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

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - NGUYỄN THIẾU HOA TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ XÓI LỞ BỜ BIỂN, BÃI BIỂN TRONG BÃO KHU VỰC VEN BỜ CHÂU THỔ SÔNG HỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT Hà Nội – 2015 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - Nguyễn Thiếu Hoa TÍNH TOÁN TRƯỜNG SÓNG, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ XÓI LỞ BỜ BIỂN, BÃI BIỂN TRONG BÃO KHU VỰC VEN BỜ CHÂU THỔ SÔNG HỒNG Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 60.52.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:PGS TS Đinh Văn Mạnh Hà Nội –2015 iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ BIẾN ĐỘNG BỜ BIỂN KHU VỰC CHÂU THỔ SÔNG HỒNGError! Bookmark no 1.1 Đặc điểm tự nhiên, điều kiện khí tƣợng, thủy văn khu vực châu thổ sông Hồng E rror! Bookmark not defined 1.1.1 Lịch sử phát triển vùng ven biển châu thổ Sông Hồng Error! Bookmark not defined 1.1.2 Đặc điểm địa hình vùng châu thổ sông Hồng Error! Bookmark not defined 1.1.3 Hệ thống thuỷ văn Error! Bookmark not defined 1.1.4 Chế độ khí hậu Error! Bookmark not defined 1.1.5 Các yếu tố hải văn Error! Bookmark not defined 1.2 Biến động bờ biển cửa sông khu vực châu thổ sông HồngError! Bookmark not defined 1.2.1 Cơ chế xói lở bãi biển thường xuyên khu vực ven bờ cửa Hà Lạn – cửa Lạch Giang Error! Bookmark not defined 1.2.2 Biến động bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng tác động bão nước dâng bão Error! Bookmark not defined 1.3 Hệ thống đê biển khu vực châu thổ sông Hồng Error! Bookmark not defined 1.4 Các nghiên cứu VCBC biến động bãi biển bão nƣớc ta Error! Bookmark not defined Chƣơng II THU THẬP VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU PHỤC VỤ TÍNH BIẾN ĐỘNG BÃI, XÓI LỞ CHÂN ĐÊ TRONG BÃO………………………………………….13 2.1 Số liệu thử nghiệm mô hình SBEACH bể thí nghiệm sóng vận chuyển bùn cát siêu lớn………….……………………………………………………… 13 2.2 Số liệu đo đạc địa hình mặt cắt vuông góc với bờ biển trƣớc sau bão khu vực thị trấn Hải Thịnh, huyện Hải Hậu tỉnh Nam Định…………………………………………………………………… …………14 2.3 Số liệu trạng hệ thống đê biển số liệu thông số mực nƣớc, sóng tính toán chế độ nhiều năm cho khu vực châu thổ sông Hồng………………………………………………………………….…………….16 Chƣơng III CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA MÔ HÌNH TÍNH BIẾN ĐỘNG BÃI, XÓI LỞ CHÂN ĐÊ TRONG BÃO – SBEACH Error! Bookmark not defined iv 3.1 Vận chuyển bùn cát ngang bờ lý thuyết mặt cắt cân bằngError! Bookmark not defined 3.2 Cơ sở khoa học phƣơng pháp tính sóng vận chuyển bùn cát mô hình SBEACH Error! Bookmark not defined 3.2.1 Mô hình tính sóng ngẫu nhiên Error! Bookmark not defined 3.2.2 Tính tham số liên quan đến trường sóng Error! Bookmark not defined 3.2.3 Tính vận chuyển bùn cát ngang bờ Error! Bookmark not defined 3.3 Thuật toán sử dụng mô hình SBEACH Error! Bookmark not defined 3.4 Phƣơng pháp đánh giá phù hợp kết tính toán số liệu thực đo Error! Bookmark not defined 3.5 Mô hình SBEACH chạy Hệ thống Công nghệ ven bờ phục vụ Thiết kế Phân tích (CEDAS) Error! Bookmark not defined 3.6 Các khả tính toán hạn chế mô hình SBEACHError! Bookmark not defined 3.6.1 Khả tính toán mô hình SBEACH Error! Bookmark not defined 3.6.2 Các