Hình thái bờ biển - ThS. Trần Thanh Tùng

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:231

Thêm vào BST

Báo xấu

168
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Việc biên soạn tập bài giảng ”Hình thái bờ biển” là một hoạt động nằm trong khuôn khổ Dự án ”Nâng cao năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật Bờ Biển tại Trường Đại học Thủy lợi” do Chính phủ Hà Lan tài trợ, với mục tiêu cung cấp những kiến thức cơ bản về hình thái bờ biển và kỹ thuật bờ biển cho sinh viên theo học ngành Kỹ thuật bờ biển tại Trường Đại học Thủy lợi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hình thái bờ biển - ThS. Trần Thanh Tùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Dự án Nâng cao Năng lực Đào tạo Ngành Kỹ Thuật Bờ Biển tại Trường ĐHTL HÌNH THÁI BỜ BIỂN ThS. Trần Thanh Tùng Đại học Thủy lợi, Hà Nội, Việt Nam TS. Jan van de Graaff Đại học kỹ thuật Delft, TU Delft, Hà Lan Hà nội 4-2006
LỜI NÓI ĐẦU Việc biên soạn tập bài giảng ”Hình thái bờ biển” là một hoạt động nằm trong khuôn khổ Dự án ”Nâng cao năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật Bờ Biển tại Trường Đại học Thủy lợi” do Chính phủ Hà Lan tài trợ, với mục tiêu cung cấp những kiến thức cơ bản về hình thái bờ biển và kỹ thuật bờ biển cho sinh viên theo học ngành Kỹ thuật bờ biển tại Trường Đại học Thủy lợi. Tập bài giảng gồm 7 chương được chia làm 2 phần, phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức cơ sở về hình thái bờ biển như các khái niệm, thuật ngữ sử dụng trong hình thái bờ biển, các hiện tượng diễn biến bờ biển do tác động của sóng, mực nước, dòng chảy ở vùng ven biển, các kiến thức cơ bản liên quan tới vận chuyển bùn cát ở bờ biểnv.v... Phần 2 sẽ trình bày sâu hơn về sự hình thành dòng chảy ở vùng ven bờ, các tính toán vận chuyển bùn cát và diễn biến bờ biển, cách mô hình hóa bãi biển và đường bờ cũng như các phương pháp đo đạc mặt cắt ngang bãi biển. Một số nguyên nhân gây xói lở bờ biển và các giải pháp ổn định bờ biển cũng sẽ được giới thiệu ở phần 2. Tập bài giảng được xây dựng trên cơ sở tham khảo từ cuốn “Kỹ thuật bờ biển” của Van der Velden là tập bài giảng hiện đang sử dụng tại Trường Kỹ thuật Delft, Hà Lan, và từ “Sổ Tay Kỹ thuật Bờ Biển” (Coastal Engineering Manual, 2002) của Tổ hợp Kỹ thuật thuộc Quân đội Mỹ. Tác giả xin chân thành cảm ơn Giáo sư Marcel Stive, Giáo sư. Kee d’Angremond đã đọc và cho các ý kiến đóng góp quý báu cho tập bài giảng này. Tác giả cũng xin bày tỏ lòng biết ơn tới Tiến sỹ. Jan van de Graaff, người đã khuyến khích, hướng dẫn và thảo luận từng nội dung trong tập bài giảng này cùng tác giả. Sau cùng, tác giả xin trân trọng cảm ơn các cán bộ Phòng Hợp tác quốc tế, Đại học công nghệ Delft (CICAT), văn phòng Dự án Hà Lan tại Trường Đại học Thủy lợi đã có những giúp đỡ quý báu và hiệu quả giúp tác giả hoàn thành tập bài giảng này. Delft, tháng 4 năm 2006 1
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC ii CHƯƠNG 1 –GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG CỦA MÔN HỌC .......................................................................................1 1.2 CÁC THUẬT NGỮ LIÊN QUAN TỚI HÌNH THÁI BỜ BIỂN .........................................................2 1.3 KỸ THUẬT BỜ BIỂN, HÌNH THÁI BỜ BIỂN VÀ QUÁ TRÌNH DIỄN BIẾN BỜ BIỂN..............4 QUÁ TRÌNH DIỄN BIẾN BỜ BIỂN..........................................................................................................6 1.4 LỊCH SỬ VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN..................................................................................................8 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH KỸ THUẬT BỜ BIỂN................................................................8 XU THẾ PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI .........................................................................................9 1.5 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VÙNG VEN BIỂN ..................................................................10 1.6 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH BỜ BIỂN VIỆT NAM ..................................................................................13 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH VÙNG BỜ BIỂN MIỀN BẮC............................................................................14 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH VÙNG BỜ BIỂN MIỀN TRUNG ......................................................................15 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH VÙNG BỜ BIỂN MIỀN NAM...........................................................................16 CHƯƠNG 2 – SÓNG, MỰC NƯỚC VÀ DÒNG CHẢY 2.1 GIỚI THIỆU..........................................................................................................................................18 2.2 LÝ THUYẾT SÓNG TUYẾN TÍNH CỦA AIRY...............................................................................18 CÁC GIẢI THIẾT CƠ BẢN VÀ ĐẶC TRƯNG SÓNG ...........................................................................19 NĂNG LƯỢNG SÓNG ............................................................................................................................23 PHẠM VI ÁP DỤNG CỦA LÝ THUYẾT SÓNG....................................................................................25 2.3 HIỆN TƯỢNG TRUYỀN SÓNG VÀ BIẾN DẠNG SÓNG ..............................................................26 HIỆN TƯỢNG TRUYỀN SÓNG Ở VÙNG NƯỚC SÂU ........................................................................26 SỰ BIẾN DẠNG SÓNG Ở GẦN BỜ .......................................................................................................29 HIỆN TƯỢNG KHÚC XẠ SÓNG VÀ NHIỄU XẠ SÓNG ......................................................................31 2.5 THỦY TRIỀU VÀ SỰ DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC ............................................................................36 A-THỦY TRIỀU VÀ DÒNG TRIỀU .......................................................................................................37 NGUỒN GỐC THỦY TRIỀU...............................................................................................................37 PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO THỦY TRIỀU ............................................................................................40 DÒNG TRIỀU......................................................................................................................................41 B- CHẾ ĐỘ TRIỀU Ở BỜ BIỂN VIỆT NAM ...........................................................................................45 C-NƯỚC DÂNG Ở BỜ BIỂN VIỆT NAM ..............................................................................................46 NƯỚC DÂNG DO GIÓ MÙA ..............................................................................................................47 NƯỚC DÂNG DO BÃO.......................................................................................................................47 ĐẶC ĐIỂM NƯỚC DÂNG DỌC BỜ BIỂN VIỆT NAM ......................................................................49 D- SỰ BIẾN ĐỔI MỰC NƯỚC TRONG THỜI ĐOẠN DÀI...................................................................52 SỰ DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC DO ĐIỀU KIỆN THỜI TIẾT ..............................................................52 SỰ BIẾN ĐỔI MƯC NƯỚC BIỂN.......................................................................................................53 SỰ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU .................................................................................................53 ii
