Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Hải dương học: Phát triển, hoàn thiện và ứng dụng hệ thống các mô hình biến động bãi biển khu vực Nam Trung Bô

Để nghiên cứu biến động dài hạn bãi biển bờ tây vịnh Nha Trang, tác giả đã tập trung nghiên cứu nhằm đ3ạt những mục tiêu sau: Xác lập mô hình biến động bãi biển đáp ứng nhu cầu mô phỏng diễn tiến quy mô công trình (từ trung hạn (năm) cho đến dài hạn). Áp dụng mô hình này cho bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang nhằm xác định quy mô và nguyên nhân biến động của bãi biển.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  Vũ Cơng Hữu PHÁT TRIỂN, HỒN THIỆN VÀ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG CÁC MƠ HÌNH BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN KHU VỰC NAM TRUNG BỘ Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 62.44.02.28 (DỰ THẢO) TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC Hà Nội, 2018 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Vũ Công Hữu, Đinh Văn Ưu, Nguyễn Kim Cương, Lê Xn Hồn, Dương Cơng Điển, Dương Hải Thuận Nghiên cứu mô biến đổi đường bờ tác động sóng mực nước Tuyển tạp cơng trình Hội nghị Khoa học - Cơ học Thủy khí tồn quốc năm 2014 ISBN: 1859-4182, p287-295 Vũ Công Hữu, Nguyễn Kim Cương, Đinh Văn Ưu, Nguyễn Trung Việt, Nguyễn Minh Huấn Đặc trưng trường sóng diễn biến đường bờ vịnh Nha Trang Tạp chí Khoa học: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 31, Số 3S (2015) 179-185 Vũ Công Hữu, Đinh Văn Ưu Tính tốn chế độ sóng vận chuyển trầm tích dọc bờ vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hịa Tạp chí Khoa học ĐHQGHN Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 122-129 Vũ Công Hữu, Đinh Văn Ưu Quy mô trình làm biến đổi bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang Tạp chí Khoa học Công nghệ biển (Đã chấp nhận đăng ngày 24 tháng 12 năm 2018) MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Xói lở bãi biến đổi đường bờ diễn nghiêm trọng nhiều quốc gia, có Việt Nam Với 3200 km chiều dài bờ biển, chưa kể đảo, Việt Nam chịu ảnh hưởng nặng nề trình xói lở bờ biển diễn nhiều nơi, chẳng hạn vùng biển Hải Hậu (Nam Định), đầm phá Tam Giang (Huế), Lý Hồ (Quảng Bình), Bãi biển bắc cửa Tùng (Quảng Trị), Bờ biển Bạc Liêu Mũi Cà Mau, bờ biển Hội An – Cửa Đại, Tác giả Hanson (2004) nghiên cứu chi tiết 20 loại mơ hình áp dụng để dự báo biến đổi bờ bãi biển với quy mô thời gian khơng gian khác khơng tìm mơ hình có khả đưa kết xác ứng với quy mơ thời gian quan tâm Hình 1.1 Khái quát quy mơ mơ hình (Hanson, 2004) Bờ biển thành phố Nha Trang phải đối mặt với áp lực dân số, phát triển đô thị, giao thông, du lịch, khai thác trầm tích nhiều… làm hạn chế phục hồi bãi biển, xói bồi ven bờ nghiên trọng, diễn biến bờ biển ngày phức tạp Hậu rõ nét phản ánh thông qua thay đổi đường bờ nghiêm trọng, bãi biển bị thu hẹp (Hình 1.2) [Nguyễn Trung Việt, 2014; Lê Thanh Bình, 2017] a Bãi biển bị xói thời kỳ gió mùa gió b Bãi biển được tái tạo thời kỳ gió Đơng Bắc Bắc (ảnh T03/2013) mùa gió Đông Bắc Nam (ảnh T07/2013) Hình 1.2 Biến động bãi biển trung tâm vịnh Nha Trang năm 2013 Bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang từ ngã ba đường Lê Lợi - Trần Phú đến cầu cảng Vinpearl tình trạng bị thu hẹp, đường bờ biển tiến phía bờ kè đường Trần Phú Tại bãi biển trung tâm vịnh Nha Trang năm gần có đề tài, dự án cấp tỉnh độc lập cấp nhà nước, có Đề tài Nghị định thư Việt Nam - Cộng hòa Pháp “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học