hạn chế mô hình SBEACH Error! Bookmark not defined Chƣơng IV TÍNH TOÁN VẬN CHUYỂN BÙN CÁT VÀ XÓI LỞ BỜ BIỂN, BÃI BIỂN TRONG BÃO Error! Bookmark not defined 4.1 Tính toán vận chuyển bùn cát biến động bãi biển theo số liệu đo đạc SUPERTANK - toán mẫu Error! Bookmark not defined 4.2 Tính toán vận chuyển bùn cát, biến động bãi hiệu chỉnh mô hình SBEACH bão thực tế bờ biển thị trấn Hải Thịnh, huyện Hải HậuError! Bookmark not defined 4.2.1 Tính toán hiệu chỉnh mô hình SBEACH bão DAMREY Error! Bookmark not defined 4.2.2 Tính toán vận chuyển bùn cát, xói lở bãi biển cho trường hợp cực đoan chế độ sử dụng mô hình SBEACH với tham số VCBC hiệu chỉnhError! Bookmark not defined 4.2.3 Đề xuất giải pháp bảo vệ đê biển khu vực châu thổ sông Hồng Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình Lịch sử biến động bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng Hình Vị trí mặt cắt đo đạc định kỳ nhiều năm khu vực ven bờhuyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định Hình Cao trình bãi biển thời điểm cao đạc khác mặt cắt số 10 Hình Khảo sát thực địa “Nhà thờ đổ biển” thuộc bờ biển khu vực xã Hải Lý, huyện Hải Hậu Hình Khảo sát thực địa trạng hệ thống đê biển xã Hải Hòa, huyện Hải Hậu tỉnh Nam Định (ảnh chụp triều kém) khuôn khổ đề tài hợp tác Việt Nga 11 Hình Đƣờng bão DAMREY 9/2005 14 Hình Nƣớc dâng bão DAMREY 9/2005 cửa Ninh Cơ 15 Hình Vỡ đê Hải Thịnh bão DAMREY 9/2005 15 Hình Các số liệu đo đạc mặt cắt Hải Thịnh trƣớc sau bão đổ 16 Hình 10 Mực nƣớc tổng cộng ngày 27-28/9/2005 đƣa vào tính toán mô hình SBEACH 16 Hình 11 Sơ đồ “Avalanching” mô hình SBEACH 37 Hình 12 Các profile ban đầu, cuối tính toán cho trƣờng hợp P1A 46 Hình 13 Các profile ban đầu, cuối tính toán cho trƣờng hợp PGA 47 Hình 14 Các profile ban đầu, cuối tính toán cho trƣờng hợp PCA 47 Hình 15 Các profile ban đầu trƣớc bão, profile tính toán theo mặc định 50 Hình 16.Các profile ban đầu trƣớc bão, profile tính toán theo HC-8 thực đo 50 vi Hình 17.Các kết tính toán xói lở bãi biển khu vực Hải Thịnh với hai trƣờng hợp bão có chu kỳ lặp 50 năm 100 năm 51 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Các tham số động lực đầu vào thời gian tính toán thí nghiệm SUPERTANK 14 Bảng Các tham số động lực biển phục vụ tính toán chế độ 17 Bảng Các tham số hiệu chỉnh kết đánh giá định lƣợng 49 Bảng Đánh giá mực nƣớc tổng cộng chân đê khu vực Hải Thịnh bão với chu kỳ lặp khác 53 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Giải nghĩa CTSH Châu thổ sông Hồng SBEACH (Storm-induced BEach Change) biến động bãi biển bão CEDAS (Coastal Engineering Design Analysis System) Hệ thống Công nghệ ven bờ phục vụ Thiết kế Phân tích) SUPERTANK Bể thí nghiệm sóng vận chuyển bùn cát siêu lớn FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) Tổ chức Lƣơng thực Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc PAM (People Action Movement) Phong trào Nhân dân Hành động EBP (Equilibrium Beach Profile) Profil cân bãi biển viii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu tham gia Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tác giả Nguyễn Thiếu Hoa ix LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng biết ơn sâu sắc tới Viện Cơ học, Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, quan nơi công tác cử đào