KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
66
BÀI BÁO KHOA HỌC
HIỆU ỨNG GIA TĂNG XÓI LỞ BÃI BIỂN TRONG BÃO
DO CÔNG TRÌNH TƯỜNG KÈ VEN BIỂN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
Thiều Quang Tuấn
1
, Đặng Thị Linh
2
Tóm tắt: Xói lở cấp tính dưới tác động của bão và áp thấp nhiệt đới thường xuyên xảy ra đối với bờ
biển Đà Nẵng. Hệ thống công trình đê kè dọc theo bờ biển của Thành phố một mặt có thể giúp bảo vệ
bờ và cơ sở hạ tầng phía sau, nhưng mặt khác lại có thể gây ra xói lở nghiêm trọng bãi trước, đặc biệt
khi chúng có kết cấu dạng tường đứng và nằm khá gần với mép nước dâng trong bão. Trong nghiên cứu
này, hiệu ứng công trình làm gia tăng xói lở bãi biển này được đánh giá thông qua việc mô phỏng với
mô hình XBEACH tác động của hai cơn bão điển hình MOLAVE và VAMCO xảy ra trong năm 2020 ở
bờ biển Đà Nẵng.
Từ khóa: XBEACH, Xói cấp tính, Tường biển, MOLAVE, VAMCO.
1. MỞ ĐẦU
*
Trung bình khoảng hai năm một lần, thành phố
Đà Nẵng lại chịu tác động trực tiếp hoặc ảnh
hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới. Trong điều
kiện sóng lớn và nước dâng cao trong bão, xói lở
cấp tính xảy ra tại hầu hết các đoạn bờ biển của
Thành phố, dễ thấy nhất là ở phần bãi cao (phía
trên mực nước trung bình) và phần bờ nằm sát
tuyến kè và cơ sở hạ tầng ven biển.
Tác động của xói lở cấp tính đối với phần bờ
biển được bảo vệ bởi công trình đê kè có thể được
giảm thiểu đáng kể. Tuy nhiên tác động gây xói
của công trình đối với phần bãi trước (chiều sâu
và phạm vi hố xói) có thể gia tăng và bản thân
công trình cũng sẽ chịu những tác động bất lợi
hơn (như áp lực sóng, sóng tràn, xói chân,..) dẫn
tới có thể dễ bị phá hỏng hơn nếu những công
trình này nằm quá gần mép nước tức là quá sâu
trong vùng sóng vỗ. Bên cạnh đó, do ảnh hưởng
của tương tác sóng - công trình, đặc biệt là sóng
phản xạ, xói bãi trước sẽ xảy ra nghiêm trọng hơn
khi công trình kè có kết cấu dạng tường đứng
(tường biển) thay vì dạng mái nghiêng.
Theo số liệu thống kê đến năm 2022 hệ thống
công trình bảo vệ bờ biển của Thành phố bao gồm
31,6 km công trình đê kè hiện hữu bảo vệ dọc theo
1
Khoa Công trình, Đại học Thủy lợi
2
Viện Kỹ thuật công trình, Đại học Thủy lợi
các tuyến đường ven biển và các khu phức hợp du
lịch trên các bãi tắm. Phần lớn các công trình này
đều có kết cấu dạng tường biển và nằm trên phạm vi
bãi biển, khá gần mép nước (xem Hình 1). Nếu so
với mép nước (tĩnh) tương ứng với mực nước dâng
trong bão MOLAVE năm 2020 (cao độ nước dâng
lớn nhất +1.10 m), tuyến tường biển dọc theo dải bờ
biển phía đông (phía nam bán đảo Sơn Trà) chỉ cách
mép nước này khoảng 20 m - 50 m, cá biệt tại một
số vị trí rất sát mép nước (cự ly < 10 m) như kè tại
các khu khách sạn resort ở bãi tắm Sơn Thủy, kè
Furama ở Sao Biển, tường biển tại các bãi tắm T20,
Mỹ Khê, Phước Mỹ, Phạm Văn Đồng, Mân Thái,...
