Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu diễn biến đường bờ biển và giải pháp công trình để bảo vệ bãi biển thành phố Nha Trang

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, gồm 4 chương: Tổng quan các nghiên cứu về diễn biến bãi biển và công trình bảo vệ bãi biển; Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu; Kết quả nghiên cứu về diễn biến đường bờ tại bãi biển trung tâm Thành phố Nha Trang; Đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 62-58-02-02 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT (BẢN DỰ THẢO BẢO VỆ CẤP TRƯỜNG) HÀ NỘI, NĂM 2017
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Trung Việt Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Hitoshi Tanaka Phản biện 1:GS.TS.Trần Đình Hợi, Viện Nước-Môi trường và Biến đổi khí hậu Phản biện 2: PGS.TS. Trần Ngọc Anh, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Danh Thảo, Trường ĐH Bách khoa TP HCM Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường tại ............................................................................................................................... ....................................................................................................................... vào lúc ….. giờ …. ngày ….. tháng ….. năm …. Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: - Thư viện Quốc Gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam 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, bờ biển nước ta có khoảng 94 bãi tắm tự nhiên với danh lam thắng cảnh đẹp là điều kiện lý tưởng cho du lịch. 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, khai thác trầm tích quá nhiều… đã làm hạn chế sự phục hồi của bãi biển, diễn biến bờ biển ngày càng phức tạp. Khi xây dựng cầu Trần Phú trên sông Cái và kè bảo vệ bờ để cải tạo môi trường cửa sông Cái, mở rộng đường Trần Phú thì bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang đang trong tình trạng dần dần bị thu hẹp, đường bờ biển đang dần dần tiến về phía bờ kè đường Trần Phú, độ dốc trung bình đáy biển gần bờ xấp xỉ 4%. Nghiên cứu bảo vệ bãi tắm hiện có và cải tạo các bãi tắm đang bị suy thoái cần phải nghiên cứu đầy đủ, làm cơ sở cho việc quy hoạch, lập dự án đầu tư. 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 tiếp tục nghiên cứu theo định hướng trước đây, đi sâu khai thác các số liệu thực đo, 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 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: chiều cao sóng vỡ, độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát... và dự báo đường bờ biển theo không gian và thời gian; Đề xuất sơ đồ bố trí hệ thống công trình hợp lý để ổn định hình thái bãi tắm thành phố Nha Trang. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu chiều cao sóng vỡ vùng gần bờ và diễn biến đường bờ biển trung tâm thành phố Nha Trang. 1
3.2 Phạm vi nghiên cứu Bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang dọc đường Trần Phú dài 4,5km từ cầu Trần Phú đến công viên Bạch Đằng. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận 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 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; 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 Vùng gần bờ có nhiều yếu tố: bùn cát, bờ biển, công trình... tương tác với nhau trong một hệ thống không gian và thời gian làm cho công tác nghiên cứu khó khăn phức tạp. Trong luận án đã thừa kế một số nội dung khoa học 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 3 năm được phân tích từ ảnh video- camera, đây là số liệu đầu vào cho phương pháp phân tích EOF, là công cụ 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; Tác giả đã sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát Dc từ số liệu đo sâu tại các mặt cắt ngang theo thời gian, kết hợp với chiều cao sóng vỡ được phân tích từ ảnh video-camera, đây là những 2