vận chuyển bùn cát vùng cửa sông bờ biển vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” GS.TS Nguyễn Trung Việt, đại học thủy lợi, chủ trì, thực năm 2013-2014 luận chứng cần thiết cấp bách việc cải tạo tôn tạo bãi tắm biển thành phố Nha Trang, đưa định hướng Khoa học - Công nghệ cho vấn đề Cũng giai đoạn NCS Lê Thanh Bình, Nguyễn Văn Đức tiếp tục theo định hướng nghiên cứu đề tài nghị định thư đưa định hướng cơng trình, bảo vệ bãi tắm ven bờ tây vịnh Nha Trang Các NCS sâu khai thác đầy đủ số liệu thực đo, từ camera sử dụng kỹ thuật phân tích số liệu để xác định quan hệ biến đổi vị trí đường bờ với sóng ngồi khơi chưa quy mô thời gian thành phần gây biến đổi dài hạn đường bờ bãi tắm Từ đó, tên đề tài “Phát triển, hoàn thiện và ứng dụng hệ thống mô hình biến động bãi biển khu vực Nam Trung Bộ” lựa chọn nhằm góp phần phát triển thêm cơng cụ mơ hình mơ để hỗ trợ cho nhà quản lý kỹ thuật bờ biển Luận án tập chung nghiên cứu vào khu vực bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang Mục tiêu nghiên cứu - Để nghiên cứu biến động dài hạn bãi biển bờ tây vịnh Nha Trang, tác giả tập trung nghiên cứu nhằm đ3ạt mục tiêu sau: -Xác lập mô hình biến động bãi biển đáp ứng nhu cầu mơ diễn tiến quy mơ cơng trình (từ trung hạn (năm) dài hạn) - Áp dụng mơ hình cho bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang nhằm xác định quy mô nguyên nhân biến động bãi biển Nội dung nghiên cứu - Tổng quan phương pháp mơ hình biến động bờ bãi biển - Tổng quan kết nghiên cứu biến đổi bờ bãi biển Nha Trang - Nghiên cứu áp dụng mơ hình sóng EBED phục vụ cho việc khôi phục lại đặc trưng sóng cho vịnh Nha Trang, phục vụ liệu đầu vào cho hệ thống mơ hình xây dựng (Mã nguồn dạng Fortran) - Nghiên cứu áp dụng mơ hình xử lý ảnh Camera giám sát bãi biển (mã nguồn Matlab) - Hiệu chỉnh mơ hình biến đổi đường bờ dựa số liệu vị trí đường bờ xử lý ảnh Camera giám sát bãi biển - Tính tốn, mơ phân tích kết biến động bãi biển xác định nguyên nhân làm biến động bãi 3biển - Phân tích ảnh viễn thám bổ sung thông tin biến động bãi biển khu vực nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Thiết lập mơ hình số trị biến động hình thái bãi (đường bờ, độ rộng độ dốc bãi biển, giới hạn vận chuyển trầm tích theo mùa) đặc trưng thủy động lực sóng, mực nước gần bờ - Phạm vy vùng nghiên cứu bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang tỉnh Khánh Hịa (từ cửa sơng Cái đến qn cảng) (Phía trước UBND tỉnh Khánh Hịa, Hình 1.3) Phạm vi nghiên cứu [ảnh google earth] Phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu luận án, phương pháp sử dụng gồm: - Phương pháp phân tích ảnh viễn thám (mặt đất-cemera, vệ tinh) quan trắc truyền thống bãi biển: xác định vị trí đường bờ biến động bãi - Phương pháp mơ hình số trị: tính tốn khơi phục trường liệu thủy động lực làm đầu vào ứng dụng cho vùng biển nghiên cứu theo hướng hồn thiện mơ hình chẩn đốn dự báo biến đổi vị trí đường bờ hình thái bãi theo quy mơ thời gian - Các phương pháp thống kê (hồi quy, hàm điều hịa, hàm trực giao) phân tích đánh giá quy luật tiến triển bờ bãi dựa sở liệu lịch sử cập nhật biến động bãi biển đường bờ Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Đã lựa chọn triển khai bước hoàn thiện hợp phần quy trình tính tốn, cảnh báo dư báo biến đổi vị trí đường bờ trắc ngang bãi Luận án khẳng định quy luật biến đổi xây dựng thành cơng mơ hình dự báo diễn biến đường bờ vị trí theo quy mơ thời gian từ ngắn hạn đến dài hạn bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang Việc phân tích kết mơ từ phân tích ảnh theo kỹ thuật phân tích điều hịa, phân tích hàm trực giao rõ quy mơ thời gian thành phần biến động bãi biển Kết đạt luận án góp phần hoàn thiện phương pháp nghiên cứu biến động bãi biển tự nhiên kết hợp cơng trình hỗ trợ quản lý bảo vệ bãi biển Hình 1.3 Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu cuối đạt luận án phát triển thành mơ hình dự báo q trình diễn biến đường bờ phục vụ cho công tác quản lý, quy hoạch bãi biển Việc xác quy luật nguyên nhân gây biến động bãi biển làm sở cho việc đề xuất giải pháp bảo vệ, nâng cấp ổn định bãi biển cách hiệu khoa học Các đóng góp luận án 1.Đã lựa chọn, hồn thiện ứng dụng thành cơng mơ hình lai gép thống kê số trị mô quy luật biến động nhân tố thủy động lực hình thái bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang 2.Đã áp dụng thành công bước hồn thiện cơng cụ, mơ hình (phân tích ảnh viễn thám, cemera, phân tích điều hịa vị trí đường bờ, mơ hình lan truyền sóng, mực nước mơ hình mơ biến động bãi biển) cho bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang Bộ cơng cụ góp phần quy luật nguyên nhân làm biến động bãi biển bờ tây vịnh Nha Trang Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu; kết luận kiến nghị; tài liệu tham khảo; phụ lục, cấu trúc luận án gồm 03 Chương: Chương Tổng quan mơ hình biến đổi bờ bãi biển kết liên quan đến biến đổi bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh nha trang Chương Phát triển, hồn thiện hệ thống mơ hình biến động bãi biển Chương Kết áp dụng mô biến đổi bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang Kết luận CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH BIẾN ĐỔI BÃI BIỂN VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN BÃI BIỂN TRUNG TÂM BỜ TÂY VỊNH NHA TRANG 1.1 Tổng quan nghiên cứu giới mơ hình tốn học biến đổi bờ bãi biển Cho đến nay, kể đến loại mơ hình như: (1) mơ hình tổng hợp dựa hệ phương trình thủy động lực, vận chuyển trầm tích kết hợp biến đổi bờ biển, bãi biển (2) mơ hình phân tách riêng biến đổi đường bờ trình dọc bờ ngang bờ (3) mơ hình dạng thống kê dựa khái niệm điều kiện cân (4) mơ hình giải tích (5) mơ hình dạng lai ghép thống kê động lực, lai ghép động lực Tác giả sâu phân tích khái qt loại mơ hình để từ có định hướng nghiên cứu xây dựng mơ hình biến động bãi biển Sự biến đổi bãi biển nghiên cứu dựa phương pháp: Đến nay, hiểu biết hạn chế chuyển động hạt trầm tích điều kiện dịng chảy biến đổi kết hợp dịng trung bình nhiễu rối, đặc biệt với dòng chảy rối sóng vỡ Phần lớn nhân tố khác rât phức tạp, chẳng hạn chuyển động chất lỏng phức tạp đáy không đều, mô tả thiếu xác sóng vỡ tương tác trầm tích với trầm tích khiến cho tốn tính tốn vận chuyển trầm tích biến đổi bãi xét với quy mô nhỏ (microscale) trở nên tiếp cận theo nguyên lý thứ Do hạn chế mà mơ hình biến đổi đường bờ dựa nguyên lý cân động xem thích hợp với mơ dài hạn Đối với bãi biển Nha Trang, chưa có nghiên cứu xây dựng mơ hình mơ diễn biến đường bờ đáp ứng nhu cầu mô từ ngắn hạn đến dài hạn Và đặc biệt việc tận dụng liệu từ hệ camera giám sát Việc xác định nguyên nhân gây biến động bãi biển chưa nghiên cứu cách đầy đủ, chi tiết đến quy mô thời gian không gian 1.2 Nhu cầu phát triển phương pháp cải tiến Việc cần thiết xây dựng mô để đáp ứng được: - Đáp ứng quy mô thời gian từ ngắn hạn đến dài hạn - Mô tả biến đổi phục hồi bãi theo quy mô thời gian - Xét đến trình dọc bờ ngang bờ - Xét đến gia tăng mực nước làm biến đổi độ dốc bãi CHƯƠNG PHÁT TRIỂN, HOÀN THIỆN