Ở dải bờ biển trong vịnh, tuyến tường biển dọc theo
đường Nguyễn Tất Thành thậm chí còn nằm ở vị trí
sát mép nước hơn, dao động trong khoảng chỉ từ 10
m - 20 m, đặc biệt là đoạn bờ hở trực diện với sóng
ở khu vực giữa vịnh.
Hình 1. Tường biển - đường dạo ven biển
tại bãi tắm Mỹ Khê
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
67
Bề rộng vùng sóng vỗ trong bão (swash zone)
tính từ mép nước về phía bờ trung bình khoảng 30 m
- 50 m. Như vậy có thể nhận thấy rằng phần lớn các
tuyến đê kè bảo vệ bờ và cơ sở hạ tầng du lịch ven
biển của Thành phố ở cả hai khu vực bờ biển phía
đông và Vịnh Đà Nẵng đều nằm sâu trong vùng
sóng vỗ (xem Hình 2), vùng chịu tác động bất lợi
của sóng bão như đã nêu ở trên. Các bãi biển của
thành phố do vậy có tính dễ bị tổn thương với xói lở
trong bão hoặc áp thấp nhiệt đới.
Hình 2. Bờ biển Vịnh Đà Nẵng trong bão
MOLAVE 10/2020 cho thấy ở nhiều vị trí tường kè
dọc đường Nguyễn Tất Thành nằm sâu trong đới
sóng vỗ
Trong bài báo này, thông qua việc mô phỏng
lại tác động gây xói lở của hai cơn bão
MOLAVE và VAMCO xảy ra trong năm 2020
đối với bờ biển thành phố, mức độ nghiêm trọng
của xói lở bãi biển cùng với hiệu ứng gia tăng
xói lở do công trình đê kè sẽ được phân tích và
đánh giá cụ thể.
2. MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
2.1. Giới thiệu mô hình XBEACH
XBEACH là mô hình mã nguồn mở phát triển
bởi Deltares về thủy động lực sóng và biến đổi
hình thái tiên tiến (Roelvink và nnk., 2018).
XBEACH giải hệ phương trình phi tuyến nước
nông trong đó hàm nguồn về tác động của sóng
được miêu tả biến đổi theo thời gian theo quy mô
nhóm sóng. Phương trình cân bằng về tác động
sóng theo thời gian trong XBEACH như sau:
y
x
w f v
c A
c A
A
t x y
DDD
c A
(1)
trong đó A là tham số tác động của sóng biến
đổi theo không gian và thời gian:
, , ,
, , ,
, ,
w
S x y t
A x y t
x y t
(2)
với
là góc sóng tới so với trục x, D
w
, D
f
, D
v
lần lượt là tiêu hao năng lượng sóng do sóng vỡ,
ma sát đáy và lực cản của cây, S
w
biểu thị cho mật
độ năng lượng sóng trong mỗi một ô hướng,
là
tần số sóng.
XBEACH có khả năng miêu tả các quá trình
thủy động lực của sóng ngắn (khúc xạ, nhiễu xạ,
sóng dềnh, sóng vỡ), quá trình biến đổi của sóng
dài (hình thành, lan truyền, tiêu tán năng lượng),
nước dềnh do sóng, dòng chảy không ổn định,
sóng leo, sóng tràn và ngập lụt. Các quá trình
động lực hình thái được miêu tả lồng ghép cùng
với quá trình thủy động lực bao gồm vận chuyển
bùn cát đáy và lơ lửng, sạt trượt, biến đổi đáy và
xói vỡ. Vận chuyển bùn cát lơ lửng với nồng độ
bùn cát được miêu tả thông qua phương trình đối
lưu - khuếch tán với các biến nguồn xác định theo
nguyên lý nồng độ bùn cát cân bằng. Nồng độ bùn
cát cân bằng được sử dụng trong miêu tả cả hai cơ
chế vận chuyển bùn cát đáy và lơ lửng và được
liên hệ với tính rối của dòng chảy được gia tăng
bởi sóng vỡ. Biến đổi đáy được miêu tả thông qua
phương trình cân bằng:
0
(1 )
y
b mor x
q
z f q
t p x y
(3)
trong đó z
b
và p lần lượt là cao trình và độ rỗng
đáy, f
mor
là hệ số tăng tốc hình thái, q
x
và q
y
tương
ứng là lưu lượng vận chuyển bùn cát theo các
phương x và y.