thông số mà hiện nay do nhiều điều kiện khách quan như: nhân lực, thiết bị...rất ít được triển khai đo đạc. Từ đó, tác giả sử dụng mô hình biến đổi đường bờ (lý thuyết one-line) để xác định diễn biến đường bờ để đề xuất các giải pháp công trình nhằm khắc phục các tồn tại của bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang. 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Dự báo được quá trình diễn biến đường bờ; Xác định được nguyên nhân của diễn biến đường bờ biển, từ đó làm cơ sở khoa học quan trọng trong việc quy hoạch phát triển bền vững bãi biển Thành phố Nha Trang. 6. Cấu trúc của luận án Nội dung luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về diễn biến bãi biển và công trình bảo vệ bãi biển Chương 2: Cơ sở lý luận và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả nghiên cứu về diễn biến đường bờ tại bãi biển trung tâm Thành phố Nha Trang Chương 4: Đề xuất giải pháp công trình bảo vệ bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN BÃI BIỂN VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN 1.1 Khái niệm chung 1.1.1 Khái niệm bãi biển 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, gồm: khu vực ngoài khơi, khu vực gần bờ, khu vực bãi và khu vực bờ biển. Vị trí thể hiện tương tác của thủy triều, sóng, gió lên đất liền là đường bờ biển. Đường bờ biển thường được định nghĩa là đường ranh giới, nơi giao thoa giữa đất liền và đại dương, 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. 3
1.1.2 Khái niệm công trình bảo vệ bãi biển Công trình bảo vệ bãi biển được sử dụng trong các dự án bảo vệ bãi biển với mục tiêu ngăn ngừa xói mòn bờ biển và ngập lụt của vùng nội địa, bao gồm: bảo vệ bờ chống sạt lở, tạo bãi tắm, cải tạo cảnh quan, ổn định luồng lạch vùng cửa sông ven biển, bảo vệ các cửa sông, cửa lấy nước và bến cảng... 1.2 Tổng quan nghiên cứu diễn biến bờ biển trên thế giới Sự phát triển của hình thái ven biển gây ra bởi hệ thống các quá trình vật lý phức tạp hoạt động trên một phạm vi rộng về quy mô không gian và thời gian. Để nghiên cứu những vấn đề khó khăn, phức tạp trong diễn biến bờ biển và tác động của công trình ven bờ tới bãi biển, các nhà nghiên cứu trên thế giới không thể chỉ dựa vào một vài phương pháp, mà thường sử dụng kết hợp từ nhiều phương pháp khác nhau. Nhưng tựu trung, gồm phương pháp cơ bản sau: Nghiên cứu từ số liệu thực đo: từ số liệu đo đạc sử dụng phương pháp GIS để phân tích diễn biến đường bờ biển; Công nghệ viễn thám, gồm có: viễn thám vệ tinh, viễn thám RADAR (Radio Detection And Ranging), viễn thám LIDAR (Light Detection And Raging), quang trắc ảnh-chụp ảnh và công nghệ phân tích ảnh từ video-camera (với những ưu thế khi đo đạc yếu tố động lực ven bờ, công nghệ video-camera đã lắp ở hơn 30 bãi biển các quốc gia có nền khoa học tiên tiến như Mỹ, Pháp, Hà Lan, Úc...); Phương pháp phân tích EOF; Sử dụng mô hình toán và mô hình vật lý; Hệ thông tin địa lý (GIS). 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 1.3.1 Hiện trạng diễn biến bờ biển Việt Nam Quá trình bồi tụ - xói lở ở vùng cửa sông, ven biển là hai mặt của một quá trình diễn biến tự nhiên xẩy ra không chỉ ở nước ta mà còn xẩy ra nhiều nước trên thế giới. Hiện trạng bồi tụ - xói lở diễn ra ở nước ta rất khác nhau đối với từng khu vực, từng cấu trúc bờ và động lực sông - biển. Trong những năm gần đây dưới sự tác động của các yếu tố càng gia tăng như: biến đổi khí hậu, mực nước biển dâng cao, các hoạt động của con người ở vùng cửa sông, ven biển... đã làm cho quá trình bồi tụ - xói lở diễn biến phức tạp cả về quy mô và cường độ. 4