HỆ THỐNG MƠ HÌNH BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN 2.1 Xây dựng mơ hình biến đởi đường bờ - độ rộng bãi biển 2.1.1 Phương trình mơ diễn biến đường bờ Quy luật Bruun xây dựng để mô tả biến đổi đường bờ gia tăng mực nước, S Nếu giả thiết toàn trắc ngang dịch chuyển theo đường mực nước mà khơng có thay đổi hình dạng thể tích trầm tích bảo tồn biến đổi đường bờ Δy ∆𝑦 = −𝑆 𝑊∗ (ℎ∗ + 𝐵) (2.1) Với h* W* bậc đại lượng theo phương ngang phương thẳng đứng mặt cắt ngang B độ cao thềm bãi (Berm) Biểu diễn (2.1) phù hợp với biến đổi đường bờ khơng có tác động sóng Tuy nhiên, nghiên cứu gần biến đổi đường bờ đáng kể xẩy gia tăng mực nước kết hợp với sóng Hình 3.1 minh họa trường hợp cải tiến Ở đó, mực nước sóng thay mực nước ngang mặt cắt Các giả thiết để rút nghiệm giải tích “thể tích trầm tích xói mịn phía bờ cân với thể tích bồi lắng phía xa bờ” thành lập mặt cắt ngang cân trì khơng thay đổi mực nước gia tăng Để đơn giản cho biểu diễn thể tích bổ sung vào vế phương trình bảo tồn thể tích Hình Sơ đồ biến đổi đường bờ sóng mực nước [Miller, 2004] Các mô số thực Kriebel Dean (1985), Larson Kraus (1989) cho thấy q trình biến đổi đường bờ mơ hình hóa theo phương trình có dạng: 𝑑𝑦(𝑡) (2.2) = 𝑘𝑡 ∗ (𝑦𝑒𝑞 (𝑡) − 𝑦(𝑡)) 𝑑𝑡 Với y(t) yeq(t) vị trí đường bờ vị trí đường bờ cân thời điểm t, kt hệ số kinh nghiệm, cho biết tốc độ biến đổi đường bờ so với đường bờ cân Phương trình (2.2) dạng cân cải tiến từ phương trình cân kinh điển cho thấy biến đổi đường bờ tỷ lệ với mức độ cân đường bờ Như vậy, trước giải số phương trình (2.2) cần xác định đường bờ cân 𝑦𝑒𝑞 (𝑡) 2.1.2 Xác định vị trí đường bờ đường bờ cân yeq(t) 0.068𝐻𝑏 (𝑡) + 𝑆 (2.3) ∆𝑦𝑒𝑞 (𝑡) = −𝑊 ∗ (𝑡) ( ) 𝐵 + 1.28𝐻𝑏 (𝑡) Trong đó: Hb(t) độ cao sóng vỡ (đổ), B độ cao thềm bãi, W*(t) độ rộng vùng sóng đổ - xác định khoảng cách đến điểm sóng đổ: W* = (Hb/κA)3/2 Phương trình (2.5) mơ tả biến đổi đường bờ từ điều kiện đường bờ sở Do để chuyển đổi giá trị theo thời gian vị trí đường bờ cân điều kiện đường bờ sở phải xác định Nếu giả thiết đường bờ sở đường bờ trung bình đo đạc phương trình (2.3) cho ta vị trí đường bờ cân Tuy nhiên, giả thiết khơng xác mà điều kiện đường bờ sở yeq(t) yob(t) không thiết trùng Trong thực tế, vị trí đường bờ trung bình đại diện điều kiện khơng cân trung bình Để tính đến khoảng cách tiềm ẩn điều kiện đường bờ sở tham số hiệu chỉnh Δy0 lựa chọn bước hiệu chỉnh mơ hình Sau hiệu chỉnh, đường bờ sở lựa chọn dịch chuyển đường bờ cân xác định theo phương trình sau: 𝑦𝑒𝑞 (𝑡) = ∆𝑦0 + ∆𝑦𝑒𝑞 (𝑡) (2.4) Hệ số kt (2.2) tách thành hệ số xói mịn ke hệ số bồi lắng ka Hai phương pháp khác xét để xác định hệ số Thứ nhất, tham số xét mối quan hệ với lượng sóng Thứ hai, tham số dạng phi thứ nguyên xét mối quan hệ với đặc trưng sóng trầm tích Trong hai phương pháp dạng cuối kt = kαf(t), với f(t) hàm tham số phụ thuộc thời gian Giá trị kα cho mô nhận từ việc hiệu chỉnh mơ hình Các số dạng hàm f(t) có thể: 1.Dạng hàm Gourlay (1968), Dean (1973): 𝑓(𝑡) = 𝐻𝑏 (𝑡) 𝑊𝑠 𝑇(𝑡) (2.7) 2.Dạng hàm số Froude theo Kraus (1981), Darlrymple (1992): 𝑓(𝑡) = 𝑊𝑠 (2.8) √𝑔𝐻𝑏 (𝑡) 3.Hàm nghịch đảo số Froude −1 𝑊𝑠 𝑓(𝑡) = ( ) √𝑔𝐻𝑏 (𝑡) (2.9) 4.Dạng hàm tham số trắc ngang theo Darlrymple (1992): 𝑓(𝑡) = 𝐻𝑏 (𝑡) 𝑊𝑠3 𝑇(𝑡) (2.10) 5.Hàm tham số bề mặt theo Battjes (1974): 𝑓(𝑡) = 𝐻𝑏 (𝑡) 𝐿0 (𝑇𝑎𝑛(𝛽))2 (2.11) Trong đó: Hb(t) độ cao sóng vỡ, T chu kỳ sóng, Ws vận tốc lắng đọng trầm tích, g gia tốc trọng trường, Tanβ độ dốc bãi, 𝑔𝑇 L0 độ dài sóng nước sâu 𝐿0 = 2𝜋 2.1.3 Thuật tốn tự hiệu chỉnh mơ hình Mơ hình gồm hệ số