XBEACH là mô hình duy nhất hiện nay có thể mô
phỏng biến đổi đáy xảy ra trong vùng sóng vỗ (swash
zone). Ngoài ra, ảnh hưởng của cây cối và các công
trình cứng cũng được mô phỏng trong mô hình.
Mô hình XBEACH đã được hiệu chỉnh và
kiểm định với nhiều số liệu thí nghiệm và đo đạc
hiện trường. Các thông số mặc định, cơ sở trong
mô hình được thiết lập trên cơ sở các kiểm định
này. Tùy thuộc vào các bài toán khác nhau,
XBEACH có ba chế độ tính toán cơ bản gồm: ổn
định theo thời gian (stationary), sóng dài
(surfbeat), và phi thủy tĩnh (non-hydrostatic).
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
68
2.2. Thiết lập và kiểm định mô hình
Hình 3. Thiết lập mô hình XBEACH cho các đoạn
bờ biển Đà Nẵng: (a) Sơ đồ lồng XBEACH trong
MIKE21 (b) Địa hình chi tiết mô hình phía đông
(xoay 90
o
) (c) Địa hình chi tiết mô hình trong vịnh
Hình 3 trình bày các thiết lập mô hình cho hai
đoạn bờ biển ở phía đông và trong vịnh. Để mô
phỏng tác động của các cơn bão, mô hình
XBEACH đã được thiết lập lần lượt cho các đoạn
bờ biển gần ở phía đông và vùng trong vịnh.
XBEACH là mô hình chi tiết với miền tính nhỏ do
vậy nó đã được lồng ghép (nesting) trong mô hình
miền lớn (MIKE21) để tạo các điều kiện biên sóng
và mực nước cần thiết cho mô hình. Trong Hình 3,
ranh giới công trình cứng (tường biển) có thể
được phân biệt với cao độ +10.0 m (màu sẫm).
Sóng tái phân tích NOAA (Cơ quan Quản lý Khí
quyển và Đại dương Hoa Kỳ) tại tọa độ [108.5E,
16.5N] được sử dụng làm biên sóng đầu vào của
mô hình miền lớn.
Ba bộ số liệu quan trắc sóng và dòng chảy tại
các trạm W1 (thời gian 10-22/05/2019;
ĐHKHTN, 2020), W2 (thời gian 22- 27/12/2021;
CMB, 2021) và W3 (thời gian 23/10-06/11/2022;
ĐHTL-KSHV, 2022) đã được sử dụng cho các
mục đích kiểm định và hiệu chỉnh các mô hình.