1.3.2 Các nghiên cứu về lĩnh vực diễn biến bờ biển 1.3.2.1 Các nghiên cứu ở Việt Nam về diễn biến đường bờ Các nghiên cứu về chế độ thủy động lực học ở dải ven bờ thường phải thực hiện thông qua các đo đạc và quan trắc khá phức tạp và tốn kém tại hiện trường. Các nghiên cứu về diễn đường bờ ở Việt Nam chủ yếu được thực hiện trong các đề tài cấp nhà nước và các chương trình KH&CN trọng điểm cấp Nhà nước. 1.3.2.2 Các nghiên cứu chủ yếu tập trung phân tích nguyên nhân, cơ chế xói lở, bồi tụ các đoạn bờ biển, cửa sông Kết quả các nghiên cứu là phân tích nguyên nhân từ nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh, đánh giá cơ chế bồi xói theo mùa của bờ biển cửa sông miền Trung, cơ chế sạt lở mặt của bờ biển bùn Nam Bộ, mối liên quan giữa vùng biển thoái cửa sông và vùng biển tiến lân cận ở bờ biển Bắc Bộ. 1.3.3 Các công trình bảo vệ bờ, tôn tạo bãi Các công trình bảo vệ bờ biển ở nước ta đã có lịch sử hàng ngàn năm, ban đầu là các loại hình công trình bảo vệ chủ yếu là gia cố trực tiếp mái đê hoặc trồng cây chắn sóng. Những năm gần đây, đã có nhiều địa phương ứng dụng các giải pháp công trình ngăn cát, giảm sóng: đập mỏ hàn; đê phá sóng; nuôi bãi... 1.4 Hiện trạng bãi biển Nha Trang và những nghiên cứu liên quan đến bãi biển Nha Trang 1.4.1 Các công trình xây dựng ở bãi biển Thành phố Nha Trang và hiện trạng diễn biến bãi biển Hiện nay kè bảo vệ bờ kết hợp với tường chắn sóng đã được xây dựng dọc bãi biển Thành phố Nha Trang; Để bảo vệ an toàn cho kè KS378, đã có công trình kè chữ Y và khối Tetrapod; Cầu cảng thuộc bến phà Vinpearl, có dạng chữ Γ, thân dài 50m, cánh dài 40m, kết cấu bê tông cốt thép: công trình có tác dụng như đập mỏ hàn, làm gián đoạn chuyển động bùn cát dọc bờ, bãi cát được bồi phía Bắc và bị xói sâu ở phía Nam; Công trình lấn biển khu vực Ba Làng và Đường Đệ đã gây nên bãi biển không còn bãi cát kể cả khi dưới mực nước triều; Công trình xây mới cầu Trần Phú năm 2002 thì bãi biển phía trước UBND tỉnh bị xói sâu vào sát đường Trần Phú; 5
1.4.2 Những nghiên cứu liên quan đến bờ biển Nha Trang Vịnh Nha Trang và bờ biển Nha Trang được chú ý nghiên cứu do tầm quan trọng của trong phát triển kinh tế- xã hội của tỉnh Khánh Hòa. Những nghiên cứu có liên quan đến Nha Trang có các dự án đầu tư công trình, các bài viết và báo cáo đề tài.Trong đó có nghiên cứu của Nguyễn Trung Việt (2014), sử dụng nhiều mô hình toán mô phỏng chế độ thủy thạch động lực ven bờ để đưa ra định hướng các giải pháp công trình bảo vệ bãi biển. Tuy nhiên, đề tài chưa nghiên cứu nguyên nhân diễn biến đường bờ trước và sau khi có công trình; Chưa phân tích được chiều cao sóng vỡ. Gần đây có luận án tiến sĩ của Nguyễn Việt Đức (2016). Luận án đã đưa ra điểm mới: 1/Ứng dụng thành công công nghệ phao trôi để quan trắc dòng chảy tổng hợp ven bờ biển; 2/ Xác định rõ nguyên nhân bồi xói và đề xuất định hướng giải pháp phù hợp đảm bảo ổn định bãi biển khu vực nghiên cứu. Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đánh giá định lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ cũng như dự báo được diễn biến đường bờ trong tương lai. 1.5 Các vấn đề tồn tài và định hướng nội dung nghiên cứu của luận án 1.5.1 Các vấn đề tồn tại Bãi biển Nha Trang đang có những tồn tại sau: Những khó khăn và hạn chế trong khảo sát các số liệu thực đo; Tính địa phương của các yếu tố thủy động lực; Chưa có những luận cứ thuyết phục về phương chuyển động bùn cát ven bờ thành phố Nha Trang, chưa thống nhất vận chuyển bùn cát chuyển động theo phương ngang bờ hay chuyển động theo hướng dọc bờ là chủ yếu; Chưa có mô hình dự báo biến động bãi biển theo không gian và thời gian; Chưa có luận chứng đầy đủ về hiệu quả của các công trình bảo vệ bãi biển Trần Phú. 1.5.2 Định hướng nội dung nghiên cứu của luận án Với ưu thế sở hữu công nghệ hiện đại phân tích ảnh từ video-camera và có bộ số liệu thực đo khá đầy đủ, luận án sẽ đi vào nghiên cứu một số vấn đề sau: - Xác định một số tham số quan trọng trong quá trình lan truyền sóng gió vào bờ, cụ thể là chiều cao sóng vỡ và độ sâu giới hạn chuyển động bùn cát; - Xác định phương chuyển động bùn cát ven bờ và mối liên quan của nó với quá trình diễn biến đường bờ biển. 6