hiệu chỉnh: Δ𝑦0 , ka (hệ số bồi) ke (hệ số xói mịn) Hệ số Δ𝑦0 độ lệch đường bờ cân so với đường bờ sở Hệ số thể tốc độ biến đổi đường bờ ka (hệ số bồi lắng) ke (hệ số xói mịn) Các hệ số đánh giá thông qua việc so sánh liệu đường bờ thực đo tính tốn dựa vào hàm sai số bình phương quân phương J: 𝑛 𝐽(𝑘𝑎 , 𝑘𝑒 , Δ𝑦0 ) = ∑(𝑦𝑜𝑏 (𝑡) − 𝑦𝑝𝑟 (𝑘𝑎 , 𝑘𝑒 , Δ𝑦0 )2 ) (2.12) Với 𝑦𝑜𝑏 (𝑡) vị trí đường bờ thực đo thời điểm t, 𝑦𝑝𝑟 (𝑘𝑎 , 𝑘𝑒 , Δ𝑦0 ) vị trí đường bờ tính tốn thời điểm t, n số lần có liệu quan trắc Các giá trị vị trí đường bờ tính tốn thích hợp hàm J đạt giá trị Jmin Thủ tục tự hiệu chỉnh mơ hình trình bày hình lựa chọn giá trị 𝑘𝑎 , 𝑘𝑒 , Δ𝑦0 tương ứng để hàm J đạt giá trị Jmin Hình Sơ đồ hiệu chỉnh mơ hình 2.1.4 Phương pháp giải số Để giải số phương trình (2.2) sơ đồ sai phân bán CrankNicholson với độ xác bậc áp dụng Theo sơ đồ điều kiện ổn định vơ điều kiện Như vậy, phương trình (2.2) trở thành cơng thức tính sau: 𝑦 𝑛+1 = 𝑛+1 𝑛 𝑦 𝑛 + 𝐴 ((𝑦𝑒𝑞 + 𝑦𝑒𝑞 ) − 𝑦𝑛 ) 1+𝐴 , 𝐴= 𝑘∆𝑡 (2.13) Với n số theo thời gian Trong luận án này, nghiên cứu sinh xây dựng chương trình tính tốn ngơn lập trình Fortran theo trình tự trình bày đây: 1.Nhập liệu đầu vào -Tham số hình dạng mặt cắt ngang cân mùa gió Đơng Bắc mùa gió Tây Nam -Độ cao thềm bãi, -Độ sâu tới hạn Dc mùa gió Đơng Bắc mùa gió Tây Nam, Trên sở chương trình tính tốn viết Matlab nhóm tác giả Almar, R et al (2008); Almar, R et al (2012); Tanaka, H.; Nguyen, T.V (2007); Lê Thanh Bình phát triển Nghiên cứu sinh sử dụng tiến hành tính tốn phân tích diễn biến vị trí đường bờ từ ảnh camera giám sát bãi biển Nha Trang Kết thu diễn biến vị trí đường bờ trung bình ngày từ tháng năm 2013 đến năm 2016 phục vụ cho việc hiệu chỉnh mô hình biến đổi đường bờ xây dựng 2.4 Hệ thống mơ hình mơ phỏng biến động bãi biển Mơ hình biến đổi vị trí đường bờ kết hợp với mơ hình tính sóng mơ hình xử lý ảnh camera tạo thành hệ thống mơ trình bày Hình 2.4 đây: Hình Sơ đồ hệ thớng mơ hình CHƯƠNG KẾT QUẢ ỨNG DỤNG CÁC MƠ HÌNH MƠ PHỎNG BIẾN ĐỘNG BÃI BIỂN CHO KHU VỰC NAM TRUNG BỘ 3.1 Tính tốn đặc trưng sóng khu vực vịnh Nha Trang 3.1.1.Kiểm nghiệm mơ hình sóng với liệu mơ hình vật lý Tác giả tiến hành kiểm chứng mơ hình sóng với liệu thí nghiệm mơ hình vật lý phịng thí nghiệm thủy lực ven bờ Hải quân Mỹ (Coastal and Hydraulics Laboratory’s - CHL) Kết kiểm nghiệm mơ hình cho thấy phù hợp tốt độ cao sóng tính tốn thực đo (Hình 3.1) Thí nghiệm sóng So sánh kêt mơ hình với kết thí nghiệm Hình So sánh đợ cao sóng tính tốn thực đo mặt cắt Y26 thí nghiệm 3.1.2 Thiết lập bài tốn tính sóng cho vịnh Nha Trang 12 tính sóng (trái) Hình 2.Hoa sóng điểm biên khu vực vịnh Nha Trang (phải) ngòai khơi Số liệu sóng ngồi khơi sử dụng làm biên: số liệu tái phân tích từ mơ hình sóng tồn cầu Cục Hải dương Khí quốc gia Mỹ (NOAA) Mơ hình sóng hiệu chỉnh với số liệu thực đo thời đoạn đặc trưng cho mùa gió Đơng Bắc mùa gió Tây Nam Các hình minh cho thấy kết tính tốn thực đo Hình 1.Miền Hình 1.So sánh hướng sóng (mùa gió Đơng Bắc) Hình 2.So sánh hướng sóng (mùa gió Tây Nam) Hình 3.So sánh đợ cao sóng (mùa gió ĐơngHình 4.So sánh đợ cao sóng (mùa gió Tây Bắc) Nam) Hình 5.So sánh chu kỳ sóng (mùa gió Đơng Bắc) Hình 6.So sánh chu kỳ sóng (mùa gió Tây Nam) Kết tính tốn cho thấy: Khu vực bãi tắm phía bắc (phía bắc cửa sơng Cái) che chắn độ cao sóng nhỏ so với ngồi khơi Tại khu vực bãi tắm phía nam cửa sơng Cái, sóng ngồi khơi có hướng đơng nam hướng nam bị đảo phía nam che chắn nên truyền vào khu bãi tắm qua eo biển đảo Hịn Tre đất liền Do vậy, độ cao sóng nhỏ hướng sóng có xu dọc bờ Ở phía nam cửa sơng Cái, thời kỳ mùa gió Tây Nam, độ cao sóng lớn đạt 0,6 m trung bình từ 0,1 đến 0,4 m, hướng sóng chủ 13 đạo hướng đơng nam, chu kỳ sóng nhỏ cỡ 3-4s Như vậy, mùa gió Tây Nam chủ yếu sóng gió truyền từ phía nam tới Tại điểm phía bắc cửa sơng Cái, trường sóng chủ yếu truyền từ phía cửa đơng vịnh Do vậy, sóng khu vực có hướng Đơng Bắc Đơng Nam Khu vực bãi tắm phía nam cửa sơng Cái, độ cao sóng lớn đáng kể so với sóng ngồi khơi Hướng sóng có xu đơng đơng bắc Khi sóng ngồi khơi có hướng đơng truyền thẳng vào vịnh mà không bị che chắn đảo, cịn ảnh hưởng địa hình vào nước nơng nên khu vực bãi tắm có hướng sóng vng góc với bờ Khu vực phía bắc vịnh hướng sóng có xu đơng nam Các số liệu tính tốn sóng cho thấy sóng mùa gió Đơng Bắc có đặc trưng chiều cao sóng lớn hẳn so với mùa gió Tây Nam (ln cao 0,5m có đạt 2,0 m), chu kỳ sóng khoảng 6s đến 10s, số thời điểm lớn 14s Hướng sóng chủ đạo tồn vịnh đông đông bắc Kết trường sóng cho thấy dải ven bờ phía bắc nam cửa sông Cái thể đặc trưng bất đối xứng theo mùa Hình 7.Hoa sóng mùa gió Đơng Bắc Hình 8.Hoa sóng mùa gió Tây Nam (phía nam cửa sơng Cái) (phía nam cửa sơng) sóng mùa gió Tây Hình 10.Hoa sóng mùa gió Đơng Nam (phía bắc cửa sơng) Bắc (phía bắc cửa sơng) 3.2 Diễn biến vị trí đường bờ từ ảnh camera quan trắc 3.2.1 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mơ hình Số liệu phục vụ cho việc hiệu chỉnh sử dụng gồm tọa độ điểm khống chế (GCP-ground control points) tọa độ vị trí đường Hình 9.Hoa 14 mép nước (đường bờ) 20 điểm cho cho camera hướng bắc 19 điểm cho camera hướng nam đo máy toàn đạc a Các điểm ảnh tọa độ GCP b Các điểm ảnh tọa đợ GCP Camera hướng bắc Camera hướng bắc Hình 11 Mới tương quan tọa đợ tính tốn từ Camera tọa đợ GCP Với camera phía Bắc RMSE = 3,83 hệ số tiêu cự tương ứng f = 3,8 Sự tương đồng điểm đo khống chế mặt đất đo máy toàn đạc điện tử điểm phân tích từ cơng nghệ video-camera cho thấy tham số mơ hình đáp ứng tốt nhu cầu thực bước phân tích 3.2.2.Tạo ảnh trung bình ảnh theo chuỗi thời gian File video từ camera tự động tách thành khung ảnh tức thời trung bình hóa theo thời đoạn định trước 15 phút, đồng thời trích xuất ảnh chuỗi thời gian mặt cắt định trước 3.2.3 Nhận diện đường bờ và trích liệu vị trí đường bờ Đường bờ nhận diện thông qua chênh lệch phổ màu màu nước biển (Blue) bờ biển (Red) Vị trí đường bờ xác định dựa tỷ lệ độ sáng màu đỏ xanh (Hình 3.22) Hình 12 Mô tả nhận diện đường bờ kết giải đoán đường bờ dựa ảnh Camera (với x, y là đơn vị pixel) 3.2.4 Kết diễn biến vị trí đường bờ từ ảnh Camera Tiến hành phân tích diễn biễn bờ biển trước UBND tỉnh thời điểm mực nước mực nước trung bình nhiều năm, kết đường bờ diễn biến từ tháng 5/2013 đến tháng 31/10/2016: 15 Hình 13 Các vị trí xử lý liệu đường bờ từ Camera Hình 14 Diễn biến đường bờ vị trí dọc bờ Kết phân tích ảnh Camera thể hình cho thấy mức độ biến đổi độ rộng bãi liệt kê bảng sau: Bảng 3.1 Biến động bãi biển vị trí Vị trí dọc bờ (m) X=50 X=70 X=100 X=150 X=200 X=250 Vị trí ngang bờ nhỏ (m) 2.6 2.9 3.2 5.2 16.5 27.7 Vị trí ngang bờ lớn (m) 39.0 34.7 31.1 33.4 39.8 47.8 Biến động độ rộng bãi biển (m) 36.4 31.8 27.9 28.2 23.3 20.2 Diễn biến đường bờ theo thời gian xác định từ kết phân tích ảnh video-camera cho thấy biến đổi đường bờ theo mùa rõ rệt, vào thời kỳ gió mùa gió Đơng Bắc Bắc bãi biển bị xói, diễn biến xói nhiều bắt đầu từ tháng 10 đến hết tháng 12 Vào thời kỳ gió mùa Tây Nam bãi biển bồi thể rõ từ tháng đến hết tháng 3.3 Mô phỏng biến động