CHƯƠNG 3 – ĐỘNG LỰC HỌC BỜ BIỂN 3.1 SÓNG VỠ VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG VỠ ..................................................................................56 CÁC DẠNG SÓNG VỠ ...........................................................................................................................56 GI ỚI HẠN SÓNG VỠ VÀ CHIỀU CAO SÓNG VỠ ...............................................................................59 3.2 DÒNG CHẢY HÌNH THÀNH DO SÓNG Ở VÙNG GẦN BỜ.........................................................62 DÒNG TIÊU VÀ DÒNG TUẦN HOÀN..................................................................................................64 CƠ CHẾ HÌNH THÀNH DÒNG TIÊU ................................................................................................65 DÒNG CHẢY DỌC BỜ HÌNH THÀNH DO SÓNG TÁC DỤNG THEO HƯỚNG XIÊN GÓC VỚI ĐƯỜNG BỜ .............................................................................................................................................66 TÍNH TOÁN VẬN TỐC DÒNG CHẢY DỌC BỜ .................................................................................67 PHÂN BỐ VẬN TỐC DÒNG CHẢY DỌC BỜ ....................................................................................71 CÁC GIẢ THIẾT CỦA LONGUET-HIGGINS.....................................................................................73 SO SÁNH PHÂN BỐ LƯU TỐC DỌC BỜ LÝ THUYẾT VÀ THỰC ĐO .............................................74 PHÂN BỐ LƯU TỐC DỌC BỜ CỦA MỘT PHỔ SÓNG ...................... Error! Bookmark not defined. PHÂN BỐ LƯU TỐC DỌC BỜ TRÊN MẶT CẮT Y=(x)2/3 .................... Error! Bookmark not defined. DÒNG CHẢY DO SÓNG KẾT HỢP VỚI DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC DỌC BỜ ....................................79 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ VÀ THỦY TRIỀU TỚI DÒNG CHẢY VEN BỜ ..................................81 CHƯƠNG 4 – VẬN CHUYỂN BÙN CÁT BỜ BIỂN 4.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VÂN CHUYỂN BÙN CÁT ....................................................83 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT ...........................................................................83 CÁC HÌNH THỨC VẬN CHUYỂN BÙN CÁT.......................................................................................87 4.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA BÙN CÁT BỜ BIỂN .................................................................................88 GIỚI THIỆU CHUNG ..............................................................................................................................88 THÀNH PHẦN BÙN CÁT.......................................................................................................................88 ĐƯỜNG KÍNH HẠT BÙN CÁT..............................................................................................................89 BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG KÍNH HẠT THEO KHÔNG GIAN VÀ THỜI GIAN .............................................92 HÌNH DẠNG............................................................................................................................................94 ĐỘ RỖNG ................................................................................................................................................95 ĐỘ THÔ THỦY LỰC CỦA BÙN CÁT ...................................................................................................96 4.3 TỐC ĐỘ KHỞI ĐỘNG /ỨNG SUẤT TIẾP TỚI HẠN .....................................................................98 4.4 TỔNG QUAN VỀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VEN BỜ .... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 4.5 VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ .................................................................................................103 GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................................................103 TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ...............................................................................105 CÔNG THỨC CERC (1966) 105 CÔNG THỨC BIJKER (1967) 108 CÔNG THỨC KAMPHUIS (1991) 109 VẬN CHUYỂN BÙN CÁT "TỊNH" VÀ "TỔNG CỘNG" DỌC BỜ......................................................112 SUẤT CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ THỰC TẾ .................................................................................114 4.6 VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG ..... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. TRẠNG THÁI THỦY ĐỘNG LỰC HỌC BÊN NGOÀI VÙNG SÓNG VỠ ..... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. DÒNG CHẢY TẠI LỚP BIÊN Error! Bookmark not defined.17 CÁC SÓNG PHI TUYẾN Error! Bookmark not defined. DÒNG TRÔI DO SÓNG TẠO NÊN Error! Bookmark not defined. DÒNG CHẢY RỐI TRUNG BÌNH Error! Bookmark not defined. iii
VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG BÊN NGOÀI VÙNG SÓNG VỖERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG TRONG VÙNG SÓNG VỖERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂNERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. MÔ HÌNH VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG ĐƠN GIẢNERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.6 CHƯƠNG 5 – DIỄN BIẾN BỜ BIỂN 5.1 HÌNH DẠNG MẶT CẮT NGANG BỜ BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT THEO PHƯƠNG NGANG ......................................................................................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. GIỚI THIỆU.......................................................................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. ĐẶC TRƯNG VÀ TƯƠNG QUAN HÌNH DẠNG BÃI BIỂN...........ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. TƯƠNG QUAN GIỮA ĐỘ DỐC BÃI BIỂN VỚI ĐƯỜNG KÍNH HẠT CÁT . ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. TƯƠNG QUAN GIỮA ĐỘ DỐC BÃI BIỂN VỚI NĂNG LƯỢNG SÓNGERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5.2 MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂN Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNGERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂN CÂN BẰNGERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. CÁC LỰC TÁC DỤNG Ở VÙNG VEN BỜ .......................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. CÁC LỰC GÂY PHÁ HOẠI BÃI BIỂN .................................................. Error! Bookmark not defined. CÁC LỰC CÓ TÁC DỤNG THÀNH TẠO BÃI BIỂN ............................ Error! Bookmark not defined. MÔ HÌNH MẶT CẮT CÂN BẰNG XÂY DỰNG TRÊN QUAN ĐIỂM CÂN BẰNG LỰC ......... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. LỰC DO TIÊU TÁN NĂNG LƯỢNG SÓNG TRONG 1 ĐƠN VỊ THỂ TÍCHError! Bookmark not defined. LỰC DO SỰ TIÊU TÁN NĂNG LƯỢNG SÓNG TRÊN 1 ĐƠN VỊ DIỆN TÍCH . Error! Bookmark not defined. LỰC SINH RA DO ỨNG SUẤT TIẾP ĐỒNG NHẤT Ở ĐÁY ................ Error! Bookmark not defined. MÔ HÌNH MẶT CẮT CÂN BẰNG XÂY DỰNG TRÊN QUAN ĐIỂM VẬN CHUYỂN BÙN CÁTERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. CÁC DẠNG MẶT CẮT NGANG CÂN BẰNG KHÁC.....................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 5.3 SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA BÃI BIỂN VỚI SÓNG VÀ MỰC NƯỚC..... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC GIỮA BÃI BIỂN VỚI BIẾN ĐỔI MỰC NƯỚC....... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. a) SỰ GIA TĂNG MỰC NƯỚC BIỂN VÀ TƯƠNG TÁC CỦA BÃI BIỂNError! Bookmark not defined. B) QUY TẮC BRUUN ............................................................................ Error! Bookmark not defined. C) PHƯƠNG PHÁP EDELMAN ........................................................... Error! Bookmark not defined. BIẾN ĐỔI HÌNH DẠNG MẶT CẮT NGANG THEO MÙA .............ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. BIẾN ĐỔI HÌNH DẠNG MẶT CẮT CÂN BẰNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA BÃO ..............................159 BIẾN ĐỔI HÌNH DẠNG MẶT CẮT DƯỚI TÁC DỤNG CỦA THỦY TRIỀU ....................................161 CHƯƠNG 6 – MÔ HÌNH HÓA BÃI BIỂN VÀ ĐƯỜNG BỜ 6.1 GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................................................164 6.2 MÔ HÌNH HÓA BỜ BIỂN BẰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ .................................................................166 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ MÔ HÌNH VẬT LÝ ............................................................................166 BỂ TẠO SÓNG VÀ MÁNG TẠO SÓNG ..............................................................................................168 MÔ HÌNH LÒNG CỨNG .......................................................................................................................169 6.3 MÔ HÌNH HÓA ĐƯỜNG BỜ BẰNG PHƯƠNG PHÁP GIẢI TÍCH ...........................................171 MÔ HÌNH HÌNH THÁI ĐƯỜNG BỜ DẠNG ĐƯỜNG ĐƠN ...............................................................172 iv
PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC ............................................................................................................173 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG .................................................................................................174 GIẢI HỆ PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC VÀ PHƯỜNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG ............................176 ÁP DỤNG MÔ PHỎNG HIỆN TƯỢNG BỒI LẮNG Ở TRƯỚC ĐẬP PHÁ SÓNG ..........................176 ĐÁNH GIÁ CÁC HẠN CHẾ CỦA LÝ THUYẾT ĐƯỜNG ĐƠN........................................................181 6.4 MÔ HÌNH TOÁN DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ....................................................................................183 6.5 ĐO ĐẠC MẶT CẮT NGANG BÃI BIỂN .........................................................................................189 A. KHẢO SÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THỐNG .................................................................189 B. KHẢO SÁT BẰNG PHƯƠNG PHÁP HIỆN ĐẠI .............................................................................191 B-1 CRAB...........................................................................................................................................191 B-2 SEA SLED ...................................................................................................................................192 B-3 THIẾT BỊ ĐO SÂU THEO NGUYÊN LÝ ÁP LỰC THỦY TĨNH.................................................192 TÓM TẮT ...........................................................................................................................................193 CHƯƠNG 7 – SỰ BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG BỜ VÀ CÁC GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH ĐƯỜNG BỜ 7.1 GIỚI THIỆU........................................................................................................................................194 7.2 NGUYÊN NHÂN GÂY XÓI LỞ ĐƯỜNG BỜ .................................................................................195 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ XÓI LỞ BỜ BIỂN .......................................................................................195 SỰ SUY GIẢM NGUỒN BÙN CÁT TỪ SÔNG ĐỔ RA BIỂN.............................................................197 SỰ SUY GIẢM NGUỒN CUNG CẤP BÙN CÁT TỪ CÁC ĐỤN CÁT GẦN BỜ ................................199 DO KHAI THÁC TRẦM TÍCH VÀ KHOÁNG SẢN Ở BỜ BIỂN ....ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. SỰ GIA TĂNG NĂNG LƯỢNG SÓNG DO THỀM BÃI BỊ HẠ THẤPERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. DO GIÁN ĐOẠN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT DỌC BỜ ...................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. DO SỰ THAY ĐỔI CỦA GÓC SÓNG TỚI SO VỚI ĐƯỜNG BỜ ....ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. SỰ GIA TĂNG GÓC SÓNG TÁC DỤNG TỚI ĐƯỜNG BỜ ............ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. DO SỰ GIA TĂNG LƯỢNG BÙN CÁT BỊ TỔN THẤT TRÊN BÃI CAO....... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. DO SỰ GIA TĂNG BÃO BIỂN .........................................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. SỰ GIA TĂNG XÓI LỞ DO CÁC SÓNG PHẢN XẠ ........................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. SỰ SUY GIẢM ĐỘ LỚN THỦY TRIỀU...........................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. 7.3 BẢO VỆ BỜ BIỂN ................................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. KHÔNG LÀM GÌ – DI DỜI VÀ DỊCH CHUYỂN TỚI NƠI AN TOÀNERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. GIẢI PHÁP BẢO VỆ "MỀM"............................................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. CÁC CÔNG TRÌNH ỔN ĐỊNH BỜ – GIẢI PHÁP “CỨNG”.............ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. ĐẬP MỎ HÀN ....................................................................................... Error! Bookmark not defined. KÈ BẢO VỆ BỜ ..................................................................................... Error! Bookmark not defined. TƯỜNG BIỂN........................................................................................ Error! Bookmark not defined. XÓI LỞ SAU KHI XÂY DỰNG TƯỜNG BIỂN...................................... Error! Bookmark not defined. ĐẬP PHÁ SÓNG NGOÀI KHƠI............................................................ Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO v
