60 Hình 2.21 Đo đạc địa hình để kiểm nghiệm thông số mô hình giải đoán trong điều kiện có bão (Ảnh chụp từ Camera trước khi bão Haiyan ngày 09/11/2013) ........................60 Hình 2.22 Diễn biến đường bờ từ 1/6/2013 – 30/4/2014 ..............................................61 Hình 2.23 Diễn biến đường bờ trước và sau bão Nari (14/10), Haiyan (10/11) ...........61 Hình 2.24 Phân tích ảnh hưởng của bão Nari bằng công nghệ video-camera ..............62 Hình 2.25 Phân tích ảnh hưởng của bão Haiyan bằng công nghệ video-camera ..........62 Hình 2.26 Cơ sở phân tích chu kỳ sóng và vận tốc đầu sóng ........................................64 Hình 2.27 Cơ sở nguyên lý giải đoán chiều cao sóng vỡ [77] ......................................64 Hình 2.28 Biểu đồ giả thiết vận chuyển bùn cát [25] ....................................................68 Hình 2.29 Sơ đồ vận chuyển bùn cát từ thềm bãi đến độ sâu giới hạn [83]..................68 Hình 2.30 Sơ đồ tính sóng nhiễu xạ trường hợp đập phá sóng [83]..............................76 Hình 3.1 Diễn biến đường bờ thực đo từ năm 2006 đến tháng 5/2013 .........................78 Hình 3.2 Vị trí bãi biển trước UBND tỉnh Khánh Hòa .................................................79 Hình 3.3 Trích diễn biến đường bờ từ T05/2013 đến T12/2015 (tọa độ VN2000).......80 Hình 3.4 Diễn biến đường bờ từ tháng 05/2013 đến tháng 12/2015 tại các mặt cắt .....81 Hình 3.5 Sơ đồ phân tích diễn biễn đường bờ theo phương pháp EOF ........................82 Hình 3.6 Kết quả tính thành phần C1 từ T05/2013 đến T12/2015 ................................83 Hình 3.7 Kết quả tính thành phần E1 theo dọc bờ .........................................................83 Hình 3.8 Tổ hợp E1C1 theo không gian và thời gian từ T05/2013 đến T12/2015 .........83 Hình 3.9 Kết quả tính thành phần C2 từ T05/2013 đến T12/2015 ................................84 Hình 3.10 Kết quả tính thành phần E2 theo dọc bờ .......................................................84 Hình 3.11 Tổ hợp E2C2 theo không gian và thời gian từ T05/2013 đến T12/2015 .......84 Hình 3.12 Kết quả tính thành phần C3 từ T05/2013 đến T12/2015 ..............................85 Hình 3.13 Kết quả tính thành phần E3 theo dọc bờ .......................................................85 Hình 3.14 Tổ hợp E3C3 theo không gian và thời gian từ T05/2013 đến T12/2015 .......85 Hình 3.15 Quá trình theo thời gian thành phần C1(t) và giá trị trung bình C1 ..............86 Hình 3.16 Phân tích Fourier giá trị trung bình C1 .........................................................86 Hình 3.17 Phương trình hồi quy thành phần E1 ............................................................87 Hình 3.18 So sánh vị trí đường bờ giữa camera và phương trình dự báo EOF.............88 Hình 3.19 Xu thế giữa chiều cao sóng ngoài khơi và thành phần C1 ............................89 Hình 3.20 Xu thế giữa thành phần C1(t) và tỉ lệ vận chuyển bùn cát dọc bờ ................90 vii Hình 3.21 Sơ đồ mô hình giải đoán chiều cao sóng ......................................................91 Hình 3.22 Phân tích chu kỳ sóng từ mặt cắt ngang .......................................................92 Hình 3.23 Quá trình phân tích chiều cao sóng vỡ theo cường độ sáng .........................92 Hình 3.24 Kết quả giải đoán chiều cao và chu kỳ sóng vỡ tháng 12/2013 từ ảnh videocamera so sánh số liệu thực đo của các trạm C gần bờ .................................................93 Hình 3.25 Kết quả giải đoán chiều cao và chu kỳ sóng vỡ từ ảnh video-camera và số liệu thực đo trạm A ........................................................................................................94 Hình 3.26 Tương quan giữa chiều cao sóng