bãi biển trung tâm thuộc bờ tây vịnh Nha Trang 3.3.1.Xây dựng mặt cắt ngang bãi cân cho mùa Đối với mùa gió Đông Bắc: mặt cắt ngang cân lựa chọn theo dạng hàm có dạng: ℎ = 𝑥0 + 𝐴𝑥 𝑏 Với h độ sâu, x khoảng cách ngang bãi Tham số hình dạng A tính theo cơng thức: 𝐴 = 0.067𝑊𝑠0.44, Ws vận tốc lắng đọng trầm tích có kích thước hạt D50 Số hạng x0 số mũ b xác định dựa vào số liệu đo mặt cắt ngang mùa gió Đơng Bắc ngày từ 3-10/12/2013 Qua xác định x0 =1.7, b = 3/2 h = 1.7+0.075x3/2 (3.2) 16 Đối với mùa gió Tây Nam: Dựa vào số liệu thực đo ngày mùa gió Tây Nam, xác định công thức cho mặt cắt ngang cân sau: (3.3) h = 0.55 - 0.093x Với h độ sâu, x khoảng cách ngang mặt cắt 3.3.2.Số liệu sóng đợ sâu tới hạn Số liệu sóng độ sâu tới hạn trích xuất tù kết mơ hình sóng EBED, từ thời đoạn tháng năm 2013 đến tháng 12 năm 2016 với ốp 6h 3.3.3.Mực nước dâng sóng Tính tốn nước dâng sóng theo cơng thức thực nghiệm Hanslow Nielsen (1993) 𝜂̅𝑤 = 0.04√𝐻𝑠0 𝐿0 (3.4) Trong đó: L0 =gt2/2pi = 1.56T2, T chu kỳ sóng nước sâu 3.3.4.Đợ sâu tới hạn vận chuyển trầm tích Theo tác giả Hallermeir (1981: 𝑑𝑐𝑙 = 2.28𝐻𝑙𝑡 − 68.5(𝐻𝑙𝑡2 /𝑔𝑇𝑙𝑡2 ) (3.5) Với dcl độ sâu tới hạn xét theo mực nước trung bình thấp, Hlt độ cao sóng ý nghĩa khơng vỡ khơng q 12 lần năm, T chu kỳ sóng g gia tốc trọng trường Kết tính tốn theo mùa cho thấy: Mùa gió Đơng Bắc: dcl = 11.5m tương ứng với độ cao sóng 5.5m, Mùa gió Tây Nam: dcl= 4.4m tương ứng với độ cao sóng 2m 3.3.5.Hiệu chỉnh kiểm chứng mơ hình biến đổi vị trí đường bờ Các liệu đầu vào cần thiết cho mơ hình gồm có, độ cao sóng vỡ, mực nước tổng cộng, liệu đường bờ, tham số hình dạng mặt cắt ngang cân tham số kích thước hạt trầm tích Các liệu sử dụng: Tham số hình dạng mặt cắt ngang cho mùa gió Đơng Bắc, mùa gió Tây Nam độ sâu tới hạn tương ứng Chuỗi số liệu sóng đường đẳng sâu dcl từ kết mơ hình EBED 3.Số liệu kích thước hạt trầm tích D50 Dữ liệu vị trí đường bờ trung bình ngày, kết phân tích từ ảnh Camera quan trắc xử lý Dữ liệu mực nước thưc đo trạm đại diện cho vùng biển, chọn trạm Cầu Đá, Nha Trang 17 3.3.6.Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình: Thuật tốn tự hiệu chỉnh mơ hình thực đánh giá sai số mơ hình dựa vào chuỗi số liệu thực đo vị trí đường bờ từ Camera giám sát từ ngày 25/5/2013 đến 15/6/2014 vị trí 50m, 100m, 150m, 200m 250m Cũng vị trí này, mơ hình kiểm chứng với số liệu từ ngà 15/6/2014 đến 15/6/2015 Hình 1.So sánh kết mơ hình vị trí đường bờ từ Camera x= 250m Hình 2.So sánh kết mơ hình vị trí đường bờ từ Camera x= 200m Hình 3.So sánh kết mơ hình vị trí đường bờ từ Camera x= 150m Hình 4.So sánh kết mơ hình vị trí đường bờ từ Camera x= 50m Kết hiệu chỉnh mô hình có số NMSE vị trí thống kê Bảng 3.2 3.3 cho thấy mơ hình đạt kết tốt Bảng 3.2 Giá trị sớ NMSE vị trí Vị trí dọc bờ (m) X=50 X=70 X=100 X=150 X=200 X=250 Chỉ số NMSE 0.47 0.44 0.35 0.36 0.35 0.32 Bảng 3.3 Biến động độ rộng bãi biển vị trí Vị trí dọc bờ (m) X=50 X=70 X=100 X=150 X=200 X=250 Vị trí ngang bờ nhỏ (m) 2.8 5.5 3.8 6.0 19.0 31.8 Vị trí ngang bờ lớn (m) 36.4 30.3 27.6 30.0 39.1 47.3 Biến động độ rộng bãi biển (m) 33.6 24.8 23.6 24.0 20.1 5.5 Tổng hợp tham số đầu vào mô hình: 1.Mặt cắt ngang cân bằng: -Mùa gió Đơng Bắc: A= 0.075 -Mùa gió Tây Nam: A= 0.093 2.Kích thước D50: 0.1 (mm), 3.Vận tốc lắng đọng: ws = 5cm/s 18 4.Độ cao Berm: = 2.0 (m) 5.Độ sâu tới hạn mùa gió Đơng Bắc: dcl = 11.5(m) 6.