NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG BÃI DO TÁC ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH GIẢM SÓNG, TẠO BỒI CHO KHU VỰC HẢI HẬU - NAM ĐỊNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU DỖN TI ẾN HÀ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG BÃI DO TÁC ĐỘNG CỦA CƠNG TRÌNH GIẢM SÓNG, TẠO BỒI CHO KHU VỰC HẢI HẬU - NAM ĐỊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC TRÁI ĐẤT Hà Nội - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU DỖN TI ẾN HÀ NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG BÃI DO TÁC ĐỘNG CỦA CƠNG TRÌNH GIẢM SĨNG, TẠO BỒI CHO KHU VỰC HẢI HẬU - NAM ĐỊNH Chuyên ngành: Mã số: Hải dương học 62440227 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC TRÁI ĐẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trần Hồng Thái PGS.TS Trương Văn Bốn Hà Nội - 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức Các nguồn tài liệu tham khảo (nếu có) trích dẫn ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo theo quy định Tác giả luận án Doãn Tiến Hà ii LỜI CẢM ƠN Lời tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Trần Hồng Thái, PGS.TS Trương Văn Bốn tận tình bảo, hướng dẫn tác giả suốt thời gian nghiên cứu thực luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Nguyễn Khắc Nghĩa, đồng thời chủ nhiệm đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu sở khoa học đề xuất giải pháp tổng thể để ổn định vùng bờ biển Nam Định từ cửa Ba Lạt đến cửa Đáy” giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả phép sử dụng kết nghiên cứu đề tài liệu mà đề tài thu thập để phục vụ trình nghiên cứu luận án Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban lãnh đạo, Phòng Khoa học Đào tạo Hợp tác quốc tế, Bộ môn Hải dương học Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu giúp đỡ tạo điều kiện để tác giả học tập hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Trung tâm nghiên cứu động lực Cửa sơng Ven biển Hải đảo, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia động lực học sông biển, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, nơi tác giả công tác tạo điều kiện thời gian cơng việc cho tác giả hồn thành luận án Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới bạn bè, đồng nghiệp gia đình ln sát cánh động viên tác giả vượt qua khó khăn suốt trình thực luận án Tác giả luận án Doãn Tiến Hà iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học 6 Ý nghĩa thực tiễn 7 Những đóng góp luận án Cấu trúc luận án CHƯƠNG - TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨ U TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 CÁC NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC 1.2 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC .16 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG .22 CHƯƠNG -LỰA CHỌN VÀ THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.1 LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25 2.2 PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VÀ THỐNG KÊ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU 27 2.2.1 Phương pháp khảo sát thực địa, phân tích tài liệu đo đạc 27 2.2.2 Các số liệu thu thập, phân tích luận án: .28 2.2.3 Các nội dung phân tích thống kê số liệu thu thập, đo đạc luận án 30 2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH VẬT LÝ 30 2.3.1 Cơ sở lý thuyết thí nghiệm mơ hình sóng .30 2.3.2 Mô tương tự giá trị mơ hình, chọn tỉ lệ mơ hình 36 2.3.3 Giới thiệu hệ thống máng sóng Flanders 36 2.3.4 Các điều kiện biên số liệu địa hình, thủy hải văn .38 2.3.5 Kiểm định mơ hình thí nghiệm 39 2.3.6 Các phương án thí nghiệm 42 iv 2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRÊN MƠ HÌNH TỐN 42 2.4.1 Giới thiệu mơ hình tính biến đổi đường bờ GENESIS .42 2.4.2 Giới thiệu mơ hình MIKE 21FM .46 2.4.3 Thiết lập mơ hình tính tốn diễn biến đường bờ phương án tính 52 2.4.4 Thiết lập mơ hình tính chế độ thủy thạch động lực (Mike 21) phương án tính tốn luận án 56 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG .67 CHƯƠNG - NGUYÊN NHÂN VÀ ĐẶC ĐIỂM DIỄN B IẾN B Ờ, BÃI VÀ MẶT CẮT NGANG B ÃI VÙNG V EN B IỂN HẢI HẬ U 70 3.1 DIỄN BIẾN HÌNH THÁI CÁC VÙNG CỬA SÔNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN ỔN ĐỊNH BỜ BIỂN HẢI HẬU .70 3.1.1 Diễn biến vùng cửa sơng Ba Lạt, Sò, Lạch Giang ảnh hưởng chúng đến ổn định bờ, bãi biển Hải Hậu .70 3.1.2 Xu bồi tụ - xói lở khu vực Hải Hậu thời kỳ cận đại: 73 3.2 PHÂN TÍCH DIỄN BIẾN, XÁ C ĐỊNH DẠNG MẶT CẮT BÃI ĐẶC TRƯNG CHO KHU VỰC HẢI HẬU QUA SỐ LIỆU THỰC ĐO 74 3.2.1 Phân tích số quy luật biến động mặt cắt bãi biển thực tế theo thời kỳ 75 3.2.2 Mặt cắt ngang đặc trưng ven biển Hải Hậu - Nam Định 78 3.3 XÁC ĐỊNH NGUYÊN NHÂN GÂ Y MẤT ỔN ĐỊNH CHO BỜ BÃI BIỂN HẢI HẬU-NAM ĐỊNH .88 3.3.1 Xác định số nguyên nhân chung 88 3.3.2 Biến động hình thái cửa Ba Lạt ảnh hưởng đến q trình xói lở bờ biển khu vực nghiên cứu 89 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG .90 CHƯƠNG - KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TR ÊN MƠ HÌN H VẬT LÝ VÀ MÔ PHỎNG SỐ TRỊ VỀ CÁC THAM S Ố KỸ THUẬT CƠNG TRÌN H ĐÊ NGẦ M B ẢO VỆ B Ờ VÀ DIỄN B IẾN HÌNH T HÁI KHU VỰC HẢI HẬU 92 4.1 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRÊN MƠ HÌNH VẬT LÝ 92 4.1.1 Thí nghiệm lựa chọn cao trình đỉnh đê ngầm 93 4.1.2 Lựa chọn tham số bề rộng đỉnh đê ngầm 96 4.1.3 Lựa chọn hệ số mái dốc cho đê ngầm .99 4.1.4 Nhận xét chung: 102 v 4.2 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG TRÊN MƠ HÌNH TỐN 103 4.2.2 Tác động cơng trình giảm sóng đến diễn biến hình thái đường bờ103 4.2.3 Lựa chọn tham số cơng trình phù hợp dựa kết nghiên cứu tính tốn 108 4.2.4 Tính tốn chế độ thủy thạch động lực với cụm cơng trình đề xuất chỉnh trị khu vực nghiên cứu 112 4.3 ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP PHỊNG CHỐNG XĨI LỞ VÀ BẢO VỆ BÃI, ĐÊ BIỂN HẢI HẬU 127 4.3.1 Đánh giá hiệu biện pháp cơng trình giảm sóng, tạo