vỡ từ ảnh video-camera và số liệu sóng thực đo trạm A ...............................................................................................................94 Hình 3.27 So sánh kết quả tính sóng năm 2013 tại trạm A ...........................................95 Hình 3.28 Vị trí các trạm đo sóng ngoài khơi trong phạm vi nghiên cứu .....................96 Hình 3.29 Vị trí mặt cắt xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát.........................98 Hình 3.30 Số liệu đo các mặt cắt ngang xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát 99 Hình 3.31 Phạm vi vận chuyển bùn cát dọc bờ từ KS 378 đến cầu cảng Vinpearl.....100 Hình 3.32 Đánh giá sai số Dc giữa thực đo và tính toán từ công thức (3-7)...............102 Hình 3.33 Sơ đồ mô phỏng mô hình toán....................................................................104 Hình 3.34 Kết quả mô phỏng đường bờ tháng 12/2013 ..............................................104 Hình 3.35 Diễn biến đường bờ mô phỏng đường bờ và kiểm định mô hình ..............105 Hình 3.36 Kết quả mô phỏng đường bờ tháng 12/2013 từ cửa sông Cái đến cầu cảng Vinpearl (với dữ liệu đầu vào năm 2006)....................................................................106 Hình 4.1 Rạn san hô trước KS VDB ...........................................................................110 Hình 4.2 Sơ họa rạn san hô và bãi biển trước KS VDB ..............................................111 Hình 4.3 Sơ họa đê ngầm phá sóng tách rời ................................................................112 Hình 4.4 Sơ đồ thực hiện mô phỏng các phương án ...................................................114 Hình 4.5 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1a .................117 Hình 4.6 Phương án 1b ................................................................................................117 Hình 4.7 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1b..................117 Hình 4.8 Phương án 1c ................................................................................................118 Hình 4.9 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1c ..................118 Hình 4.10 Phương án 1d ..............................................................................................118 Hình 4.11 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1d................118 Hình 4.12 Phương án 1e ..............................................................................................119 Hình 4.13 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1e ................119 Hình 4.14 Phương án 2a ..............................................................................................119 Hình 4.15 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2a ................119 Hình 4.16 Phương án 2a1 ............................................................................................120 Hình 4.17 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2a1 ..............120 Hình 4.18 Phương án 2b ..............................................................................................120 Hình 4.19 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2b................120 Hình 4.20 Phương án 2c ..............................................................................................121 viii Hình 4.21 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c ................121 Hình 4.22 Phương án 2c1 ............................................................................................121 Hình 4.23 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c1 ..............121 Hình 4.24 Phương án 2c2 ............................................................................................122 