tạo, nhƣ tạo điều kiện mặt thời gian, kinh phí thủ tục hành suốt trình học tập hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trƣờng Đại học Công Nghệ, Khoa Cơ học kỹ thuật, Phòng đào tạo tạo điều kiện giúp đỡ hoàn thành luận văn Nhiệm vụ hợp tác Việt Nga “Nghiên cứu bãi biển dự báo biến động bãi khu vực ven bờ biển Việt Nam Liên bang Nga” Mã số VAST.HTQT.NGA.03 hai giai đoạn 2010-2011 2014-2015, thuộc Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, tài trợ tạo điều kiện cho khảo sát thực tế tham gia đo đạc khu vực thị trấn Thịnh Long, châu thổ sông Hồng Tôi xin bày tỏ biết ơn tới thầy hƣớng dẫn PGS.TS Đinh Văn Mạnh trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện trình nghiên cứu hoàn thành luận văn Xin gửi lời cám ơn chân thành đến GS TSKH Magnus Larson, Khoa Kỹ thuật Tài nguyên Nƣớc, Đại học Lund Thụy Điển cung cấp số liệu đo đạc Bể thí nghiệm sóng vận chuyển bùn cát siêu lớn kết tính toán theo mô hình số trƣờng hợp tiêu biểu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô Khoa Cơ học kỹ thuật tận tình dạy dỗ truyền thụ kiến thức cho năm học vừa qua Cuối xin cảm ơn cô chú, bạn đồng nghiệp Phòng Cơ học Môi trƣờng Biển, Viện học nhiệt tình giúp đỡ, tƣ vấn cho thực luận văn x MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn thiết lập đƣợc hệ thống mô hình số đủ tin cậy cho phép tính toán vận chuyển bùn cát, xói lở bãi biển bão gây cho khu vực xảy xói lở vùng châu thổ sông Hồng; sở kết tính toán nhận đƣợc đánh giá khả bảo vệ hệ thống đê khu vực nghiên cứu Với mục tiêu trên, khu vực nghiên cứu luận văn đƣợc lựa chọn khu vực bãi biển thị trấn Hải Thịnh; khu vực xung yếu đại diện cho toàn bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng, nơi nhiều lần đê bị phá hủy bão Hệ thống mô hình số đƣợc sử dụng luận văn CEDAS, với modul chủ yếu đƣợc khai thác mô hình SBEACH.Đây hệ thống mô hình số cho phép tính toán biến động bãi biển sau bão Ngoài việc đòi hỏi thông số đầu vào mô hình số, nhƣ số liệu đo đạc mặt cắt địa hình, địa mạo, thông số đặc trƣng bùn cát, tham số mực nƣớc, sóng , mô hình cần đƣợc kiểm định kỹ sở số liệu đo đạc bể thí nghiệm nhƣ trƣờng khu vực nghiên cứu Do vậy, luận văn đƣợc hoàn thành sở nội dung nhƣ sau: - Tổng quan điều kiện tự nhiên, vận chuyển bùn cát xói lở bờ biển, bãi biển vùng châu thổ sông Hồng, đặc biệt khu vực nghiên cứu bãi biển Hải Thịnh; - Thu thập số liệu liên quan phục vụ cho việc thiết lập, kiểm định mô hình số tính toán vận chuyển bùn cát biến động bãi bao gồm: số liệu đo đạc từ bể thí nghiệm sóng SUPERTANK, số liệu đo đạc địa hình thực tế trƣớc sau bão khu vực nghiên cứu, số liệu thống kê đặc trƣng thủy lực (sóng, dòng chảy, mực nƣớc, bão, ); - Nghiên cứu tìm hiểu sở khoa học mô hình SBEACH chạy CEDAS; - Thiết lập tính toán kiểm tra hiệu chỉnh tham số mô hình SBEACH cho số toán mẫu (so sánh với số liệu đo đạc tính toán bể thí nghiệm sóng SUPERTANK); - Tính toán kiểm định mô hình số qua số liệu thực đo trƣớc sau bão DAMREY khu vực ven biển Hải Thịnh; - Tính toán xói lở bãi biển, chân đê với tham số thủy triều, nƣớc dâng sóng có chu kỳ lặp 50 năm 100 năm từ đƣa đánh giá, kiến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO Báo cáo dự án “Nghiên cứu, lập dự án khả thi chống xói lở khu vực xã Hải Trạch, huyện Bố Trạch – tỉnh Quảng