- Sử dụng phương pháp mô hình biến đổi đường bờ (theo lý thuyết One line) để mô phỏng biến động bãi tắm theo mùa thông qua sự biến đổi đường bờ. - Với những kết quả nghiên cứu về thủy động lực và diễn biến hình thái nói trên, luận án đề xuất một số sơ đồ bố trí công trình ngăn cát, giảm sóng để khắc phục những hạn chế của bãi biển Trần Phú hiện nay. 1.6 Kết luận chương 1 Trong các tổng quan tình hình và kết quả nghiên cứu trên thế giới và trong nước, luận án chỉ đề cập tới lĩnh vực: diễn biến đường bờ biển và công trình bảo vệ, tôn tạo bãi tắm. Trong mỗi lĩnh vực, luận án trình bày các vấn đề nghiên cứu chính và các tác giả nổi bật để đưa ra những kết quả mà luận án quan tâm. Từ đó, luận án đi sâu vào các vấn đề về nghiên cứu từ số liệu thực đo; Phân tích ảnh video-camera; Phân tích EOF; Mô hình toán biến đổi đường bờ và Hệ thông tin địa lý để từ đó bố trí không gian và đánh giá tác động của các công trình ngăn cát, giảm sóng bảo vệ bãi biển TP Nha Trang. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phân tích các dữ liệu hình thái bãi biển là bước đầu tiên nghiên cứu diễn biến bờ biển. Tác giả sử dụng số liệu khảo sát, kết hợp phân tích ảnh video-camera xác định chiều cao sóng vỡ và đường bờ, là số liệu đầu vào cho phương pháp phân tích EOF và mô hình toán diễn biến đường bờ để đánh giá nguyên nhân chủ yếu đến quá trình thay đổi bãi biển theo không gian và thời gian. 2.1 Phương pháp khảo sát thực địa 2.1.1 Điều tra thu thập tài liệu Thu thập các tài liệu địa hình: người Pháp thực hiện năm 1913; Lục quân Hoa Kỳ thực hiện năm 1968; Liên đoàn Địa chất Biển - Cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam thực hiện năm 2006; Ngoài ra còn thu thập các số liệu trong đề tài Nghị định thư Việt Nam - Cộng hòa Pháp: tài liệu khảo sát địa hình; số liệu hải văn thực hiện đợt 1 vào cuối tháng 5/2013 và đợt 2 vào cuối tháng 12/2013; số liệu thành phần hạt D50 dọc bãi biển thực hiện tháng 5/2013. 7
2.1.2 Tiến hành đo đạc bổ sung Để có thêm bộ dữ liệu để hiệu chỉnh, kiểm định mô hình diễn biến đường bờ và phân tích ảnh từ video-camera, tác giả đã tiến hành đo đạc bổ sung địa hình mặt cắt ngang bãi và chiều cao sóng các đợt: Ngày 9/11/2013 và ngày 11/11/2013 (trước và sau khi có bão HaiYan); Tháng 12/2013; Tháng 6/2015; Tháng 7/2015; Tháng 12/2015; Tháng 12/2016. 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 2.2.1 Cơ sở khoa học của công nghệ phân tích đường bờ, trắc ngang bãi Phân tích số liệu từ camera dựa vào nguyên tắc của hình học ảnh (Hình 2.9). Hình 2.9 Quan hệ hình học giữa tâm Camera, tọa độ ảnh và tọa độ thực Hệ phương trình quang trắc biểu thị mối quan hệ giữa tọa độ 2D (u,v) của 1 điểm ảnh và tọa độ thực 3D (X,Y,Z) tương ứng trong không gian, như sau:  m ( x  xc )  m12 ( y  yc )  m13 ( z  zc )  u  u0   f / u  11   m31 ( x  xc )  m32 ( y  yc )  m33 ( z  zc )  (2-1)  m21 ( x  xc )  m22 ( y  yc )  m23 ( z  zc )  v  v0   f / v    m31 ( x  xc )  m32 ( y  yc )  m33 ( z  zc )  Hệ phương trình (2-1) gồm 11 số chưa biết: góc nghiêng (τ), phương vị (φ), góc quay (σ); tọa độ thực tâm camera (xc, yc, zc); tâm ảnh (u0;v0); tiêu cự f; hệ số λu, λv. 2.2.1.1 Thiết lập hệ thống video-camera Hệ thống 2 camera được lắp trên cột điện ở đường Trần Phú, ngay phía trước Bưu điện Khánh Hòa. 8