Hình 4.25 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c2 ..............122 Hình 4.26 Phương án 2c3 ............................................................................................122 Hình 4.27 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c3 ..............122 Hình 4.28 Phương án 2c4 ............................................................................................123 Hình 4.29 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c4 ..............123 Hình 4.30 Phương án 2c5 ............................................................................................123 Hình 4.31 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c5 ..............123 Hình 4.32 Phương án 2c6 ............................................................................................124 Hình 4.33 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c6 ..............124 Hình 4.34 Phương án 2c7 ............................................................................................124 Hình 4.35 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2c7 ..............124 Hình 4.36 Phương án 2d ..............................................................................................125 Hình 4.37 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2d................125 Hình 4.38 Phương án 2e ..............................................................................................125 Hình 4.39 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2e ................125 Hình 4.40 Phương án 2g ..............................................................................................126 Hình 4.41 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2g................126 Hình 4.42 Phương án 2h ..............................................................................................126 Hình 4.43 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2h................126 Hình 4.44 Phương án 3g toàn tuyến ............................................................................127 Hình 4.45 Diễn biến đường bờ tháng 12/2013 mô phỏng phương án 3g toàn tuyến ..127 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các loại cấu trúc và nhiệm vụ của công trình bảo vệ bãi biển [4] .................10 Bảng 1.2 Nguyên nhân xói lở bờ biển [3] .....................................................................11 Bảng 2.1 Bảng thống kê cao độ và tọa độ các trạm đo hải văn trong tháng 05/2013 ...45 Bảng 2.2 Bảng thống kê cao độ và tọa độ các trạm đo hải văn trong tháng 12/2013 ...46 Bảng 2.3 Vị trí lấy mẫu trầm tích và đường kính hạt D50 dọc bãi biển .......................49 Bảng 2.4 Kết quả giải đoán mặt cắt ngang bãi cho một số ngày điển hình mùa hè ......57 Bảng 2.5 Kết quả giải đoán mặt cắt ngang bãi cho một số ngày điển hình mùa đông..58 Bảng 2.6 Lượng cát thay đổi dọc bờ dài 400m theo thời gian tính từ cao độ 0.9m đến 1.6m (tính cho cơn bão Nari).........................................................................................62 Bảng 2.7 Lượng cát thay đổi dọc bờ dài 400m theo thời gian tính từ cao độ 0.88m đến 1.4m (tính cho cơn bão Haiyan) ....................................................................................63 Bảng 3.1 Kết quả tính toán độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát ..................................97 Bảng 3.2 So sánh kiểm tra độ sâu Dc tính từ công thức (3-7) và Dc xác định từ mặt cắt số liệu đo sâu tháng 5/2013 .........................................................................................102 Bảng 3.3 Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát xác định theo các công thức ..............102 Bảng 3.4 So sánh đường bờ tháng 12/2013 giữa kết quả đo bằng máy toàn đạc và kết quả mô phỏng từ mô hình ............................................................................................105 Bảng 4.1 Tổng hợp các phương án thiết kế .................................................................115 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ ADCP Acoustic Doppler Current Profiler (Thiết bị đo các yếu tố thủy động lực học) Bãi biển Trần Phú Bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang dọc đường Trần Phú dài 4,5km từ cầu Trần Phú đến công viên Bạch Đằng Đề tài Nghị định thư: Đề tài Nghị định thư cấp nhà nước hợp tác giữa Việt Nam và Cộng hòa Pháp “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” Dc Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát (Depth of closure) DGPS Hệ thống Định vị Toàn cầu vi sai (Differential Global Positioning System) EOF Empirical Orthogonal Function-Hàm trực giao thực nghiệm GIS Hệ thông tin địa lý (Geographic Information System) GPS Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System) GCP Tọa độ điểm khống chế mặt đất (Ground Control Points) IAHR International Association for Hydro-Environment Engineering and Research (Hiệp hội Quốc tế Nghiên cứu Công trình Môi trường thuỷ) KS Khách sạn LATS Luận án tiến sĩ SMS Surfacewater Modeling System - Hệ thống mô hình nước mặt xi NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration - Trung tâm nghiên cứu biển và khí quyển Mỹ Tombolo Bãi nối hay doi cát hoặc mũi nhô hẹp nối liền một hòn đảo với đất liền UBND Ủy ban Nhân dân xii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam với lịch sử ngàn năm văn hiến, có bờ biển dài 3260km, là một quốc gia nằm trong số các nước trên thế giới có chỉ số cao nhất về chiều dài bờ biển, mở ra 3 hướng Đông, Nam và Tây; có vùng biển và thềm lục địa lớn gấp 3 lần diện tích đất liền và hơn 3.000 hòn đảo lớn, nhỏ, gần bờ và xa bờ, chạy suốt từ vịnh Bắc Bộ tới vịnh Thái Lan, đã đưa nước ta trở thành nước có vị thế về biển vô cùng quan trọng trong khu vực. Bên cạnh nguồn lợi thủy hải sản rất phong phú và đa dạng với nhiều loài quý hiếm và có giá trị kinh tế cao, bờ biển nước ta có khoảng 94 bãi tắm tự nhiên với danh lam thắng cảnh đẹp với những bãi cát dài, phong cảnh sơn thủy hữu tình, là điều kiện lý tưởng cho du lịch, trong đó có nhiều bãi biển nổi tiếng trên thế giới, được mệnh danh là "Thiên đường nghỉ dưỡng"... Lợi thế ven biển rất lớn nhưng hàng năm vùng ven biển nước ta luôn phải hứng chịu nhiều thiên tai như bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa, triều cường, nước dâng... gây xói lở, bồi lấp cửa sông và bờ biển làm mất dần không gian bãi biển, phá hủy nhiều công trình dân sinh kinh tế, phá vỡ cấu trúc hệ sinh thái ven biển, gây không ít khó khăn cho người dân và các hoạt động sản xuất, an ninh quốc phòng, phát triển kinh tế đất nước. Trong những năm gần đây, các hiện tượng thời tiết cực đoan xẩy ra càng ngày càng dữ dội với xu hướng gia tăng cả về tần suất lẫn cường độ, cùng với việc khai thác tài nguyên ngày càng nhiều nên hiện tượng xói lở - bồi tụ ở nhiều khu vực ven biển và cửa sông đang ở mức báo động. Là một tỉnh ven biển Nam Trung Bộ Việt Nam, Khánh Hòa có bờ biển kéo dài khoảng 385km, miền bờ biển bị đứt gãy tạo ra nhiều đầm, vịnh nổi tiếng như Cam Ranh, Vân Phong, Nha Trang. Trong đó, vịnh Nha Trang đứng thứ 29 của thế giới và đứng thứ 2 của châu Á trong câu lạc bộ các vịnh đẹp nhất thế giới. Với thế mạnh vốn có, hàng năm tỉnh Khánh Hòa đón hàng triệu khách du lịch trong nước và Quốc tế, đã mang lại nguồn lợi không nhỏ cho nền kinh tế của đất nước. Tuy nhiên, bờ biển của thành phố Nha Trang cũng như của Việt Nam hiện đang phải đối mặt với áp lực dân số, phát triển đô