CH ƯƠ NG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG CỦA MÔN HỌC Môn học “Hình thái bờ biển" được thiết kế nhằm cung cấp các kiến thức cơ bản phục vụ phân tích, tính toán diễn biến hình thái trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển. Các nội dung chính của giáo trình bao gồm các kiến thức cơ bản có liên quan tới hình thái bờ biển và diễn biến bờ biển như các kiến thức về đặc trưng sóng, dòng chảy, mực nước; các kiến thức cơ bản về vận chuyển bùn cát, cơ chế vận chuyển bùn cát tại bờ biển; dòng ven bờ và vận chuyển bùn cát ven bờ, vận chuyển bùn cát ngang bờ và diễn biến bờ biển, mô hình hóa bờ biển và tính toán diễn biến đường bờ; các giải pháp bảo vệ bờ biển chống sạt lở. Mục tiêu của môn học là trang bị cho sinh viên những hiểu biết cơ bản nhất về mặt bản chất vật lý các quá trình diễn biến bờ biển, và cách vận dụng các nguyên tắc kỹ thuật để giải quyết các vấn đề có liên quan tới kỹ thuật bờ biển như xói lở bờ biển, ngập lụt bờ biển, bồi lắng cảng biển, vv. Giáo trình này có thể dùng là tài liệu tham khảo cho các kỹ sư ở một số ngành xây dựng công trình hoặc các lĩnh vực nghiên cứu có liên quan tới kỹ thuật bờ biển. Nội dung của giáo trình bao gồm việc giới thiệu các hiểu biết chung về các quá trình xảy ra ở dải ven bờ, cách tính toán vận chuyển bùn cát, tính toán diễn biến bờ biển và đưa ra các biện pháp kỹ thuật nhằm giải quyết hoặc hạn chế những bất lợi do diễn biến bờ biển gây ra. Sau khi hoàn thành môn học, các kiến thức sinh viên thu nhận được sẽ được chia thành 2 mức độ: ở mức độ thứ nhất: sinh viên phải nhận biết và giải thích được các diễn biến bờ biển theo quan điểm hình thái bờ biển. Ở mức độ thứ 2: sinh viên biết vận dụng các công cụ và kiến thức được học như các công thức, các lý giải về mặt chuyên môn, các chương trình tính toán máy tính để giải thích và tính toán các cơ chế diễn biến bất lợi của bờ biển và sinh viên có thể đề xuất các phương án thích hợp để giải quyết các vấn đề này. Giáo trình bao gồm 7 chương sẽ lần lượt đề cập tới những nội dung cơ bản về hình thái bờ biển như đã nêu ở trên. Chương 1 giới thiệu môn học và các khái niệm, thuật ngữ liên quan tới môn học hình thái bờ biển. Chương 2 sẽ đề cập tới các điều kiện biên quan trọng trong tính toán diễn biến bờ biển, đó là sóng, mực nước và dòng chảy. Do các kiến thức về sóng, mực nước và dòng chảy đã được giới thiệu ở các môn học trước, nên chương 2 chỉ giới thiệu lại những khái niệm cơ bản nhất về sóng, mực nước và dòng chảy có liên quan tới diễn biến bờ biển. 1
Chương 3 sẽ đề cập tới các vấn đề động lực hình thái ở bờ biển. Cụ thể là các hiện tượng sóng đổ và sự hình thành các dòng chảy ở vùng ven bờ. Chương 4 trình bày các kiến thức cơ bản về vận chuyển bùn cát bờ biển, đặc biệt nhấn mạnh tới các cơ sở lý thuyết cơ bản sẽ được ứng dụng trực tiếp trong tính toán vận chuyển bùn cát ven bờ. Các quá trình diễn biến bờ biển, mặt cắt ngang bãi biển ở trạng thái cân bằng và sự biến đổi hình dạng mặt cắt ngang bãi biển dưới tác dụng của sóng và dòng chảy sẽ được trình bày trong chương 5. Bên cạnh các phương pháp tính toán lượng vận chuyển bùn cát b ờ biển thông thường, chương 6 trong giáo trình còn giới thiệu một số công cụ tính toán hiện đại, rất cần thiết cho các kỹ sư ngành kỹ thuật bờ biển. Các công cụ này cho phép tính toán, mô phỏng và dự báo các quá trình diễn biến bờ biển. Trong chương 7, các hình thức diễn biến bờ biển bất lợi sẽ được xem xét, mô tả và lý giải. Để ứng phó với các diễn biến bất lợi này, một số giải pháp sẽ được đề cập, bao gồm các giải pháp công trình và phi công trình, sự ảnh hưởng của các công trình này tới diễn biến bờ biển cũng sẽ được xét tới trong chương 7. 1.2 CÁC THUẬT NGỮ LIÊN QUAN TỚI HÌNH THÁI BỜ BIỂN Dean (2002), khi bàn về các thuật ngữ được sử dụng trong ngành kỹ thuật bờ biển đã nhấn mạnh rằng, trong thực tế các bãi biển ở mọi nơi trên khắp thế giới đều có kết cấu và hình dạng rất giống nhau. Hình dạng mặt cắt ngang bãi biển, được định nghĩa là hình dạng của mặt cắt ngang lấy theo phương vuông góc với đường bờ, nói chung sẽ có kết cấu gồm bốn phần là: phần ở ngoài khơi, phần gần bờ, phần bãi và phần bờ biển, như hình vẽ minh họa (1-1) Như trên hình vẽ, có thể thấy đường bờ thường được định nghĩa là đường ranh giới, nơi có sự tiếp giáp giữa biển và đất liền, tương ứng với sự giao động mực nước do hiện tượng thủy triều mà ranh giới này cũng sẽ dịch chuyển sâu vào trong đất liền hoặc xa ra phía biển. Trong một thời đoạn nhất định, đường bờ là đường mép nước trung bình của thủy triều.Vị trí chính xác của đường bờ sẽ phụ thuộc trực tiếp vào trạng thái của thủy triều, điều kiện sóng tại đó và độ dốc của bãi biển. Bãi biển (hay bờ biển) là vùng được xác định nằm giữa ranh rới của mực nước triều thấp và giới hạn tác dụng của sóng về phía đất liền; thông thường, là điểm ở chân các mỏm đá hoặc đường ranh rới xuất hiện thực vật tồn tại trong thời gian dài trên bờ biển. Bãi biển được chia thành 2 phần, phần bãi trước và phần bãi sau. Bãi trước là phần bãi nằm trên ranh rới giữa mực nước cao và mực nước thấp khi sóng dồn lên bờ biển và khi sóng rút ra khỏi bờ. Bãi sau được giới hạn từ phần nước cao đến giới hạn trên cùng về phía đất liền của sóng. 2
Hình 1-1. Mặt cắt ngang đường bờ (theo Shore Protection Manual, 1984) Theo Silvester (1997), thuật ngữ bờ biển (coast), thường hay bị hiểu nhầm là bãi biển (beach), được định nghĩa là “dải đất có chiều rộng không xác định (có thể lên tới vài km) được kéo dài từ vị trí của đường bờ trên đất liền tới điểm đầu tiên có sự biến đổi lớn về đặc điểm địa hình về phía biển”. Theo định nghĩa của Silvester, một thuật ngữ thường được nhắc tới của vùng ven biển có thể bao gồm các thành phần như bờ biển, bãi biển và vùng gần bờ (là vùng có chiều rộng kéo dài từ mực nước thấp tới giới hạn “sóng vỡ”). Một đường bờ biển có thể được hiểu theo 2 cách khác nhau. Về mặt kỹ thuật mà nói thì đường bờ biển là đường hình thành ranh giới bờ biển và bãi biển, nhưng nó cũng thường được coi như là đường hình thành ranh giới giữa đất và nước. Theo Bird (1984) thì tổng chiều dài đường bờ biển trên thế giới ước tính vào khoảng 500,000 km, trong đó chỉ có 20% là bờ biển có cấu tạo cát. Mặt cắt ngang bờ biển được tạo nên từ cát được đẽo gọt lại khi sóng chuyển động từ vùng nước sâu vào bờ; khi vào tới vùng nước nông, sóng sẽ bị vỡ khi nó gặp các dải cát ngầm. Bãi trước (foreshore), hay còn gọi là vùng sóng vỗ, là vùng mà mặt cắt bãi thường xuyên ở trạng thái khô, ướt một cách luân phiên nhau khi sóng xô vào phần mái dốc trên bãi. Phần bãi biển khô ráo, không bị ngập nước có thể có một hoặc nhiều “thềm” bãi, các thềm bãi là những phần bãi nằm ngang có độ dốc rất nhỏ; nối tiếp với các thềm bãi là các “vách đứng”, là phần bãi bị cắt gần như thẳng đứng do tác dụng của sóng vào thời điểm mực nước dâng cao (có thể do xảy ra khi xuất hiện bão). Tiếp theo phần vách đứng về phía trong đất liền có thể có các cồn cát, đụn cát được hình 3