Binh” Trung tâm Khảo sát Nghiên cứu, Tƣ vấn Môi trƣờng Biển, Hà Nội 4/2011 Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Trung tâm KHTN &CNQ “Nghiên cứu chế bồi xói bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng” Phạm Văn Ninh, Viện Cơ học Hà Nội 12/2003 Báo cáo tổng hợp đề tài cấp nhà nƣớc “Hiện trạng nguyên nhân bồi xói dải bờ biển Việt Nam Đề xuất biện pháp khoa học kỹ thuật bảo vệ khai thác vùng đất ven biển” Mã sốKT 03.14 Hà Nội, 1995 Doãn Tiến Hà, 2010 “Ứng dụng mô hình SBEACH tính toán biến đổi mặt cắt ngang bãi biển Phú Yên”Đặc san Khoa học công nghệ thủy lợi số 27 tháng 10/2010 Viện Nghiên cứu Khoa học Thủy lợi Đinh Văn Mạnh (chủ biên, 2014) “Tính toán cao độ mực nƣớc biển phục vụ thiết kế công trình ven biển” Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội, 2014 Nguyễn Mạnh Hùng (2009) “Báo cáo tổng kết nội dung nghiên cứu –Xác định tham số sóng điều kiện gió mạnh, gió mùa bão vùng nước sâu ven bờ” thuộc đề tài “Xác định chiều cao sóng tính toán thiết kế đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam” Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn Hà Nội 2009 Nguyễn Mạnh Hùng (2014) “Các trình thủy thạch động lực ven bờ: mực nước; sóng; vận chuyển bùn cát” Nhà xuất Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, Hà Nội, 2014 Phạm Văn Ninh, 2003 “Nghiên cứu chế bồi xói bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng” Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Trung tâm KHTN &CNQ, Viện Cơ học Hà Nội 12/2003 Tiếng Anh M Larson and N C Kraus, (1989) “Sbeach: Numerical Model for Simulating Storm – induced Beach Change” Department of The Army US Corps of Engineers, Washington, DC 1989 10.Magnus Larson, Nguyen Manh Hung, Hans Hanson, Annika Sundstromand Emma Sodervall (2014) “Impacts of Typhoons on the Vietnamese Coastline: A Case Study of Hai Hau Beach and Ly Hoa Beach” Chapter of the book “Coastal disaster and climate change in Viet Nam – Engineering and planning perspective” edited by Nguyen Danh Thao, Hiroshi Tagaki and Miguel Esteban Elsevier Publishing house, 2014 11.Nguyen Manh Hung, Duong Cong Dien, 2006 “Effects of the storm number (DAMREY) on the sea dyke system of Namdinh province” Journal of Marine Sciences, Volume (T6), 2006 12.Nguyen Manh Hung, Magnus Larson (2014) “Coastline and River Mouth Evolution in the Central Part of the Red River Delta” Chapter of the book “Coastal disaster and climate change in Viet Nam – Engineering and planning perspective” edited by Nguyen Danh Thao, Hiroshi Tagaki and Miguel Esteban Elsevier Publishing house, 2014 13.The final report of the project “The Evolution and Sustainable Management of Coastal Areas in Vietnam” The “Vietnam Sweden Research Cooperation Programme: 2004 – 2011) Hanoi 2011 14.Shore Protection Manual Coastal Engineering Research Center, US Navy, 1984 [...]