thị, giao thông, du lịch, khai thác trầm tích quá 1 nhiều… đã làm hạn ạn chế sự phục hồi của bãi biển, xói bồi ven bờ nghiên trọng, diễn biến bờ biển ngày càng phức ph tạp. Hậu quả rõ nét đã phản ản ánh thông qua sự thay đổi đường bờ nghiêm trọng, bãi b biển ển bị thu hẹp không còn bãi khi xây dựng kè lấn biển Ba Làng và môi trường ờng sinh thái biển đang ngày càng bị ô nhiễm dẫn ẫn đến hàng loạt bãi san hô bị chết (Hình 1). a. Bãi san hô chết đã làm ảnh hưởng h phong cảnh Hòn Chồng (chụp24 24/05/2013) b. Bãi san hô chết ết dài 200m phía tr trước khách sạn VDB (chụp15/ 15/06/2015) Hình 1.. Bãi biển biển bị suy thoái sau khi lấn biển khu vực Ba Làng Khi xây dựng ựng cầu Trần Phú trên sông Cái và kè bảo vệ bờ trước tr ớc UBND tỉnh Khánh Hòa để cải tạo môi trường ờng cửa sông Cái, mở rộng đường ờng Trần Phú thì bãi biển trước UBND tỉnh bịị thu hẹp không còn bãi. bãi Bãi biển trung tâm thành ph phố Nha trang từ ngã ba đường Lê Lợi - Trần ần Phú đến cầu cảng Vinpearl cũng đang trong ttình trạng dần dần bị thu hẹp, đường ờng bờ biển đang dần dần tiến về phía bờ kè đường ờng Trần Phú ((Hình 3.b), đơn cử như mặt ặt cắt ngang ngã ba đường Nguyễn Chánh - Trần ần Phú đường bờ đã tiến sâu vào 9m từ năm ăm 2006 đến đ tháng 5/2013 và độ dốc trung bình đáy biển gần bờ xấp xỉ 4% (Hình 3.a),, bãi biển bi về phía cầu cảng Vinpear có độ dốc ốc trung bình đáy biển càng lớn, gây nguy hiểm ểm cho người ng dân tắm biển. Hình 2. Cửa ửa sông Cái trước tr và sau khi có cầu Trần Phú (Ngu Nguồn: internet) 2 Mặt cắt ngã 3 N.Chánh-T.Phú a. Mặt cắt ngang vị trí ngã 3 đường Nguyễn Chánh và Trần Phú - - - - Đường bờ năm 2006 (trước khi có cầu Trần Phú) −−− Đường bờ tháng T5/2013 (sau khi có cầu Trần Phú) b. Đường bờ bãi biển Nha Trang và vị trí mặt cắt ngang Hình 3. Thực trạng bãi biển Nha Trang năm 2006 và tháng 5/2013 Trong những năm gần đây, ngành du lịch - ngành "Công nghiệp không khói" đã được sự quan tâm đầu tư phát triển mạnh, cùng với nhu cầu cấp thiết của người dân thì ngành du lịch Việt Nam nói chung và du lịch tại Nha Trang đã gây sức ép cho các bãi tắm trung tâm thành phố Nha trang ngày càng quá tải và tồn tại nhiều bất cập. Từ các phân tích hiện trạng cho thấy bãi tắm hiện có ở trung tâm thành phố cần được bảo vệ, cải tạo, khắc phục tồn tại hiện có để bãi biển Nha Trang ngày càng đẹp hơn và tạo ấn tượng cho khách du lịch trong nước và Quốc tế. Nghiên cứu bảo vệ bãi tắm hiện có và cải tạo các bãi tắm đang bị suy thoái để hình thành các bãi tắm mới cần phải nghiên cứu đầy đủ, tiến hành luận chứng kinh tế-kỹ thuật-môi trường và xã hội, làm cơ sở cho việc quy hoạch, lập dự án đầu tư. Đề tài 3 Nghị định thư Việt Nam - Cộng hòa Pháp “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” do PGS.TS. Nguyễn Trung Việt chủ trì, thực hiện trong các năm 2013-2014 đã luận chứng sự cần thiết và cấp bách trong việc cải tạo và tôn tạo bãi tắm biển thành phố Nha Trang, đưa ra các định hướng về Khoa học - Công nghệ cho vấn đề này [1]. Luận án Tiến sĩ của Nguyễn Việt Đức (bảo vệ thành công tại trường Đại học Thủy lợi vào cuối 2016) cũng có nội dung liên quan đến các vấn đề về cải tạo bãi tắm Nha Trang, nhưng chỉ hạn chế trong một khu vực nhỏ là bãi tắm Xương Huân [2]. Do khoa học - công nghệ biển là lĩnh vực rộng lớn, khó khăn và phức tạp, một vài nghiên cứu chưa thể giải quyết hết mọi vấn đề. Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu diễn biến đường bờ biển và giải pháp công trình để bảo vệ bãi biển thành phố Nha Trang" tiếp tục định hướng của đề tài nghị định thư mà bản thân tác giả trực tiếp tham gia, đi sâu khai thác đầy đủ hơn các số liệu thực đo, là mảng chuyên đề do tác giả phụ trách, sử dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại để lý giải cơ chế diễn biến theo mùa của bãi biển 4,5km dọc đường Trần Phú và đề xuất sơ đồ bố trí công trình hợp lý nhằm bảo vệ bãi biển không bị xói sâu về phía bờ kè đường Trần Phú. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Xác định được các tham số ảnh hưởng đến diễn biến đường bờ biển trung tâm thành phố Nha Trang như: chiều cao sóng vỡ, độ sâu giới hạn chuyển động bùn cát... và dự báo đường bờ biển theo không gian và thời gian. - Đề xuất được sơ đồ bố trí hệ thống công trình hợp lý để ổn định hình thái bãi tắm thành phố Nha Trang, cải thiện chiều rộng và độ dốc bãi. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Chiều cao sóng vỡ vùng gần bờ; - Diễn biến đường bờ biển trung tâm thành phố Nha Trang. 3.2 Phạm vi nghiên cứu 4 Bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang dọc đường Trần Phú dài 4,5km từ cầu Trần Phú đến công viên Bạch Đằng (Hình 4). Hình 4. Phạm vi nghiên cứu 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận Trên thế giới đã có rất nhiều bài học cũng như kinh nghiệm khi sử dụng biện pháp công trình để tái tạo bãi biển, để đánh giá những ưu nhược điểm và hiệu quả của các công trình biển cần rất nhiều số liệu đo đạc ngoài thực địa trong thời gian đủ dài. Để làm rõ nguyên nhân của diễn biến đường bờ, luận án đã kết hợp cách tiếp cận từ quan trắc, mô tả thực tế đến các mô phỏng số hiện đại để dự báo được ảnh hưởng của công trình đến diễn biến của đường bờ trong tương lai. 4.2 Phương pháp nghiên cứu Tác giả đã phân tích, thống kê, kế thừa có chọn lọc các nghiên cứu có liên quan đến luận án, tìm ra những vấn đề khoa học của các nghiên cứu trước đây chưa đề cập hoặc đề cập chưa đầy đủ, từ đó tiến hành nghiên cứu dựa vào các phương pháp: - Phương pháp nghiên cứu từ số liệu thực đo; 5 - Phương pháp phân tích ảnh từ video-camera; - Phương pháp phân tích EOF (Empirical Orthogonal Function - Hàm trực giao thực nghiệm); - Phương pháp mô hình toán; - Hệ thông tin địa lý (GIS- Geographic Information System). 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu diễn biến bãi biển liên quan đến những vấn đề cơ học chất lỏng (nước biển), chất rắn (bờ biển, công trình) và chất rời (bùn cát). Các lĩnh vực cơ học đó đứng riêng đã rất phức tạp và khó khăn khi nghiên cứu, trong khi tại vùng gần bờ, các yếu tố này lại tương tác với nhau trong một hệ thống không gian và thời gian luôn biến đổi sẽ càng khó khăn phức tạp trong nghiên cứu hơn. Hàng thế kỷ nay, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu và giải quyết các vấn đề khó khăn và phức tạp đó để phục vụ cho các yêu cầu của thực tế từng ngành, từng vùng miền. Hiện nay và trong thời gian sau này, khoa học-công nghệ biển vẫn còn rất nhiều vấn đề để các nhà nghiên cứu tìm hiểu và giải quyết. Trong luận án này đã thừa kế một số nội dung khoa học đã được nghiên cứu trước đây, tiến hành nghiên cứu các đặc tính theo đặc thù địa phương của bãi biển Nha Trang, từ đó đưa ra giải pháp công trình bảo vệ bãi biển. Trong luận án đã trình bày diễn biến đường bờ trong thời gian 3 năm được phân tích từ ảnh video-camera, đây là số liệu đầu vào rất quan trọng cho phương pháp phân tích EOF, đây là công cụ còn mới trong nghiên cứu biển ở Việt Nam. Kết quả thu được là phương trình dự báo diễn biến đường bờ theo không gian và thời gian theo chu kỳ năm của bãi biển trước UBND tỉnh Khánh Hòa. Tác giả đã sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát Dc từ các số liệu đo sâu tại các mặt cắt ngang theo thời gian. Đây là phương pháp mà ở Việt Nam ít sử dụng do thiếu số liệu đo sâu. Kết hợp với chiều cao sóng vỡ được phân tích từ ảnh video-camera, đây là thông số mà hiện nay do nhiều điều kiện khách quan như: nhân lực, thiết bị, điều kiện đo...rất ít được triển khai đo đạc. Từ đó, 6