2.2.1.2 Hiệu chỉnh hệ thống video-camera Bước 1: Hiệu chỉnh hình ảnh: Trong phạm vi quan sát của Camera tiến hành đo bằng máy toàn đạc điện tử 20 điểm tọa độ khống chế mặt đất GCP cho camera phía bắc và 19 điểm GCP cho camera phía nam, xác định các điểm tương ứng trên ảnh video-camera. Các góc quay (τ, φ, σ) và độ dài tiêu cự f được tính theo phương pháp lặp hồi quy bình phương tối thiểu phi tuyến từ hệ phương trình (2-1) để xác định sai số nhỏ nhất giữa các cặp điểm với tiêu cự của Camera. Bước 2: Tạo các ảnh theo chuỗi thời gian: File video thu được ở camera được tự động tách thành các ảnh tức thời và trung bình hóa theo thời đoạn 15 phút, đồng thời trích xuất ảnh chuỗi thời gian tại một mặt cắt định trước. Bước 3: Nhận diện đường bờ: Đường bờ được nhận diện thông qua sự chênh lệch phổ màu giữa nước biển (Blue) và bờ biển (Red). Trắc ngang bãi biển từ chân triều đến đỉnh triều trong mỗi ngày được xây dựng dựa trên đường bờ. Kết quả vị trí đường bờ và mặt cắt ngang được kiểm nghiệm với số liệu đo đạc bằng máy toàn đạc điện tử các thời kỳ mùa hè, thời kỳ mùa đông và trong điều kiện bão HaiYan. Kết quả phân tích từ video-camera tương đương với thiết bị GPS độ chính xác cao đo bằng phương pháp DGPS. 2.2.2 Cơ sở khoa học của công nghệ xác định các đặc trưng sóng bằng hệ thống video-camera Chu kỳ sóng xác định dựa trên sự biến thiên của cường độ sáng trên một đường thẳng trích từ ảnh chuỗi thời gian. Chiều cao sóng xác định theo Hình 2.27. Hình 2.27 Cơ sở nguyên lý giải đoán chiều cao sóng vỡ [70] Công thức tính chiều cao sóng vỡ: L Hb  (L  tan  ) tan  (2-4) tan  b 9
2.3 Phương pháp phân tích EOF Phương pháp EOF được sử dụng để phân tích dữ liệu diễn biến đường bờ dựa trên biến đổi Fourrier. Vị trí đường bờ có thể biểu diễn dưới dạng như sau: nx Y ( x, t )   E ( x)C (t ) n 1 n n (2-11) trong đó: Y ( x, t )  Ys ( x, t )  y ( x ) là khoảng cách đường bờ đến đường bờ trung bình; nx số mặt cắt ngang; En(x) và Cn(t) là các hàm riêng theo không gian và thời gian. Hệ số đóng góp xác định tầm quan trọng của dữ liệu, Rn trong khoảng [0;1], khi Rn = 1 thì độ chính xác là 100%: n Rn  nx  i (2-12) i 1 2.4 Phương pháp mô hình toán mô phỏng diễn biến đường bờ 2.4.1 Phương trình cơ bản của mô hình Lý thuyết diễn biến đường bờ (lý thuyết One-line) được giới thiệu bởi Pelnard - Considere (1956). Mặt cắt ngang bãi biển được giả định có hình dạng cân bằng không đổi, nghĩa là chỉ cần khảo sát sự thay đổi của một đường là đủ để nghiên cứu sự thay đổi của đường bờ. Phương trình cân bằng bùn cát như sau: Q y  ( Dc  Db )   q (2-19) x t 3 trong đó: Q là lưu lượng vận chuyển cát dọc bờ (m /s); x là khoảng ngang dọc theo phương của đường bờ biển (m); t là thời gian (s); y là vị trí đường bờ; chiều cao thềm bãi là Db; độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát Dc; Để giải phương trình (2-19) cần có vị trí đường bờ ban đầu, hai điều kiện biên cho hai đầu đường bờ, cũng như các giá trị Q, q, Db và Dc. 2.4.2 Lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ Lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ sử dụng theo công thức CERC như sau:  H b  Q  ( H 2 C g ) b  a1 sin 2 b  a 2 cos  b  (2-20)  x  trong đó: H: Chiều cao sóng (m); Cg: Vận tốc nhóm sóng tuyến tính; b: Chỉ số biểu thị vị trí đường sóng vỡ; b: Góc sóng vỡ tạo với đường bờ. 10
2.4.3 Độ sâu vận chuyển bùn cát dọc bờ Độ sâu vận chuyển bùn cát dọc bờ DLT được tính theo theo công thức sau: 1,27 DLT  H1/ 3 b (2-22)  2.4.4 Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát Dc 2.4.4.1 Công thức Hallermeier (1978) Hallermeier đề xuất rằng độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát trên bờ biển mở là kết quả của sự xói mòn bờ biển do những con sóng lớn nhất gây ra. Chiều cao sóng ý nghĩa 12 giờ mỗi năm xác định theo công thức như sau: H s  H  5.6 H (2-33) trong đó: Hs: chiều cao sóng ý nghĩa 12 giờ mỗi năm (m); H : là chiều cao sóng trung bình (m); H: là độ lệch chuẩn của chiều cao sóng. Công thức xác định độ sâu tới hạn vận chuyển bùn cát Dc được như sau: H2 Dc  hc  2,28H s  68,5 s 2 (2-34) gTs 2.4.4.2 Công thức Birkemeier (1985) Birkemeier sử dụng công thức Hallermeier (1981) để xác định Dc của các bãi biển có độ dốc bãi là 1/20, đường kính các trầm tích từ 0,25mm đến 4,0m và trung bình là 0,45mm. Công thức tính Dc như sau: H2 Dc  1,75H s  57,9 s 2 (2-35) gTs 2.4.5 Mô hình truyền sóng nước nông Chiều cao sóng vỡ bị khúc xạ và ảnh hưởng nước nông: Hb=KrKsHref (2-36) trong đó: Hb: chiều cao sóng vỡ tại điểm bất kỳ dọc bờ; Kr: hệ số khúc xạ; Ks: hệ số ảnh hưởng do nước nông; Href là chiều cao sóng ngoài khơi hoặc gần bờ. Góc tới của sóng tại vị trí vỡ được tính theo Định luật Snell: Sinb Sin1  (2-43) bL L 1 trong đó: θb và Lb là góc tới và chiều dài sóng tại điểm sóng vỡ, θ1 và L1 là góc tới và chiều dài sóng tại vị trí xa bờ. Giải theo phương pháp lặp để cho kết quả Hb, Db và θb ứng với chiều cao, góc tới và chu kỳ sóng ngoài khơi cho trước. 11
2.4.6 Tính sóng vỡ khi có công trình Trong vùng ảnh hưởng của công trình, chiều cao sóng vỡ có xét đến ảnh hưởng của nhiễu xạ, khúc xạ, tán xạ nước nông được xác định theo công thức: Hb=KD(D)H'b (2-2) trong đó: KD là hệ số nhiễu xạ; θD là góc giữa tia sóng tới P1 và đường thẳng P1P2 nếu như điểm P2 nằm trong vùng khuất sóng; Hb' góc sóng vỡ ở trong cùng ô tính toán nếu không xét nhiễu xạ. 2.5 Kết luận chương 2 Với mục tiêu nghiên cứu diễn biến đường bờ biển thành phố Nha Trang, trong nội dung chương 2 tác giả đã trình bày kết quả như sau: - Thu thập, hệ thống hóa lại bản đồ khu vực vịnh Nha Trang từ những năm đầu thế kỷ 20 đến nay và Tác giả đã trực tiếp tổ chức đi thực địa và triển khai 6 đợt đo đạc bổ sung số liệu trong suốt thời gian dài từ năm 2013 đến 2016. - Lắp đặt thành công và kiểm nghiệm trong thời kỳ mùa hè, mùa đông và trong điều kiện bão cho hệ thống video-camera; - Tiếp cận các phương pháp nghiên cứu diễn biến đường bờ trên Thế giới: phân tích ảnh video-camera; phân tích EOF; xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát, từ những thực tế của khu vực nghiên cứu tác giả đã phát triển để ứng dụng vào trường hợp cụ thể của bãi biển Nha Trang. CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ TẠI BÃI BIỂN TRUNG TÂM THÀNH PHỐ NHA TRANG 3.1 Đặt vấn đề Từ những số liệu được thu thập trong chương 2 cho thấy cho thấy diễn biến bãi biển Nha Trang từ năm 2006 đến tháng 5/2013 như sau: Toàn bộ doi cát phía cửa sông Cái biến mất; Đường bờ trước UBND bị xói sâu vào 68m; Từ đường Yersin đến tháp Trầm Hương (đường Lê Thánh Tôn) đường bờ bị xói giảm dần từ 16m (đường Yersin) đến 6m (tháp Trầm Hương) và kéo dài đến cầu cảng Vinpearl đường bờ bị xói trung bình 6m. Trong chương 3 tác giả ứng dụng công nghệ phân tích đường bờ và chiều cao sóng vỡ từ video-camera; Sử dụng 12
phương pháp phân tích EOF để đánh giá nguyên nhân diễn biến đường bờ; Từ số liệu địa hình sẽ xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát và thiết lập mô hình toán mô phỏng diễn biến đường bờ bãi biển Nha Trang. 3.2 Đánh giá diễn biến đường bờ bằng công nghệ phân tích ảnh video- camera Tác giả đã sử dụng công nghệ video-camera với bộ thông số của phần mềm đã được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm, tiến hành phân tích diễn biễn của bờ biển trong từ tháng 5/2013 đến tháng 12/2015 (Hình 3.3) với mực nước trung bình trong ngày. Phân tích đường bờ diễn biến theo thời gian so tại các mặt cắt cho thấy sự thay đổi đường bờ theo mùa rất rõ rệt: với X=50m; X100m; X=150m; (đường bờ sát đến chân kè trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc) và X=200m; X=250m (khu vực bãi biển không bị xói đến sát chân kè), kết quả như Hình 3.4. Hình 3.3 Trích diễn biến đường bờ từ T05/2013 đến T12/2015 Hình 3.4 Diễn biến đường bờ từ 05/2013 đến 12/2015 tại các mặt cắt 13