... phép tính toán vận chuyển bùn cát, xói lở bãi biển do bão gây ra cho khu vực đang xảy ra xói lở tại vùng châu thổ sông Hồng; trên cơ sở kết quả tính toán nhận đƣợc sẽ đánh giá khả năng bảo vệ của hệ thống đê tại khu vực nghiên cứu Với mục tiêu trên, khu vực nghiên cứu của luận văn đƣợc lựa chọn là khu vực bãi biển của thị trấn Hải Thịnh; đây là một khu vực xung yếu có thể đại diện cho toàn bộ bờ biển. .. của bùn cát, các tham số mực nƣớc, sóng , mô hình này cần đƣợc kiểm định kỹ càng trên cơ sở các số liệu đo đạc trong bể thí nghiệm cũng nhƣ tại hiện trƣờng khu vực nghiên cứu Do vậy, luận văn đã đƣợc hoàn thành trên cơ sở các nội dung chính nhƣ sau: - Tổng quan về điều kiện tự nhiên, sự vận chuyển bùn cát và xói lở bờ biển, bãi biển vùng châu thổ sông Hồng, đặc biệt là khu vực nghiên cứu bãi biển Hải... các tham số của mô hình SBEACH cho một số bài toán mẫu (so sánh với số liệu đo đạc và tính toán trong bể thí nghiệm sóng SUPERTANK); - Tính toán kiểm định mô hình số qua các số liệu thực đo trƣớc và sau cơn bão DAMREY tại khu vực ven biển Hải Thịnh; - Tính toán xói lở bãi biển, chân đê với các tham số thủy triều, nƣớc dâng và sóng có chu kỳ lặp 50 năm và 100 năm từ đó đƣa ra các đánh giá, kiến nghị... khả thi chống xói lở khu vực xã Hải Trạch, huyện Bố Trạch – tỉnh Quảng Binh” Trung tâm Khảo sát Nghiên cứu, Tƣ vấn Môi trƣờng Biển, Hà Nội 4/2011 2 Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Trung tâm KHTN &CNQ “Nghiên cứu cơ chế bồi xói bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng Phạm Văn Ninh, Viện Cơ học Hà Nội 12/2003 3 Báo cáo tổng hợp đề tài cấp nhà nƣớc “Hiện trạng và nguyên nhân bồi xói dải bờ biển Việt Nam... kiểm định mô hình số tính toán vận chuyển bùn cát và biến động bãi bao gồm: các số liệu đo đạc từ bể thí nghiệm sóng SUPERTANK, số liệu đo đạc địa hình thực tế trƣớc và sau bão tại khu vực nghiên cứu, các số liệu thống kê về các đặc trƣng thủy lực (sóng, dòng chảy, mực nƣớc, bão, ); - Nghiên cứu tìm hiểu cơ sở khoa học mô hình SBEACH chạy trong CEDAS; - Thiết lập tính toán kiểm tra và hiệu chỉnh các tham... Phát triển Nông thôn Hà Nội 2009 7 Nguyễn Mạnh Hùng (2014) “Các quá trình thủy thạch động lực ven bờ: mực nước; sóng; và vận chuyển bùn cát Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội, 2014 8 Phạm Văn Ninh, 2003 “Nghiên cứu cơ chế bồi xói bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Trung tâm KHTN &CNQ, Viện Cơ học Hà Nội 12/2003... của khu vực châu thổ sông Hồng, tại nơi này đã nhiều lần đê bị phá hủy trong bão Hệ thống mô hình số đƣợc sử dụng trong luận văn này là CEDAS, với modul chủ yếu đƣợc khai thác là mô hình SBEACH.Đây là hệ thống mô hình số cho phép tính toán sự biến động của bãi biển sau bão Ngoài việc đòi hỏi các thông số đầu vào của mô hình số, nhƣ số liệu đo đạc mặt cắt địa hình, địa mạo, các thông số đặc trƣng của bùn. .. thuật bảo vệ và khai thác vùng đất ven biển Mã sốKT 03.14 Hà Nội, 1995 4 Doãn Tiến Hà, 2010 “Ứng dụng mô hình SBEACH tính toán biến đổi mặt cắt ngang bãi biển Phú Yên”Đặc san Khoa học công nghệ thủy lợi số 27 tháng 10/2010 Viện Nghiên cứu Khoa học Thủy lợi 5 Đinh Văn Mạnh (chủ biên, 2014) Tính toán cao độ mực nƣớc biển phục vụ thiết kế công trình ven biển Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ,... Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Hà Nội, 2014 6 Nguyễn Mạnh Hùng (2009) “Báo cáo tổng kết nội dung nghiên cứu –Xác định các tham số sóng trong điều kiện gió mạnh, gió mùa và bão tại vùng nước sâu và ven bờ thuộc đề tài “Xác định chiều cao sóng trong tính toán thiết kế đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam” Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Hà Nội 2009 7 Nguyễn