Mô hình miền lớn đã được hiệu chỉnh về sóng
(chiều cao, chu kỳ và hướng sóng) và dòng chảy
(vận tốc trung bình và hướng sóng) với số liệu từ
trạm W1 và kiểm định với số liệu từ trạm W2. Kết
quả kiểm định và hiệu chỉnh mô hình miền lớn
cho thấy có sự phù hợp khá tốt về các yếu tố thủy
động lực giữa các số liệu đo đạc và tính toán bởi
bộ mô hình (không trình bày ở đây, chi tiết xem
tại ĐHTL-MHT, 2023) và do đó có thể sử dụng để
mô phỏng tính toán các điều kiện biên thủy động
lực cho mô hình XBEACH. Mô hình XBEACH
sau khi thiết lập đã được kiểm định với số liệu sóng
và dòng chảy trạm nước nông AWAC tại W3. Ví
dụ kết quả kiểm định mô hình về chiều cao sóng và
vận tốc dòng chảy trung bình được thể hiện trên
Hình 4. Các tham số kiểm định chính là hệ số
Chezi C = 55 m
0.5
/s, khoảng góc hướng sóng phân
tán  = 30
o
, bước ô góc d = 5
o
, và mô hình vỡ
Roelvink (Roelvink, 1993). Sự phù hợp giữa mô
hình với số liệu thực đo đánh giá thông qua tiêu
chuẩn về sai số trung bình quân phương chuẩn hóa
NRMSE cho chiều cao sóng và vận tốc trung bình
độ sâu lần lượt đạt được là 0.34 và 0.48 (NRMSE ≤
0.45 được xem là đạt yêu cầu; ví dụ xem Van Rijn,
2003; McCuen và nnk., 2006). Có thể thấy rằng
nhìn chung chiều cao sóng có sự phù hợp khá tốt về
xu thế lẫn độ lớn, tuy giá trị tính toán lớn nhất vẫn
hơi nhỏ hơn so với đo đạc. Kết quả kiểm định vận
tốc thì ở mức độ kém hơn nhưng về tổng thể vẫn có
sự phù hợp về độ lớn. Tuy nhiên kết quả này vẫn
có thể chấp nhận được nếu xét rằng thời điểm khảo
(a)
(b)
(c)
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
69
sát là lúc gió mùa Đông Bắc đang hoạt động mạnh
và dòng chảy thực đo bao gồm cả dòng do gió,
trong khi đó ảnh hưởng này đã không được xét tới
trong XBEACH (do không có số liệu đầu vào về
trường gió).
Hình 4. Kết quả kiểm định mô hình:
(a) Chiều cao sóng H
s
(b) Vận tốc trung bình V
2.3 Các trường hợp mô phỏng
Trong năm 2020, Thành phố Đà Nẵng chịu tác
động trực tiếp của hai cơn bão khá mạnh đó là bão
MOLAVE (bão số 9) kéo dài từ ngày 27/10 tới
30/10/2020, và VAMCO (bão số 13) từ ngày
13/11 tới 16/11. Các cơn bão này đều đã gây ra
xói lở bờ và làm thiệt hại nhiều cơ sở hạ tầng, dân
sinh ven biển. So với bão VAMCO, bão
MOLAVE có chiều cao sóng tác động nhỉnh hơn,
thời gian duy trì tác động dài hơn, tuy nhiên đỉnh
mực nước dâng lớn nhất lại thấp hơn 0.50 m (xem
Hình 5).
Mô hình sau kiểm định XBEACH đã được áp
dụng để tính toán mô phỏng cho 33 giờ bão
MOLAVE và 48 giờ bão VAMCO. Bộ công thức
vận chuyển bùn cát Soulsby-Van Rijn (Roelvink
và nnk., 2018) đã được sử dụng cho tính toán vận
chuyển bùn cát (cả bùn cát đáy và lơ lửng) với
đường kính hạt cát đại diện lần lượt là d
50
= 180
m và d
90
= 240 m cho bờ biển phía đông, và d
50
= 140 m và d
90
= 200 m cho bờ biển trong vịnh
(lấy trung bình dựa trên 100 mẫu khảo sát cấp
phối hạt; ĐHTL-KSHV, 2022). Biến đổi đáy được
mô phỏng không sử dụng kỹ thuật tăng tốc hình
thái (f
mor
= 1.0 trong PT. 3).
Hình 5. Biến trình sóng và mực nước theo
thời gian của hai cơn bão điển hình tại Đà Nẵng
trong năm 2020: (a) Bão số 9 - MOLAVE
(b) Bão số 13 - VAMCO
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 6 và 7 lần lượt thể hiện kết quả mô phỏng
trường dòng chảy trung bình độ sâu xuất hiện tại
các dải bờ biển trong vịnh và phía đông của Thành
phố vào thời điểm sóng lớn nhất trong bão
MOLAVE (4:00 AM ngày 28/10/20210).