3.3 Phân tích diễn biến đường bờ bằng phương pháp EOF. Phân tích EOF là để tách sự phụ thuộc thời gian và không gian của dữ liệu để nó có thể thiết lập hàm tuyến tính tương ứng theo không gian và thời gian. Với chuỗi số liệu đường bờ từ tháng 05/2013 đến tháng 12/2015 từ phần mềm phân tích ảnh video-camera, tác giả đã xác định 300 mặt cắt ngang dọc bãi biển, tính toán các thành phần từ E1C1; E2C2; E3C3 đến EnCn theo công thức (2-11). Kết quả phân tích trọng số của tổ hợp 3 thành phần đầu tiên E1C1; E2C2; và E3C3 này lần lượt là: R1 = 94%; R2=4,37% và R3=0.75%. Như vậy, tổ hợp thành phần E1C1 (với hệ số đóng góp R1 = 94%) là thành phần ảnh hưởng chính đến quá trình diễn biến đường bờ. Thành phần biến đổi theo thời gian của thành phần thứ nhất C1(t) có giá trị cả âm và dương (Hình 3.6); trong khi đó thành phần biến đổi theo không gian E1(x) luôn nhận giá trị dương. Do vậy, tổ hợp E1C1 sẽ có giá trị âm và dương biến thiên theo thời gian. Hình 3.6 Kết quả tính thành phần C1 từ T05/2013 đến T12/2015 Hình 3.7 Kết quả tính thành phần E1 theo dọc bờ 14
Hình 3.8 Tổ hợp E1C1 theo không gian và thời gian từ T05/2013 đến T12/2015 Hình 3.8 cho thấy biến thiên theo thời gian của thành phần thứ nhất E1C1 có liên hệ mật thiết với thời gian gió mùa, trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc thì tổ hợp này có giá trị âm và ngược lại trong thời kỳ gió mùa Tây Nam nó lại có giá trị dương. Điều này có thể kết luận rằng biến thiên của tổ hợp E1(x)C1(t) mang các đặc trưng của sóng. Từ phân tích ở trên cho thấy thành phần thứ nhất E1C1 ảnh hưởng chính tới quá trình biến đổi đường bờ. Do vậy, nếu xây dựng được phương trình cho tổ hợp E1C1 này thì quá trình biến đổi đường bờ sẽ được dự báo. Phương trình khai triển dạng chuỗi Fourier cho thành phần đặc trưng C1(t) như sau: C1(t)= a0 + a1*cos(x*w) + b1*sin(x*w) + a2*cos(2*x*w) + (3-1) b2*sin(2*x*w) + +a3*cos(3*x*w) + b3*sin(3*x*w) trong đó: a0 = -12.36; a1= 124.4; b1=84.92; a2 = -22.54; b2 = 44.72; a3 = - 3.097; b3 = -8.351 và w = 0.01686 được xác định bằng phương trình hồi qui trung bình. Tương tự như vậy, xác định được hàm hồi qui tuyến tính cho thành phần E1(x). Kết quả cuối cùng được phương trình dự báo biến đổi đường bờ: Ydự báo= C1(t)Fourier * E1(x)Hồi quy+Ytrung bình (3-2) trong đó: C1(t)Fourier xác định theo công thức (3-1) (ngày). E1(x)Hồi quy= -2.191*10-4x +9.57*10-2 (m) Ytrung bình: giá trị trung bình của đường bờ (m). Áp dụng phương trình (3-2) tính toán đường bờ được thể hiện ở Hình 3.18. Kết quả dự báo diễn biến đường bờ rất phù hợp với số liệu thực đo. 15
Hình 3.18 So sánh vị trí đường bờ giữa camera và phương trình dự báo EOF So sánh kết quả C1(t) với lưu lượng vận chuyển bùn cát theo vị trí đường bờ y dựa trên lý thuyết one-line của Nguyễn Việt Đức (2016). Kết quả tính toán cho thấy rằng khi C1(t) có giá trị âm tương ứng tổ hợp E1(x)C1(t) có giá trị âm thì đường bờ có xu thế xói, và khi C1(t) có giá trị dương tương ứng tổ hợp E1(x)C1(t) có giá trị dương thì đường bờ có xu thế bồi dần. Xác định chiều cao sóng vỡ từ ảnh video-camera 3.3.1.1 Kỹ thuật phân tích chiều cao sóng vỡ Phân tích chiều cao sóng vỡ từ ảnh video-camera dựa công thức (2-4). a. Mặt cắt ngang giải đoán sóng b. Phân tích chu kỳ sóng vỡ Hình 3.22 Phân tích chu kỳ sóng từ mặt cắt ngang Hình 3.23 Quá trình phân tích chiều cao sóng vỡ theo cường độ sáng 16
