L ỜI CẢ M ƠN
5. Nội dung luận văn
4.2 Xây dựng phương án nuôi bãi cho bãi biển Cửa Tùng
4.2.1 Xác định khu vực nuôi bãi
Khu vực nuôi bãi sơ bộ xác định là toàn bộ bãi tắm cửa Tùng có chiều dài khoảng 1km được đánh dấu bằng mũi tên hai chiều như trên hình dưới đây:
Hình 4.1: Khu vực nuôi bãi
4.2.2 Xác định kích thước vật liệu nuôi bãi
Kích thước vật liệu nuôi bãi được xác định dựa vào đường kính hạt trung bình. Theo các nghiên cứu trên thế giới, đường kính hạt trung bình của vật liệu nuôi bãi nên lớn hơn hoặc bằng đường kính hạt trung bình của vật liệu tại vị trí nuôi bãi. Đường kính hạt trung bình của vật liệu nuôi bãi lớn đến đâu thì còn tùy thuộc vào điều kiện năng lượng sóng và suất xói lở tại vị trí nuôi bãi. Việc xác định đường kính hạt trung bình của vật liệu nuôi bãi thực ra là bài toán tối ưu. Nếu vật liệu nuôi bãi có đường kính lớn thì vật liệu nuôi bãi sẽ ổn định nhưng không tốt về mặt làm thay đổi môi trường hiện hữu (độ dốc bãi biển lớn, làm hạn chế môi trường sống của các sinh vật ưa bùn cát mịn …).
Dựa trên quan điểm về mặt kỹ thuật, đường kính trung bình của vật liệu nuôi bãi được xác định theo kiến nghị của Asano & Sato (2009) như sau:
( ) 0,67 0 27 , 0 0 . tan . − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = L d L H Cs β
Đường kính hạt trung bình của vật liệu nuôi bãi cần thỏa mãn điều kiện Cs>= 2.5. Trong đó: Giá trị của Cs phụ thuộc vào chiều cao sóng và chu kỳ sóng (Ho, Lo), đường kính hạt trung bình của vật liệu nuôi bãi (d) và độ dốc trung bình của mặt cắt ngang bãi biển hiện hữu (tan β).
Theo biểu bùn cát thì đường kính hạt trung bình của vật liệu tại vị trí nuôi bãi (bãi tắm cửa Tùng) có d50=0.18mm; khối lượng riêng= 2.650 g/cm3.
Chọn đường kính trung bình của vật liệu nuôi bãi là d50=0.2mm, vật liệu nuôi bãi cần đảm bảo điều kiện thô hơn vật liệu tại vị trí nuôi bãi. Kiểm tra điều kiện về hệ số Cs theo kiến nghị của Asano & Sato (2009) ta có:
Cs = (1.6/37.5)x(0.04)0.27x(0.0002/37.5)-0.67 = 61 > 2.5
Như vậy dựa theo đề xuất của Asano & Sato (2009) thì vật liệu nuôi bãi với d50=0.2mm thỏa mãn điều kiện ổn định.
4.2.3 Xác định cao trình nuôi bãi
Cao trình nuôi bãi nên tương đương với cao trình đỉnh bãi tự nhiên. Nếu cao trình nuôi bãi thấp hơn cao trình đỉnh bãi tự nhiên thì sẽ hình thành bậc cát dọc theo đỉnh bãi. Khi đó nếu xảy ra sóng tràn thì sẽ tạo ra các vũng hình thành trên bãi biển. Ngược lại, nếu cao trình nuôi bãi được thiết kế cao hơn cao trình bãi tự nhiên thì bãi biển sau nuôi bãi sẽ dốc hơn bãi biển ban đầu và cũng sẽ tạo ra các bậc cát trên bãi biển. Các bậc cát này gây khó khăn cho sinh vật biển sử dụng bãi biển như là môi trường sống và phát triển và cũng gây khó khăn cho các hoạt động giải trí và nghỉ dưỡng trên bãi biển do bãi biển không bằng phẳng.
Cao trình đỉnh của bãi biển tự nhiên được xác định dựa trên sự phân tích mặt sự thay đổi của mặt cắt ngang bãi biển trong quá khứ và hiện tại. Bởi vì bãi biển hình thành một cách tự nhiên trong điều kiện sóng có năng lượng thấp và sóng có năng lượng cao hoàn toàn khác nhau. Do đó cao trình bãi tự nhiên thay đổi theo các mùa trong năm và theo thời gian nếu có sự thay đổi chế độ động lực sẵn có một cách dài hạn. Khi phân tích các dữ liệu này, ta sẽ tìm ra được ít nhiều quy luật thay đổi của cao trình đỉnh bãi tự nhiên và từ đó
chọn giá trị cao trình đỉnh của bãi tự nhiên theo các phương pháp thống kê phù hợp.