thành khi gió dịch chuyển cát từ bãi vào phía bên trong (quá trình tạo nên các cồn cát thường kết hợp với sự xuất hiện của thực vật có mặt trên bờ biển như cỏ, chúng có tác dụng bẫy và chặn cát thổi từ biển vào đất liền). Có nơi các đụn cát, cồn cát được thay thế bằng các vách đá hoặc các dốc cát dựng đứng (đặc biệt là phần bờ biển bị xói lở ở phần phía trên) Trên mặt bằng (trên ảnh chụp máy bay phần bờ biển), đường bờ có thể có một số nét đặc trưng đáng quan tâm. Tại hình (1-2.A), bờ biển được án ngữ bởi một đảo chắn với các lạch triều cắt ngang qua đảo từ nhiều phía. Hình thế bờ biển này này xuất hiện ở rất nhiều nơi trên thế giới. Các lạch triều là nơi trao đổi dòng chảy từ biển vào hệ thống đầm, phá phía bên trong các đảo chắn và ngược lại. Thông thường, quá trình lắng đọng bùn cát sẽ kéo theo hiện tượng đóng các lạch triều có thể thấy xuất hiện ở nhiều nơi. Hình 1-2. Hình dạng mặt bằng đường bờ biển dạng đảo chắn Một đảo chắn tại cửa vịnh có thể xuất hiện khi các dải cát ngầm hình thành phát triển từ một mũi đất (head land) như hình (1-2.B). 1.3 KỸ THUẬ BỜ BIỂN, HÌNH THÁI BỜ BIỂN VÀ QUÁ TRÌNH DIỄN BIẾN BỜ BIỂN Theo Velden (2001), nói chung thuật ngữ “kỹ thuật bờ biển” có liên quan tới tất cả các vấn đề kỹ thuật diễn ra ở vùng bờ biển. Do kỹ thuật bờ biển bao hàm các vấn 4
đề quá rộng, nên nó được chia thành 3 lĩnh vực chính tương ứng với 3 vấn đề lớn về mặt kỹ thuật có trong thực tế. Ba lĩnh vực chủ yếu đó là: Cảng biển, Hình thái và Nghiên cứu ở vùng ngoài khơi. Sẽ là chủ quan nếu nói rằng Hình thái là lĩnh vực quan trọng nhất, nhưng các nghiên cứu trong hai lĩnh vực còn lại là Cảng biển và Vùng ngoài khơi đều có liên quan chặt chẽ tới nghiên cứu Hình thái. Các cảng biển có thể bị ảnh hưởng của hiện tượng bồi lắng trong cảng hay luồng tàu vào ra cảnh, trong khi các công trình ngoài khơi như các đường ống dẫn dầu, hoặc đường cáp ngầm qua biển có thể bị ảnh hưởng của hiện tượng xói lở. Giáo trình sẽ chỉ đề cập tới các khái niệm có liên quan tới Hình thái bờ biển. Hình thái bờ biển được hiểu là các hình dạng vật lý và cấu trúc của bờ biển. Hay nói cách khác: hình thái bờ biển là khoa học nghiên cứu về sự tương tác giữa các yếu tố động lực như sóng, dòng chảy, vv tới bờ biển mà các tương tác này có thể gây nên sự dịch chuyển của bùn cát ở vùng ven bờ và dẫn tới sự biến đổi hình dạng của bờ biển. Bờ biển trong tự nhiên có thể chia làm 3 loại chính căn cứ theo cấu tạo của các vật liệu thành tạo và có mặt trên bờ biển, đó là bờ biển có cấu tạo đá, bờ biển cát và bờ biển bùn. Bờ biển có cấu tạo đá hầu như có cố định (hoặc có đáy và đường bờ không thay đổi) trong khoảng thời gian tương đối dài. Do những biến đổi tại bờ biển có cấu tạo đá chỉ xảy ra sau một thời gian rất dài (có khi hàng vài trăm năm) nên nó thường đ ược xem xét trong lĩnh vực địa chất học hơn là trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển. Bờ biển cát hay bãi biển cát, ngược lại, rất dễ bị biến dạng, dưới tác dụng của sóng và dòng chảy. Vị trí đường bờ biển của một bãi biển cát thường xuyên dịch chuyển, hoặc tiến ra phía biển hoặc lùi vào trong đất liền, và là đối tượng tác động của của sóng, dòng chảy ... Hầu hết các bờ biển trên thế giới đều có cấu tạo là cát, chỉ có một số ít là có cấu tạo đá và bờ biển bùn. Bờ biển bùn có cấu tạo là các hạt sét, bùn, cát mịn và là các vật chất có tính dính kết, hoàn toàn khác về mặt bản chất vật lý và hóa học với các hạt vật chất không kết dính như cát, cuội, sỏi. Các quá trình của các hạt vật chất có tính kết dính này bị chi phối mạnh bởi các tương tác vật lý và hóa học giữa các hạt đơn lẻ và một nhóm hạt bùn cát (ví dụ như quá trình keo kết, ngưng tụ, lắng đọng), cũng sẽ không được đề cập tới trong giáo trình này Để có thể tính toán và dự báo được diễn biến hình thái bờ biển thì trước tiên phải hiểu và nắm bắt được các quy luật chuyển động của nước, các tác động của các yếu tố tự nhiên lên bờ biển. Do vậy, trước khi tiếp cận với môn học hình thái bờ biển, người học cần có các các kiến thức cơ bản về cơ học chất lỏng, thủy lực, sóng gió, thủy triều, địa lý ..vv. Cho tới nay, ảnh hưởng của sóng do gió và các dòng chảy lên bãi biển vẫn còn chưa được hiểu rõ một cách hoàn toàn. Vận chuyển bùn cát ở vùng ven bờ là một nội dung 5
quan trọng trong nghiên cứu của hình thái bờ biển. Các kết quả nghiên cứu này đã và đang được sử dụng nhằm nâng cao độ chính xác cùng như tính thực tiễn của các mô hình toán dùng để mô phỏng hình thái bờ biển, trong đó có mô phỏng, dự báo biễn biến đường bờ. Khi không phải tất cả các biến đổi của bờ biển trong tự nhiên đều đúng theo mong muốn của con người thì các công trình bảo vệ bờ biển là giải pháp cần thiết để ứng phó với những biến đổi bất lợi trên. Các công trình bảo vệ bờ thường được sử dụng để làm chậm các tác động bất lợi do các quá trình tự nhiên xảy ra ở bờ biển, đôi khi là vô hiệu hóa các ảnh hưởng của các diễn biến này. Ví dụ việc xây dựng các đập mỏ hàn vuông góc với bờ, hay các đập phá sóng ngoài khơi để làm chậm quá trình xói lở bờ biển. Xây dựng đê biển và hệ thống kè, hay tường biển bảo về mái đê phía ngoài biển cũng là một giải pháp thường được sử dụng để chống lại tác động của nước dâng, sóng, và triều cường đối với những vùng trũng phía trong đất liền. Ngày nay, bên cạnh các giải pháp công trình, ở các nước phát triển người ta bắt đầu hướng tới những giải pháp mang tính "phi công trình", thân thiện với môi trường và đáp ứng được yêu cầu phát triển bền vững, hài hòa với thiên nhiên. QUÁ TRÌNH DIỄN BIẾN BỜ BIỂN Một trong những nội dung quan trọng trong hình thái bờ biển là nghiên cứu các quá trình diễn biến bờ biển. Vậy quá trình diễn biến bờ biển là gì ? Nó được hiểu là các quá trình tự nhiên có tác động tới sự biến đổi hình dạng đường bờ và vùng ven bờ và được xem xét, nghiên cứu ở nhiều phạm vi không gian và thời gian khác nhau tùy thuộc vào tính chất và mức độ phát triển của các quá trình này. Ví dụ như quá trình xói lở bãi biển, tại chân các đụn cát do bão thường được xem xét trong thời gian xảy ra bão (có thể vài giờ, hoặc 1 ngày), nhưng quá trình tự khôi phục lại bãi biển sau đó có thể xảy ra trong một vài tháng hoặc trong mùa kế tiếp. Bờ biển luôn biến đổi một cách liên tục dưới tác dụng của sóng và dòng chảy tại nhiều phạm vi không gian và bước thời gian khác nhau. Ví dụ như khi bờ biển chịu tác động của một con sóng đơn làm bùn cát ở ven bờ nổi lơ lửng trong nước và dòng chảy do sóng sinh ra sẽ vận chuyển bùn cát bị nổi lơ lửng này về phía hạ lưu của dòng chảy dọc bờ. Quá trình tác động của sóng đơn này chỉ diễn ra trong vòng vài giây và có phạm vi tác động trong dải sóng vỡ mà thôi. Nhưng khi quá trình này diễn ra liên tục trong nhiều ngày hoặc nhiều năm, nó có thể gây ra hiện tượng xói lở bờ biển kéo dài trên một vùng rộng vài trăm mét đến hàng chục kilômét. Hiện tượng xói lở hoặc bồi tụ liên tục trong thời gian nhiều tháng, nhiều năm sẽ dẫn tới đường bờ bị suy thoái (hoặc phát triển) vào trong đất liền. 6