Bước 1: Xác định mặt cắt phân tích sóng vỡ (Hình 3.22a). Bước 2: Xác định được chuỗi tập hợp lũy tích các sóng theo thời gian: Trục ngang là toàn bộ các con sóng trong 15phút (camera ghi liên tục 15 phút/1 file video); trục đứng là khoảng cách mặt cắt ngang so với bờ (Hình 3.22b). Bước 3: Phân tích cường độ sáng của ảnh, xác định: chiều dài theo điểm ảnh của quá trình sóng bắt đầu có hiện tượng vỡ đến đỉnh sóng chuẩn bị đổ; quá trình sóng đổ và vị trí sóng bắt đầu đổ (Hình 3.23). Bước 4: Chuyển được chiều dài quá trình sóng vỡ L(pixel) sang kích thước thực L(m) theo bộ thông số xác định từ bước hiệu chỉnh camera. Bước 5: Tính toán chiều cao sóng vỡ Hb theo công thức (2-4) (với chiều cao của camera: Zcamera phía bắc = 14.5m. và Zcamera phía nam =13.7m. 3.3.1.2 Số liệu sử dụng để hiệu chỉnh kiểm định Sử dụng kết quả đo của các thiết bị đo sóng AWAC và OBS-3A được thực hiện từ 03/12/2013 đến 11/12/2013, số liệu 4 thiết bị Sensor đo sóng từ 04/12/2013 đến 10/12/2013. Kết quả so sánh cho thấy sai khác giữa phân tích sóng vỡ từ camera và số liệu sóng vỡ đo tại trạm C gần bờ sai khác từ 0,1m đến 0,35m. Như vậy, kết quả phân tích sóng vỡ cho kết quả chính xác hơn so với phương pháp quan trắc sóng bằng mắt thường khi kết quả làm tròn chiều cao sóng là 0,5m. Phương trình tương quan chiều cao sóng giữa trạm A và chiều cao sóng vỡ phân tích từ video-camera như sau: Htrạm A=0,8207Hcamera+0.243(m) (3-4). 3.4 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát bãi biển Nha Trang 3.4.1 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát bằng công thức kinh nghiệm Với các thông số sóng của các nghiên cứu khác nhau thay vào công thức (2-34) để tính độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát. Kết quả thống kê trong Bảng 3.1 cho thấy giá trị Dc khác nhau do tính từ thông số sóng các nghiên cứu khác nhau. Như vậy, độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát tính theo công thức kinh nghiệm phụ thuộc rất nhiều kinh nghiệm tính toán sóng ngoài khơi. 17
Bảng 3.1 Kết quả tính toán độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát Nghiên cứu chiều cao sóng trên Hallermeier T.M.Thanh et al Thông đảo Trường Sa Lớn (1981) sử dụng số Vietsov Theo mô Sóng Sóng ngoài sóng trạm Furgo Petro hình Bạch Hổ khơi Ntrang Trường Sa Hs (m) 8,6 7,9 10,8 7,64 Tp (s) 10,4 11,9 14,27 11,9 Dc (m) 14,83 14,93 20,62 7,9 6,78 14,54 3.4.2 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát bằng số liệu đo địa hình Tiến hành vẽ mặt cắt ngang DC01; DC02; DC03; DC04 của các đợt đo sâu. xác định độ sâu Dc từ KS 378 đến tháp Trầm Hương có giá trị trung bình là: 9,82m. Mặt cắt ngang xác định Dc02 Mặt cắt ngang xác định Dc03 Hình 3.30 Một số mặt cắt ngang xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát 3.4.3 Thiết lập công thức tính độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát cho bãi biển trung tâm TP Nha Trang Tác giả dựa trên nguyên lý Birkemeier (1985) phát triển công thức tính độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát từ công thức thực nghiệm Hallermeier (1981). Sử dụng kết quả đo chiều cao sóng ý nghĩa trạm A trong đợt 2 tháng 12/2013; Các đợt đo đặc trưng cho điều kiện cực đoan trong phân tích số liệu sóng và địa hình đáy: đợt 5 tháng 12/2015 (khu vực đảo Guam biển Thái Bình Dương có xẩy ra bão In-fa (Marilyn)); đợt 6 tháng 12/2016 (tỉnh Khánh Hòa bị ngập lụt nghiên trọng do ảnh hưởng bởi áp thấp nhiệt đới) kết hợp với kết quả độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát, thiết lập được công thức sau: H2 Dc  8,28H s  33,84 s 2 (3-7) gTs trong đó: Hs (m) là chiều cao sóng ý nghĩa phía ngoài khơi khu vực trạm A; Ts (giây) là chu kỳ sóng ý nghĩa tương ứng; g=9.81. Đánh giá sai số giữa Dc xác định từ số liệu đo sâu và công thức (3-7) có R2=0,995. 18