Độ sâu tới hạn mùa gió Tây Nam: dcl = 4.4(m) Các tham số hiệu chỉnh mơ hình: 1.Cơng thức xác định hàm f(t): f(t) = Hb(t)/ ws*T(t) 2.Các hệ số hiệu chỉnh: -Hệ số bồi: Khoảng giá trị (2.10-6 – 2.10-3), TB =4,5.10-5 -Hệ số xói: Khoảng giá trị (10-5-10-2), TB = 2,5.10-4 Đánh giá vai trò sóng và mực nước đến diễn biến đường bờ: Tính tốn mơ hình vị trí x = 250m với riêng độ cao sóng cho kết số NMSE sau: Hình So sánh vị trí đường bờ tính tốn giải đốn từ Camera (tính theo đợ cao sóng) Hình So sánh vị trí đường bờ tính tốn giải đốn từ Camera (tính theo sóng mực nước) Như vậy, tính tốn riêng với sóng sóng kết hợp với mực nước cho thấy số NMSE giảm từ 0.48 cịn 0.31 hay dao động mực nước có vai trị đáng kể diễn biến đường bờ 3.3.7.Mô diễn biến đường bờ Mơ hình sau hiệu chỉnh áp dụng mô cho giai đoạn từ 1/1/2013 đến 31/12/2017 mặt cắt tương ứng Kết mơ hình phân tích theo quy mơ kiện gió mùa, áp thấp nhiệt đới bão Hơn nữa, kết phân tích điều hịa để từ xác định tỷ trọng quy mơ thời gian gắn liền với biến động bãi biển Hình Diễn biến vị trí đường bờ vị trí x= 250m (theo kết mơ hình) 19 3.3.8.Diễn biến đường bờ theo mùa Kết mô đường bờ vị trí x=250m trích xuất phân tích kết làm đại diện cho bãi biển quan tâm Trong thời kỳ mùa gió Tây Nam, bãi biển có xu hướng mở rộng từ đầu tháng lớn vào khoảng tháng Trong tháng mùa gió Đơng Bắc lớn đạt 15m Giai đoạn xói mạnh vào tháng 11, 12 tháng năm sau Hiện tượng xói lớn có kết hợp sóng lớn mùa gió Đơng Bắc mực nước lớn Các kết cho thấy bãi biển có xu hướng bị xói đặc biệt bãi bị xói mạnh vào ngày có gió mùa mạnh (cuối tháng 12/2013 cuối tháng 01/2014) ảnh hưởng bão (Nari 14/10/2013 Haiyan 10/11/2013) Tuy nhiên, sau đợt gió mùa mạnh, đường bờ khơi phục lại (trong vòng vài ngày) Hơn nữa, tháng mùa gió Đơng Bắc mực nước lớn làm cho vị trí đường bờ xói sâu 3.3.9.Diễn biến đường bờ bão điển hình Bão Nari Haiyan không đổ vào khu vực bãi tắm Nha Trang ảnh hưởng bão đến biến động bờ bãi chủ yếu trình lan truyền sóng lừng từ ngồi khơi phát sinh thời gian bão Kết tính tốn mơ hình cho thấy đường bờ bị xói sâu đến 2m Hình Diễn biến đợ cao sóng khoảng thời gian bão Nari và Haiyan Hiện tượng xói xảy có ảnh hưởng tượng bão Sự ảnh hưởng bão Nari rõ ràng so với bão Haiyan cường độ lớn so với bão Nari 3.3.10.Diễn biến đường bờ theo kiện, đợt gió mùa Diễn biến vị trí đường bờ có quan hệ mật thiết với diện đợt gió mùa, bão nước dâng Nguyên nhân mối quan hệ sóng truyền từ ngồi khơi vào kết hợp với dao động mực nước làm ảnh hưởng đến bãi biển Nha Trang 3.3.11 Mối liên hệ biến động đường bờ với mực nước và độ cao sóng Hình 3.9 cho thấy mối liên hệ diễn biến độ cao sóng, mực nước vị trí đường bờ 20 Hình Diễn biến vị trí đường bờ, đợ cao sóng mực nước (các giá trị trung bình ngày) Tiến hành tính tốn hệ số tương quan độ cao sóng, mực nước vị trí đường bờ (giá trị trung bình ngày) cho thời gian từ 1/1/2014 đến 31/10/2016 thu được: Hệ số tương quan mực nước vị trí đường bờ: 0.35 Hệ số tương quan độ cao sóng vị trí đường bờ: 0.55 Xét riêng với mùa hệ số tương quan thu sau: Tương quan độ cao sóng vị trí đường bờ thời kỳ gió mùa gió Đơng Bắc Bắc: 0.66 Tương quan mực nước vị trí đường bờ thời kỳ gió mùa gió Đơng Bắc Bắc: 0.03 Tương quan độ cao sóng vị trí đường bờ thời kỳ gió mùa Tây Nam: 0.25 Tương quan mực nước vị trí đường bờ thời kỳ gió mùa Tây Nam: 0.45 Xét tổng thể tương quan độ cao sóng với vị trí đường bờ lớn so với tương quan mực nước với vị trí đường bờ hay độ cao sóng có ý nghĩa lớn so với mực nước diễn biến đường bờ Trong mùa gió Đơng Bắc, hệ số tương độ cao sóng vị trí đường bờ tăng lên (0.66 >0.55) hệ số tương quan mực nước so với vị trí đường bờ giảm xuống (0.03