Lại có những quá trình diễn biến bờ biển đòi hỏi phái được xem xét trên một phạm vi rộng đến hàng trăm kilômét và trong khoảng thời gian hàng trăm năm, ví dụ như những quá trình thành tạo và phát triển của các đồng bằng châu thổ sông Hồng hay đồng bằng sông Cửu Long, hay quá trình phát triển, suy thoái và thay thế của các cửa sông trên một hệ thống các cửa sông đổ ra biển. Những hiểu biết về các diễn biến bờ biển trong quá khứ với thời đoạn dài (khoảng vài trăm năm đến hàng nghìn năm) là rất quan trọng vì nó sẽ cho biết được những thông tin cần thiết để diễn giải được các nhân tố chính đã từng có tác động đến hình dạng của đường bờ biển trong quá khứ; thông qua các suy đoán trên cơ sở các luận cứ đã có. Có thể các nhân tố tác động này vẫn đang tiếp tục diễn ra trong hiện tại tuy với mức độ nhỏ hơn so với quá khứ. Theo Dean (2002), trong vòng 50 năm trở lại đây, kỹ thuật bờ biển đã trở thành một ngành khoa học hoàn chỉnh với các nghiên cứu chuyên sâu với mục tiêu là nắm bắt được các quy luật của quá trình diễn biến bờ biển và phát triển các chiến lược ứng phó có hiệu quả đối với hiện tượng xói lở bờ biển. Với các tiếp cận nghiên cứu ngày càng tinh vi, sâu sắc về quá trình diễn biến bờ biển, các kỹ sư kỹ thuật bờ biển có thể thiết kế một cách hiệu quả các công trình bảo vệ bờ. Với áp lực của sự gia tăng dân số toàn cầu, nhất là ở khu vực ven biển; và mối đe dọa về sự gia tăng mực nước biển, sự gia tăng số lượng và mức độ tàn phá của bão biển, thì nhu cầu về kỹ thuật bờ biển và các nghiên cứu chuyên sâu về diễn biến bờ biển chắc chắn sẽ ngày càng tăng. Cho tới nay, những hiểu biết tốt nhất về quá trình diễn biến bờ biển (trong đó bao gồm cả những hiểu biết về dòng chảy ven bờ, sóng và tương tác giữa sóng với bờ biển)bao gồm: năng lực phân tích, tổng hợp các quá trình diễn ra trong tự nhiên/ năng lực diễn giải, giải thích các hiện tượng phức tạp; đôi khi là sự mâu thuẫn giữa các căn cứ, bằng chứng/ các kinh nghiệm đạt được từ các nghiên cứu trên một loạt các bờ biển và từ các công việc thực hiện tại các dự án có liên quan tới kỹ thuật bờ biển. Tuy vậy, việc mô tả toán học các hiện tượng tự nhiên diễn ra ở bờ biển, nhất là mô tả các chuyển động phức tạp của dòng chảy và bùn cát ở bờ biển vẫn còn hạn chế, đây cũng là nguyên nhân làm hạn chế khả năng mô phỏng và dự báo các diễn biến ở bờ biển trong thời đoạn dài bằng các mô hình toán học. Nhiều nghiên cứu về các hiện tượng, quá trình diễn biến ở bờ biển đang tiếp tục được thực hiện thông qua việc so sánh các kết quả tính toán với các đo đạc thực tế tại bờ biển và các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên những nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này, nhất là về động lực ở bờ biển trong điều kiện tự nhiên là một trong những nghiên cứu thú vị và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và cả các sinh viên theo học ngành kỹ thuật bờ biển. Nói chung, các bài toán nghiên cứu bờ biển có thể chia thành 2 loại: thứ nhất là các bài toán vĩ mô, sử dụng các định luật bảo toàn hoặc tìm ra các luận cứ để đi đến các giải 7
pháp hợp lý; và thứ hai là các bài toán vi mô, loại này thường bao gồm các nghiên cứu chi tiết bản chất vật lý của các hiện tượng diễn ra ở bờ biển. Ngày nay, các tiếp cận theo hướng các bài toán vĩ mô thường hữu ích hơn cho các kỹ sư ngành kỹ thuật bờ biển; còn đối với các nghiên cứu chi tiết về bản chất vật lý của các quá trình diễn biến bờ biển thì vẫn còn là vấn đề hóc búa, hy vọng trong tương lai, những thành tựu nghiên cứu theo hướng tiếp cận vi mô sẽ thay thế hoặc kết hợp với các tiếp cận theo hướng vĩ mô. 1.4 LỊCH SỬ VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH KỸ THUẬT BỜ BIỂN Kỹ thuật bờ biển là một ngành khoa học trẻ, mới chỉ hình thành và phát triển trong năm 50 của thế kỷ 20. Trong lịch sử, việc xây dựng các công trình ven biển đều có liên quan tới các kỹ sư dân sự và các kỹ sư phục vụ trong quân đội. Tại Mỹ, hầu hết các nghiên cứu về biển và xây dựng các công trình ven biển đều do các kỹ sư thuộc Tổ hợp kỹ thuật quân sự của quân đội Mỹ thực hiện. Thuật ngữ “ kỹ sư bờ biển” được nhắc tới và được sử dụng phổ biến vào những năm 1950, với Hội thảo đầu tiên về kỹ thuật bờ biển tại Long Beach, California. Trong lời nói đầu của tuyển tập các nghiên cứu khoa học tại Hội thảo này, M.P. O'Brien đã viết, “ Nó (ngành kỹ thuật bờ biển), không phải là một ngành mới hay là một ngành riêng biệt của kỹ thuật mà trước hết Kỹ thuật bờ biển là một ngành nằm trong Kỹ thuật Dân dụng, ngành này chủ yếu thiên về hải dương học, cơ học chất lỏng, điện tử, kết cấu công trình và các ngành khác”. Bên cạnh đó còn phải kể tới địa chất, địa mạo, phân tích thống kê, hóa học và khoa học vật liệu. Khái niệm này cho tới nay, về cơ bản vẫn đúng. Tuy vậy, kỹ thuật bờ biển đã có những phát triển vượt bậc trong vài thập kỷ gần đây. Từ lần hội thảo đầu tiên với tuyển tập hội thảo có 35 bài báo khoa học; cho tới nay, tại hội thảo lần thứ 30 (tổ chức năm 2006 tại San Diego, Mỹ) đã có hơn một ngàn bài báo, báo cáo tham dự hội thảo. Ngoài ra, mỗi năm hai lần, các Hội thảo Quốc tế về kỹ thuật bờ biển cho một số chuyên ngành như cảng, nạo vét, bùn cát bờ biển, dải ven bờ và công trình biển, đo đạc và phân tích sóng và kỹ thuật bờ biển và xây dựng cảng tại các nước đang phát triển cũng đã được tổ chức. Các lĩnh vực có liên quan tới kỹ sư ngành KTBB được mô tả trong danh sách dưới đây Các nghiên cứu triển khai (thông qua đo đạc thực tế và khôi phục từ số liệu lịch sử) có liên quan tới sóng ở vùng nước nông, dòng chảy và các điều kiện mực nước. Thiết kế các dạng công trình biển ổn định, bền vững, hiệu quả và kinh tế bao gồm: các đập phá sóng, đê chắn sóng, đập mỏ hàn, kè biển, tường biển, cầu tàu, các kết cầu ngoài khơi và các đường ống dưới biển. 8
Khống chế hiện tượng sạt lở bờ biển bằng các công trình bảo vệ bờ biển hoặc bằng các giải pháp "mềm" mang tính "phi công trình" và thân thiện với môi trường như nuôi bãi nhân tạo, trồng cây chắn sóng ven biển, ... Ổn định các cửa sông, lạch triều, luồng tàu, phục vụ giao thông thủy và thoát lũ thông qua việc nạo vét, xây dựng các công trình hoặc bằng các cơ chế chuyển cát nhân tạo Dự báo sự biến đổi của dòng chảy, mực nước ở các lạch triều, cửa sông và đánh giá ảnh hưởng của chúng tới sự ổn định của luồng lạch cũng như chất lượng nước. Nghiên cứu phát triển các công trình bảo vệ vùng ven biển có nguy cơ bị ngập lụt do hiện tượng nước dâng hoặc sóng thần Thiết kế cảng và bến neo đậu tàu thuyền và các công trình phụ trợ bao gồm: bến cảng, tường neo, trụ neo, cầu cảng và hệ thống neo tàu vv Thiết kế các công trình bảo vệ đảo ngoài khơi Giám sát các dự án khác nhau về bờ biển thông qua các quan trắc đa dạng tại hiện trường XU THẾ PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và máy tính điện tử mà ngành Kỹ thuật bờ biển cũng có sự bùng nổ về loại và sự tinh vi của các mô hình toán trong phân tích các hiện tượng có liên quan tới bờ biển. Trong hầu hết các lĩnh vực của kỹ thuật bờ biển, nhưng không phải là tất cả, các mô hình toán đã bổ sung và thay thế dần cho các mô hình vật lý. Trong một số lĩnh vực nghiên cứu như tính toán dự báo nước dâng do bão, thì chỉ có mô hình toán mới là công cụ thích hợp và hiệu quả. Mặt khác, một số bài toán như tính toán sóng leo và sóng tràn qua đỉnh các công trình bờ biển hay tính toán ổn định của các viên đá bảo vệ chịu tác dụng của sóng chỉ có thể thực hiện được tốt nhất trong phòng thí nghiệm. Robert (1997) khi bàn về phương hướng quan trọng của ngành kỹ thuật bờ biển trong thực tiễn đã nhấn mạnh rằng, đang có xu hướng xây dựng các công trình bảo vệ bờ dạng “mềm” và ít gây cản trở dòng chảy. Ví dụ như việc xây dựng các công trình đập phá sóng ngoài khơi bảo vệ bờ thường có cao trình đỉnh ở ngay dưới mực nước biển trung bình, tại cao trình này các đập vẫn có tác dụng khống chế các sóng, và ít gây ảnh hưởng bất lợi tới cảnh quan. Các thiết bị đo đạc, quan trắc ngoài thực địa ngày càng nhiều về số lượng và nâng cao về mặt tính năng của thiết bị. Ví dụ như cách đây 20 năm, các thiết bị đo sóng thường chỉ đo đạc các dao động ở trên mặt nước tại 1 điểm (do vậy mà không thể đo được các thành phần của sóng theo các hướng khác của phổ sóng). Ngày nay, các thiết 9