Hình 6. Trường dòng chảy ven bờ Vịnh Đà Nẵng
tại thời điểm sóng lớn nhất 28/10/2020 4:00:00
AM, bão MOLAVE 2020
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 86 (12/2023)
70
Hình 7. Trường dòng chảy ven bờ biển phía đông
tại thời điểm sóng lớn nhất 28/10/2020 4:00:00
AM, bão MOLAVE 2020
Kết quả cho thấy các tuyến tường biển ở cả hai
dải bờ biển đều nằm sâu trong đới sóng vỗ trong
bão. Vận tốc dòng chảy lớn nhất xuất hiện trong
vùng sóng đổ dọc theo bờ biển. Đặc biệt là xuất
hiện dòng chảy với vận tốc lớn trong vùng sóng
vỗ sát chân tường biển ở nhiều vị trí.
Hình 8 và Hình 9 lần lượt thể hiện kết quả so
sánh giữa hai cơn bão MOLAVE và VAMCO về
mực nước (mực nước tổng hợp) và trường sóng
(chiều cao trung bình quân hương H
rms
) lớn nhất
ven bờ biển phía đông. Theo đó mực nước tổng
hợp trong bão (bao gồm cả nước dềnh do sóng -
wave setup) lớn nhất đều xảy ra sát bờ dọc theo
tuyến tường kè và phổ biến vào khoảng 2.0 m
trong bão MOLAVE, nhỏ hơn đáng kể so với 2.80
m trong bão VAMCO (Hình 8).
Hình 8. Mực nước lớn nhất xảy ra trong bão ven bờ
biển phía đông: (a) bão MOLAVE (b) bão VAMCO
Hình 9. Trường sóng trung bình quân phương
H
rms
lớn nhất xảy ra trong bão ven bờ biển phía
đông: (a) bão MOLAVE (b) bão VAMCO
Về sóng (Hình 9), sự khác biệt về chiều cao
sóng giữa hai cơn bão chỉ thấy rõ nhất ở khu vực
sát bờ. Mặc dù có chiều cao sóng ở biên nhỏ hơn,
nhưng do mực nước dâng cao hơn nên cơn bão
VAMCO gây ra chiều cao sóng lớn nhất trước bờ
lớn hơn trung bình khoảng 0.40 m so với bão
MOLAVE (tại vị trí cách chân tường 50 m về phía
biển: chiều cao sóng H
s
= 1.10 m trong bão
VAMCO và H
s
= 0.70 m trong bão MOLAVE).
Hình 10 thể hiện kết quả mô phỏng biến đổi
đáy (chênh địa hình trước và sau bão) do bão
MOLAVE gây ra đối với đoạn bờ biển ở trung
tâm Vịnh Đà Nẵng. Để so sánh tác động giữa hai
cơn bão, Hình 11 và 12 lần lượt thể hiện các kết
quả biến đổi đáy sau bão MOLAVE và VAMCO
cho đoạn bờ biển trọng yếu Mỹ Khê - Sơn Thủy
thuộc dải bờ biển phía đông của Thành phố.
Có thể thấy rằng xói lở bãi xảy ra ở hầu hết các
đoạn bãi biển của Thành phố ở cả phía đông và
trong vịnh dưới tác động của hai cơn bão. Trong tất
cả các trường hợp, xói lở đều xảy ra lớn nhất tại
ngay chân tường kè phía biển. Những nơi có mức độ
xâm lấn ra phía biển càng lớn thì độ sâu xói xảy ra
tại chân tường kè càng lớn. Đặc biệt tại một số vị trí
như Furama Resort, Mỹ Khê (T20, khách sạn
Mường Thanh, Nguyễn Văn Thoại) chiều sâu xói lở
có thể lên tới trên 2.0 m (Hình 11, 12).
(a)
(b)
(a)
(b)