bồi bãi biển thực Hải Hậu 127 4.3.2 Đề xuất giải pháp chỉnh trị cho khu vực nghiên cứu 130 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 132 KẾT L UẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134 A KẾT LUẬN 134 B KIẾN NGHỊ 135 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 136 TÀI LIỆU T HAM KHẢO 137 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các giá trị tỷ lệ mơ hình - ngun hình .36 Bảng 2.2 Tổ hợp cấp mực nước thí nghiệm 39 Bảng 2.3 Các tham số sóng đưa vào thí nghiệm luận án 39 Bảng 2.4 Kết đánh giá sai số tính tốn mơ hình GENESIS 54 Bảng 2.5 Đánh giá sai số theo số Nash 60 Bảng 2.6 Kết tính đặc trưng sóng từ chuỗi số liệu 20 năm (1990 - 2010) 64 Bảng 2.7 Các phương án đưa vào để tính tốn .66 Bảng 3.1 Tọa độ vị trí điểm đặt mốc mặt cắt ngồi thực địa .75 Bảng 3.2 Hệ số đặc trưng ứng với dạng phương trình 80 Bảng 3.3 Phương trình đặc trưng mặt cắt Hải Hậu theo thời kỳ 83 Bảng 3.4 Phương trình đặc trưng MC theo khu vực khác Hải Hậu 84 Bảng 3.5 Phương trình đặc trưng mặt cắt theo mùa (giai đoạn 2005-2010) 85 Bảng 4.1 Kết thí nghiệm q trình suy giảm độ cao sóng qua đê ngầm với cao trình đỉnh khác 93 Bảng 4.2 Kết thí nghiệm q trình truyền sóng qua đê ngầm với bề rộng đỉnh đê thay đổi khác 96 Bảng 4.3 Kết thí nghiệm q trình truyền sóng qua đê ngầm với phương án thay đổi mái dốc (m) đê ngầm khác 99 Bảng 4.4 Giá trị Kt trích xuất tương ứng với mực nước tính tốn 102 Bảng 4.5 Các thông số kỹ thuật đề xuất cơng trình đê ngầm phá sóng khu vực Hải Hậu 111 vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Hệ thống cơng trình chỉnh trị bãi xây dựng dọc ven biển số nơi nước ta (Nguồn: GoogleEarth) Hình Ảnh diễn biến q trình xói lở vùng biển Hải Triều-Hải Hậu (Nguồn: [27]) Hình Ảnh xó i lở, vỡ đê - kè Hải Hậu sau bão Damrey-2005 (Nguồn: [45], [47]) Hình 1.1 Đường bờ tiến lên lùi lại trường (Nguồn: xem [23]) 14 Hình 1.2 Các điều kiện ngưỡng xói bồi phía trước kè ven biển (Nguồn: xem [23]) 14 Hình 1.3 Quan hệ g iữa ch iều sâu xó i tạ i đầu đê chắn sóng ch iều cao sóng có ý nghĩa lớn 15 ngày trước (Nguồn: xem [23]) 14 Hình 1.4 Quan hệ chiều sâu xói quanh đầu đê chắn sóng chiều sâu nước (Nguồn: xem [23]) 14 Hình 1.5 Quan hệ chiều sâu xói chiều sâu nước (Nguồn: xem [23]) 15 Hình 1.6 Sơ đồ xói sóng đứng (Nguồn: xem [23]) 15 Hình 2.1 Bản đồ địa mạo khu vực nghiên cứu (Nguồn: [33]) 29 Hình 2.2 Sơ đồ trầm trích đại khu vực nghiên cứu (Nguồn: [36]) 29 Hình 2.3 Khúc xạ sóng 33 Hình 2.4 Hiện tượng nhiễu xạ sóng đê nhơ đơn 33 Hình 2.5 Sóng phản xạ trước tường đứng .35 Hình 2.6 Tổng quan hệ thống máng sóng Flanders 37 Hình 2.7 Đầu đo Golf-3B 37 Hình 2.8 Sơ đồ kết nối hệ thống máng tạo sóng Flander .37 Hình 2.9 Mặt cắt bãi ven biển Hải Hậu - Nam Định mô .38 Hình 2.10 Mơ vị trí đặt đầu đo sóng mơ hình thí nghiệm 40 Hình 2.11 Các biểu đồ kiểm định đầu đo 41 Hình 2.12a Phổ sóng đưa vào kiểm định 41 Hình 2.12b So sánh phổ sóng kiểm định phổ sóng thực đo Hải Hậu 41 Hình 2.13 