bị đo sóng có thể đo đạc phổ sóng theo nhiều hướng đồng thời đang được sử dụng một cách phổ biến trong các nghiên cứu ngoài thực địa. Tính tăng của máy tạo sóng trong phòng thí nghiệm đã được cải thiện một cách đáng kể. Trước những năm 60, mới chỉ có thể tạo được các sóng đơn và đều có chu kỳ và chiều cao sóng không đổi bằng máy tạo sóng. Trong những năm 70, các máy tạo phổ sóng một chiều đã trở nên thông dụng. Đến nay, các máy tạo sóng đa phổ định hướng đã có mặt ở nhiều phòng thí nghiệm. 1.5 MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VÙNG VEN BIỂN Như đã được định nghĩa ở trên, đường bờ được xem như là ranh giới giữa đất liền với đại dương, biển hay hồ. Vùng ven biển là phần diện tích của đất và nước bao bọc lấy đường bờ và kéo dài về cả hai phía đất liền và biển. Về phía đất liền vùng ven biển được kéo dài tới một giới hạn thích hợp, còn về phía biển thì nó kéo dài tới vùng thường xuyên diễn ra các quá trình động lực quan trọng đối với vùng bờ. Phân loại bờ biển Các tác động tới bờ biển là rất khác nhau, phụ thuộc vào phạm vi của tác động theo không gian và thời gian; các thành tạo địa chất; loại bùn cát; các yếu tố động lực xuất hiện ở vùng ven biển cũng như các tác động của con người trong khu vực này. Bùn cát của bãi biển có đường kính hạt biến đổi trên một dải rộng, từ các hạt bùn mịn tới cát thô, dăm, cuội sỏi và đá tảng. Dựa vào thành phần, đặc tính của các vật chất có mặt trên bãi biển mà người ta có thể phân bờ biển thành các loại sau: bờ biển bùn, bờ biển cát, bờ biển cuội, sỏi và bờ biển có cấu tạo đá và các mũi đá. Trên cơ sở các đặc tính đặc trưng (về mặt hình thái học và hiện tượng diễn biến ở bờ biển) mà người ta có thể phân loại bờ biển theo một cách khác; bao gồm: bờ biển có cấu tạo là các đảo chắn, bờ biển châu thổ, bờ biển cồn cát; bờ biển cấu tạo vách đá, bờ biển san hô, bờ biển rừng ngập mặn và bờ biển đầm lầy, cỏ biển, vv Dựa trên lưu lượng dòng chảy (bao gồm lưu lượng dòng chảy và lưu lượng bùn cát) từ sông ra biển, đặc trưng sóng theo mùa (biểu thị thông qua độ cao sóng trung bình ở vùng nước nông - ký hiệu H) và độ lớn tương đối của thủy triều (biên độ triều - ký hiệu là TR), một cách phân loại bờ biển khác được đề cập tới như sau: bờ biển có quá trình dòng chảy sông giữ vai trò thống trị và bờ biển mà năng lượng sóng giữ vai trò thống trị có tương quan (TR/H = 0,5-1), bờ biển mà năng lượng thủy triều giữ vai trò thống trị (TR/H >3) và bờ biển hỗn hợp (TR/H =1 đến 3) Khi tác dụng của sóng và dòng chảy tương đối nhỏ và dòng sông mang một lượng bồi tích lớn chảy ra biển, thì có thể dẫn đến sự hình thành một tam giác châu kéo dài ra phía biển, theo xu thế phát triển của đường bờ. Tại một số nơi, đường bờ bị chia cắt tạo thành các cửa sông hoặc lạch triều ăn thông với vịnh ở phía trong đất liền. 10
Các cửa sông hoặc lạch triều thường được duy trì nhờ có tác dụng của dòng chảy từ sông hoặc do tác dụng của dòng triều. Ngoài ra còn có một số bờ biển có vách đá dốc mà phần bãi phía trước nó là các bãi biển nhỏ hoặc không còn bãi biển dưới chân vách đá nữa. Do các bờ biển cát thường chiếm đa số và quá trình động lực ở loại bờ biển này thường rất mạnh và với nhiều đặc điểm lý thú nên loại đường bờ này thường nhận được sự quan tâm lớn của các nhà nghiên cứu. Khi thiết kế và xây dựng các công trình ven biển, cần phải lường trước các ảnh hưởng của công trình gây ra đối với chế độ dòng chảy, động lực sóng và biến đổi bờ biển tại vị trí xây dựng công trình và khu vực lân cận đó. Điều này trở nên cần thiết hơn nếu yêu cầu đặt ra khi xây dựng công trình là ổn định và không gây những tác động không mong muốn. Các hậu quả không mong muốn khi xây dựng các công trình dọc bờ biển có thể là hiện tượng bồi lấp hoặc xói lở bờ biển ở lân cận khu vực xây dựng công trình do quá trình vận chuyển bùn cát theo hướng dọc bờ hay theo hướng vuông góc với đường bờ bị gián đoạn bởi công trình đã xây dựng. Ở vùng ven biển, sóng thường là yếu tố động lực mạnh và có ảnh hưởng lớn tới đường bờ. Đáng kể và dễ nhận thấy nhất là các tác động do các sóng hình thành từ gió. Một loại sóng khác cũng có tầm quan trọng không kém là các sóng có nguồn gốc từ hiện tượng thủy triều, đó là các sóng dài hình thành do tác dụng của lực hấp dẫn vũ trụ từ mặt trăng và mặt trời đối với trái đất, hay còn gọi là sóng triều. Bên cạnh sóng gió và sóng triều là các sóng khác có tần suất xuất hiện nhỏ hơn rất nhiều so với sóng triều hay sóng gió. Xét về tổng thể, thì các sóng này có tầm quan trọng nhỏ vì tần suất xuất hiện rất thấp, nhưng nó lại có những ảnh hưởng rất lớn tới những nơi mà nó tác động, đó các sóng hình thành do hiện tượng địa chấn dưới lòng đại dương hay còn gọi là sóng thần (tsunamis). Một loại sóng khác cũng thường đường đề cập tới trong các nghiên cứu ở khu vực cửa sông, ven biển là sóng do tầu thuyền khi chuyển động tạo ra. Sóng do gió gây nên những tác dụng đáng kể nhất đối với sự biến đổi của bãi biển. Mặt cắt ngang của bãi biển có hướng vuông góc với đường bờ thường biến đổi hình dạng khi cát bị mang ra ngoài khơi và quay trở lại phía bờ trong một khoảng thời gian. Ở nhiều nơi, một lượng lớn cát cũng bị vận chuyển dọc theo bờ biển dưới tác dụng của sóng khi nó tác dụng theo hướng xiên góc với đường bờ. Các tác động của dòng chảy thường chi phối các diễn biến tại cửa vào của các vịnh và các cửa sông, nơi dòng chảy có vận tốc lớn hình thành. Đối với các khoa học và các kỹ sư đang nghiên cứu hoặc làm các công việc có liên quan tới biển thì những hiểu biết về có chế hình thành của sóng và có khả năng dự báo các đặc trưng của sóng hình thành từ gió là điều không thể thiếu. 11
Nói chung, sóng được hình thành ở vùng nước sâu, và sau đó được truyền ra khắp đại dương, thậm chí là từ biển này tới biển khác, và khi đi tới gần bờ do ảnh hưởng của địa hình đáy, sóng bị biến dạng làm thay đổi chiều cao sóng và hướng sóng. Các sóng này thường được gọi là sóng lừng, hay sóng cồn (swell waves). Trong quá trình lan truyền trên biển, chỉ có một phần nhỏ năng lượng của sóng bị tiêu hao. Sự tiêu hao năng lượng này chỉ làm giảm chiều cao sóng chứ không làm thay đổi chu kỳ của sóng. Các sóng lừng, được xem như có tác dụng phân phối lại năng lượng gió (nguồn năng lượng này là rất lớn) một cách hiệu quả nhất tới mọi bờ biển trên thế giới. Các sóng này (hoặc là có nguồn gốc từ bão hoặc là do biển động) trước khi tới được bờ biển sẽ phải di chuyển qua thềm lục địa. Sự biến đổi các đặc tính của sóng khi nó di chuyển qua vùng thềm lục địa và vùng nước nông lân cận gần bờ, cần phải được hiểu rõ. Cuối cùng, khi đi vào gần bờ, do ảnh hưởng của ma sát đáy, sóng bị vỡ và gây nên sự biến đổi năng lượng rất phức tạp trong vùng bờ nơi nó vỡ và đối với các công trình được xây dựng trong khu vực này. Bởi vậy, khi nghiên cứu về các quá trình diễn biến bờ biển và vận chuyển bùn cát tại một đoạn bờ biển cụ thể nào đó thì các thông tin về loại sóng, thời gian xuất hiện của nó trong các tháng, các mùa và trong cả năm cần phải được xác định một cách cụ thể. Những thông tin này được gọi là đặc trưng sóng theo mùa (wave climate). Khi xét tới tác động của một sóng đơn lên bãi biển, người ta thường xác định mức độ tác động lớn hay nhỏ căn cứ vào 3 thông số chính, đó là: chiều cao và chu kỳ sóng, hướng sóng tác động tới đường bờ và tần suất xuất hiện của sóng đó trong năm. Hướng sóng tác động tới đường bờ là một tham số quan trọng, không chỉ đối với tính toán thiết kế công trình, mà còn đối với cả các nghiên cứu vận chuyển bùn cát ở ven bờ. Khi tính toán thiết kế các công trình ven biển, người ta thường quan tâm tới các tài liệu thống kế về sóng, đặc biết là số liệu có liên quan tới con sóng lớn nhất đã từng xuất hiện tại khu vực xây dựng công trình. Nếu khu vực xây dựng công trình có đầy đủ các tài liệu quan trắc sóng trong quá khứ thì việc tính toán xác định các thông số sóng thiết kế theo tần suất thường không quá phức tạp. Tuy nhiên, nếu khu vực xây dựng công trình không có tài liệu quan trắc sóng, thì cần tính toán phục hồi lại số liệu sóng lớn nhất từ các số liệu về các trận bão lớn, đã xảy ra trong quá khứ. Cao trình mực nước biển cũng là một tham số quan trọng trong tính toán thiết kế công trình và tính toán diễn biến bờ biển. Thường đây là căn cứ để tính toán cao trình đỉnh của các công trình xây dựng ven biển và tính toán sóng leo trên bãi biển hoặc sóng leo trên mái công trình. Mực nước triều có thể dự báo được rất chính xác dựa vào bảng thủy triều xây dựng từ mực nước thực đo trong một, hai năm. Nước dâng do bão là hiện tượng thường hay xảy ra ở dọc bờ biển, đặc biệt là tại những vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão. Nước dâng là hiện tượng dâng cao 12
đột ngột mực nước biển dọc theo bờ biển trên một đoạn bờ biển nhất định nào đó có. Hiện tượng xảy ra khi đoạn bờ biển chịu tác động của gió bão, thổi liên tục với vận tốc lớn theo hướng nhất định từ biển vào đất liền, kết hợp với sự biến đổi khí áp cục bộ (xuất hiện khi có bão). Hiện tượng nước dâng do bão có thể gây ra những thiết hại rất lớn trên một diện rộng vì nó gây ngập lụt các vùng đất thấp ven biển và tạo điều kiện cho các sóng tác dụng vào sâu trong đất liền. Khi sóng vỡ ở gần bờ, nó có thể tạo với đường bờ một góc xiên. Do vậy thành phần của sóng theo hướng dọc bờ sẽ tạo thành dòng chảy dọc bờ, xuất hiện trong vùng sóng vỡ (surf zone). Trong vùng sóng vỡ có chuyển động rối của các chất điểm nước, kéo theo các hạt bùn cát ở đáy cũng bị khuấy động và nổi lơ lửng. Do tác dụng của dòng ven bờ các hạt bùn cát lơ lửng sẽ bị cuốn đi theo hướng dọc bờ và sự vận chuyển bùn cát này được gọi là tác dụng vận chuyển bùn cát dọc bờ. Dòng chảy dọc bờ có thể kết hợp với dòng tiêu (chảy vuông góc với bờ), tạo nên những ảnh hưởng riêng biết đối với sự phân tán bùn cát ở dải ven bờ. Bên trong đường sóng đổ (breaker line), dao động của các chất điểm nước tại đáy do sóng gây ra cũng làm cho bùn cát nổi lơ lửng trong nước. Các dao động này có giá trị lớn nhất tại đáy, và làm dịch chuyển bùn cát lơ lửng dọc bờ biển, chủ yếu trên một độ sâu tại mặt cắt ngang bờ biển Cát trên bãi biển và trên các đụn cát, cồn cát, ngoài các tác động của sóng và dòng chảy ven bờ, còn chịu tác động của gió. Cát bị gió cuốn lên phần thềm bãi của cồn cát ngoài cùng phía biển và chúng có tác dụng củng cố phần phía trước của cồn cát. Trong trường hợp sau một vài năm mà chúng không bị sóng bão làm cho xói lở thì chúng sẽ tiếp tục được phát triển trở thành cồn cát lớn hơn. Bên cạnh vấn đề xói lở bờ biển thì hiện tượng lắng đọng bùn cát tại các cửa sông, lạch triều cũng là vấn đề thường hay gặp ở vùng ven biển. Bùn cát khi chuyển động dọc theo bờ biển tới các cửa sông hay lạch triều, do có tương tác với dòng chảy từ sông đi ra hay tương tác với dòng triều xuống, sẽ tạo thành các dải ngầm ngoài cửa, đôi khi là các doi cát ngầm nâng dần lên trên mực nước biển. Vị trí và kích thước của các dải cát ngầm hay doi cát ngầm này thường xuyên thay đổi do chúng chịu tác động trực tiếp của sóng và dòng chảy dọc bờ, và gây cản trở rất lớn cho giao thông thủy. Tùy thuộc vào nguồn bùn cát được vận chuyển tới cửa sông, lạch triều là nhiều hay ít mà cửa sông sẽ bị bồi lấp hoàn toàn hay một phần, dẫn đến những chi phí nạo vét cửa hàng năm rất tốn kém. 1.6 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH BỜ BIỂN VIỆT NAM Bờ biển Viêt Nam có chiều dài hơn 3260km, là một dải bờ biển rất phức tạp. Đứng về mặt tác động của các quá trình động lực từ biển lên lục địa, từ lục địa (sông ngòi 13
v.v.) lên vùng bờ biển và sự tương tác lẫn nhau giữa chúng, thì đặc điểm của dải bờ biển là một trong những yếu tố quan trọng. Các đặc điểm này có thể kể sơ bộ như sau: - Đặc điểm của các cửa sông và của các hệ thống sông chảy ra biển. - Cao trình và cấu trúc địa chất của đường bờ biển. - Hướng và địa hình đáy của các đoạn bờ. - Hệ sinh thái dọc đường bờ và vùng ngập mặn - Hệ thống đê, kè biển v.v. Việc phân chia ranh giới các miền Bắc, Trung, Nam không đặc trưng cho sự đồng nhất về địa hình và đặc điểm của vùng bờ. Trong mỗi miền, đặc điểm địa hình vùng bờ rất phức tạp. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA HÌNH VÙNG BỜ BIỂN MIỀN BẮC Nhìn chung về địa hình ở dải bờ miền Bắc là phức tạp nhưng tương đối bằng phẳng, độ dốc nhỏ. Đó là một trong những nguyên nhân tạo điều kiện cho nước dâng bão phát triển mạnh suốt cả dải bờ này. Mặc dù toàn dải bờ này có thể chia thành hai phần khác biệt nhau: phần phía bắc là đoạn bờ khúc khuỷu, nhiều đồi núi tạo thành vách đứng và hàng ngàn đảo che chắn ; phần phía nam là đoạn bờ thuộc vùng đồng bằng có nhiều cửa sông chia cắt. Nhưng ở đây có một đặc điểm chung là toàn bộ dải bờ đều có hướng chung là đông bắc - tây nam. Địa hình đáy thoai thoải, độ dốc không lớn, có bãi triều rộng. Đó cũng là đặc điểm thuận lợi cho các hiện tượng như sóng, nước dâng v.v . phát triển. a) Đường bờ từ Quảng Ninh đến Hải Phòng - Vùng bờ tỉnh Quảng Ninh, từ phía lục địa, đây là vùng bờ cửa sông dạng hình phễu. Các cửa sông chính ở đây là: Cửa Lục, Tiên Yên, Hà Cối và Ka Long. Các cửa sông này đều có lưu lượng nhỏ, ít phù sa. Nhưng do vùng này là vùng sụt chìm nên có diện tích ngập triều khá rộng. Hơn nữa, đây là nơi có biên độ triều lớn nhất Việt Nam (4,5m). Về phía biển, đây là vùng bờ có địa hình phức tạp nhất do có rất nhiều đảo nhỏ che chắn phía ngoài bờ (Vịnh Hạ Long, Bái Tử Long). - Dải bờ biển Hải Phòng: Đây là vùng cửa sông của hệ thống sông Thái Bình. Các cửa sông chính là Lạch Tray và Cửa Cấm. Dải bờ này có hệ thống lạch triều dày đặc. Đặc điểm nổi bật của dải bờ này là quá trình xói lở có xu thế tăng trong nhiều năm qua. b) Đường bờ từ Hải Phòng đến Thanh Hóa - Dải bờ thuộc châu thổ sông Hồng (từ Đồ Sơn - Hải Phòng đến Lạch Trường- Thanh Hóa) có các cửa sông: Ba Lạt, Cửa Đáy, Văn Lý. Trừ vùng Văn Lý trong một giới hạn hẹp có xói lở cục bộ, còn cả dải bờ này có xu hướng bồi tụ. Quá trình bồi tụ có xu hướng mở rộng ngang- từ bờ ra biển có thể tới 25km, như ở cửa sông Đáy, cửa 14