Mặt cắt theo phương ngang 43 Hình 2.14 Mặt cắt thẳng đứng 43 Hình 2.15 Sơ đồ tính tốn mơ hình GENESIS 46 Hình 2.16 Sơ đồ mối liên hệ mơ đun tính tốn .52 Hình 2.17 Sơ đồ bố trí lưới tính Genesis chi tiết cho khu vực Hải Hậu 53 Hình 2.18 Kết tính toán kiểm định biến động đường bờ khu vực Hải Hậu giai đoạn 1985 - 1995 .53 viii Hình 2.19 Bố trí hệ thống cơng trình hỗn hợp đê ngầm phá sóng kết hợp với mỏ hàn chữ T khu vực Hải Hậu 56 Hình 2.20a Địa hình lưới tính miền lớn từ Bạch Long Vĩ đến Cồn Cỏ 57 Hình 2.20b Địa hình lưới t ính khu vực từ cửa Ba Lạt đến cửa Lạch Giang 57 Hình 2.21 Kết tính tốn kiểm định độ cao sóng (lưới miền tính lớn) .57 Hình 2.22a So sánh mực nước thực đo tính tốn cửa Ba Lạt 58 Hình 2.22b So sánh mực nước thực đo tính tốn cửa Lạch Giang 58 Hình 2.23 Kết tính tốn kiểm định độ cao sóng (lưới miền tính nhỏ) 58 Hình 2.24 So sánh tốc độ dòng chảy ven tính tốn thực đo Hải Hậu 59 Hình 2.25 So sánh hướng dòng chảy ven tính tốn thực đo Hải Hậu .59 Hình 2.26a Kết tính tốn diễn biến khu vực bãi biển Hải Hậu gió mùa Đơng Bắc 61 Hình 2.26b Kết tính tốn diễn biến khu vực bãi biển Hải Hậu gió mùa Tây Nam .61 Hình 2.27 Sơ đồ mặt cắt trích xuất để kiểm định mơ hình tính tốn Hải Hậu 61 Hình 2.28a Kết kiểm định với trường hợp tính cho gió mùa Đơng Bắc 62 Hình 2.28b Kết kiểm định với trường hợp tính cho gió mùa Tây Nam .62 Hình 2.29 Hoa gió CC 63 Hình 2.30 Hoa gió BLV .63 Hình 3.1 Vị trí đường bờ biển khu vực Hải Hậu vào cuối kỷ 15 (Nguồn: [26])70 Hình 3.2 Vị trí đường bờ biển khu vực Hải Hậu vào cuối kỷ 18 (Nguồn: [26])70 Hình 3.3 Sơ đồ đường bờ biển Hải Hậu hình thành thời kỳ khác (Nguồn: [26]) .71 Hình 3.4 Biến động cửa Lạch Giang qua chập ảnh viễn thám qua thời kỳ 73 Hình 3.5 Sơ đồ mặt cắt bãi đại diện khu vực Hải Hậu-Nam Định .75 Hình 3.6 Diễn biến mặt cắt HH02 thời kì 1985 ÷ 1990 .76 Hình 3.7 Diễn biến mặt cắt HH02 thời kì 1990 ÷ 1995 .76 Hình 3.8 Diễn biến mặt cắt HH02 thời kì 2005÷2010 .76 Hình 3.9a Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác năm 1986 77 Hình 3.9b Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác năm 1994 77 Hình 3.9c Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác năm 2010 77 Hình 3.10a Các Hàm đặc trưng ứng với mặt cắt HH01 .81 Hình 3.10b Các Hàm đặc trưng ứng với mặt cắt HH02 81 Hình 3.10c Các Hàm đặc trưng ứng với mặt cắt HH03 .81 10 L = 50m L = 100m L = 200m Thang chiều cao sóng (m) Hình 2.8 Diễn biến trường sóng khu vực cơng trình ứng với chiều dài (L) đê ngầm thay đổi khác nhau, mực nước +1,86m Trường hợp độ rộng khe hở đê ngầm (G) thay đổi: Cố định bề rộng đỉnh đê ngầm (B = 5m), chiều dài đê ngầm (L = 200m), tính với hệ thống mặt bố trí hai đê ngầm Các trường hợp thay đổi độ rộng khe (G) hai đê ngầm là: G = 25m, G = 50m, G = 80m G = 150m a) G = 25m b) G = 50m 11 d) Bãi có tường G = 150m c) G = 80m Thang chiều cao sóng (m) Hình 2.9 Diễn biến trường sóng khu vực cơng trình ứng với khe hở đê ngầm (G) thay đổi khác nhau, mực nước +1,86m Trường hợp khoảng cách từ đường bờ tới đê ngầm (X) thay đổi: Cố định bề rộng đỉnh đê ngầm (B = 5m), chiều dài đê lựa chọn (L = 200m), trường hợp thay đổi khoảng cách từ đường bờ ban đầu đến đê ngầm (X) là: X = 50m, X = 80, X = 100m X = 200m Riêng trường hợp X= 150m tính với chiều dài (L) thay đổi a) X = 50m b) X = 80m 12 d) X = 200m c) X = 100m Thang chiều cao sóng (m) Hình 2.10 Diễn biến trường sóng khu vực cơng trình ứng với khoảng cách từ bờ đến đê ngầm (X) thay đổi khác nhau, mực nước +1,86m PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ TÍNH TỐN DIỄN BIẾN BÃI KHI CĨ CƠNG TRÌNH CHỈNH TRỊ THEO CÁC PHƯƠNG ÁN ĐẦU VÀO KHÁC NHAU Hình 3.1 Kết tính tốn với phương án 13 Hình 3.2 Kết tính tốn với phương án Hình 3.3 Kết tính tốn với phương án 14 Hình 3.4 Kết tính tốn với phương án Hình 3.5 Kết tính tốn với phương án 15 Hình 3.6 Kết tính tốn với phương án Hình 3.7 Kết tính tốn với phương án 16 Hình 3.8 Kết tính tốn với phương án Hình 3.9 Kết tính tốn với phương án 10 17 Hình 3.10 Kết tính tốn với phương án 12 Hình 3.11 Kết tính tốn với phương án 13 18 Hình 3.12 Kết tính tốn với phương án 14 Hình 3.13 Kết tính tốn với phương án 15 19 Hình 3.14 Kết tính tốn với phương án 16 Hình 3.15 Kết tính tốn với phương án 17 20 Hình 3.16 Kết tính tốn với phương án 18 Hình 3.17 Kết tính tốn với phương án 19 21 Hình 3.18 Kết tính tốn với phương án 20 Hình 3.19 Kết tính tốn với phương án 22 22 PHỤ LỤC 4: MỘT SỐ HÌNH ẢNH Q TRÌNH THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH VẬT LÝ CỦA LUẬN ÁN Hình 4.2 Quá trình tiến hành tạo mặt bằng, xây dựng mơ hình Hình 4.1 Chuẩn bị máy móc để xây dựng mặt cắt bãi mơ hình Hình 4.3 Lắp đặt đầu đo sóng mơ hình Hình 4.4 Phương pháp kiểm định ướt đầu đo sóng 23 Hình 4.5 Điều chỉnh mực nước theo thước nước gắn cao độ Hình 4.6 Thí nghiệm với bãi tự nhiên chưa có cơng trình Hình 4.7 Sóng vỡ trước cơng trình trường hợp mực nước MN = +1,8m, sóng biên 1,8 m Hình 4.8 Sóng vượt qua đê phá sóng trường hợp MN kiệt = +1,2m, mái dốc đê phá sóng m = Hình 4.9 Kiểm tra, xem xét q trình thí nghiệm 24 Hình 4.10 Thu thập, phân tích đánh giá kết thí nghiệm a) Cửa sổ phần mềm cài đặt, điều khiển tạo sóng (WLWave) b) Cửa sổ phần mềm thu thập liệu (Measure) c) Cửa sổ phần mềm phân tích liệu (ANASYS) d) Thể kết thí nghiệm Hình 4.11 Tổng quan q trình xử lí liệu sóng phần mềm ... 3.9a Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác năm 1986 77 Hình 3.9b Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác năm 1994 77 Hình 3.9c Diễn biến mặt cắt HH02 theo hai mùa khác năm 2010 77 Hình... ban đầu 107 Hình 4.12 Diễn biến đường bờ sau năm kh i thay đổi khe hở hai đề ngầm 108 Hình 4.13 Diễn biến bồi xói thay đổi độ rơng khe đê ngầm 108 Hình 4.14a Phân bố trường sóng khu... cứu mơ hình thay đổi địa hình phức tạp xảy sau xây dựng cơng trình Ơng phân loại đặc điểm thay đổi địa hình điển hình thành số ví dụ biến dạng bãi biển Kết việc nghiên cứu hiểu thay đổi địa hình