Trong tự nhiên, các bãi biển đẹp thường có độ dốc bãi biển rất nhỏ kéo dài từ chân đụn cát tới mép nước. Do đó, độ dốc bãi biển là một yếu tố rất quan trọng trong công tác thiết kế mặt cắt ngang nuôi bãi thiết kế nuôi bãi, đặc biệt là với các bãi biển có khai thác du lịch. Ngoài ra, bãi biển rộng với mái dốc nhỏ còn có chức năng hạn chế sóng tràn và sự tạo thành ao trên bãi biển. Kinh nghiệm thực tế chỉ ra rằng, độ dốc bãi biển mong muốn nằm trong khoảng từ 1:100 đến 1:150.
Sự thay đổi mặt cắt ngang bãi biển của khu vực bãi tắm Cửa Tùng được đo đạc trong các thời điểm 09/2009 (mùa sóng năng lượng cao), 04/2010 và 06/2012 (mùa sóng ôn hòa) sẽ được so sánh để xác định cao trình bãi tự nhiên. Kết quả của sự thay đổi của các mặt cắt ngang tại các vị trí từ MC1- MC5 thể hiện trong các hình vẽ sau:
Hình 4.3: Sự biến đổi mặt cắt ngang theo thời gian tại vị trí MC2
Hình 4.5: Sự biến đổi mặt cắt ngang theo thời gian tại vị trí MC4
Hình 4.6: Sự biến đổi mặt cắt ngang theo thời gian tại vị trí MC5
Theo kết quả trên thì cao trình đỉnh bãi tự nhiên dao động từ cao trình 1.1 đến 2.0 tùy theo từng vị trí. Do số liệu đo đạc hạn chế nên chưa thể có được các dữ liệu tin cậy hơn để xác định một cách chính xác cao trình đỉnh bãi tự nhiên. Mặt khác, tham khảo và kế thừa kết quả nghiên cứu của đề tài
“Điều tra, đánh giá xâm thực bãi tắm Cửa Tùng tỉnh Quảng Trị” do nhóm nghiên cứu của Đại học Quốc Gia Hà Nội thực hiện năm 2009, thì cao trình đỉnh bãi tự nhiên cũng khoảng 1,2m.Theo đó, cao trình đỉnh bãi tự nhiên xấp xỉ với cao trình mực nước triều cao. Do đó cao trình nuôi bãi nên bằng với cao trình +1.2m.
4.2.4 Xác định chiều sâu nuôi bãi
Chiều sâu giới hạn nuôi bãi trên toàn bộ mặt cắt ngang bãi biển được xác định là vị trí có độ sâu nhất định mà tại đó không có sự thay đổi về cao trình mặt cắt dưới tác động của sóng và dòng chảy, nghĩa là suất vận chuyển bùn cát bằng không thì chiều sâu đó được gọi là chiều sâu tới hạn. Lưu ý rằng, bên ngoài chiều sâu tới hạn, vẫn có sự dao động của hạt bùn cát dưới tác động của sóng nhưng suất vận chuyển bùn cát nhỏ không đáng kể nên coi như bằng không. Như vậy mặt cắt ngang bãi biển chỉ biến đổi bên trong phạm vi chiều sâu tới hạn. Do đó, trong thiết kế nuôi bãi, mặt cắt ngang bãi biển chỉ được quan tâm từ chiều sâu tới hạn trở vào. Trong quá trình mặt cắt ngang nuôi bãi tiến tới mặt cắt ngang cân bằng, vật liệu nuôi bãi sẽ được vận chuyển ra xa tối đa tới chiều sâu tới hạn. Do đó chiều sâu tới hạn có ý nghĩa quan trọng trong việc tính toán thể tích vật liệu nuôi bãi yêu cầu để đạt được chiều rộng nuôi bãi thiết kế mong muốn.
Chiều sâu tới hạn được xác định dựa trên công thức của Hallermier (1981) như sau: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − =2.28 68,5 22 e e e c gT H H h Trong đó:
He và Te lần lượt là chiều cao sóng có nghĩa hiệu quả và chu kỳ sóng có nghĩa hiệu quả tương ứng. He chính là chiều cao sóng có thời gian xuất hiện chiếm 14% tổng thời gian xuất hiện của chiều cao sóng có ý nghĩa. Theo đó, Heđược tính toán theo công thức sau:
H
e H
H = − +5,6σ
Trong đó:
−
H là chiều cao sóng có nghĩa; σH là độ lệch tiêu chuẩn của chiều cao sóng có nghĩa trong chuỗi dữ liệu sóng tính toán.
Theo đó, chiều sâu tới hạn được tính toán xấp xỉ như sau:
H
c H
h = 2 − +11σ
Từ số liệu sóng quan trắc tại trạm Cồn Cỏ (1990-2009) thì chiều cao sóng có nghĩa được xác định tại bảng 4.1: Bảng 4.1: Chiều cao sóng có nghĩa tại trạm Cồn Cỏ (1990-2009) Tháng Hs(m) Độ lệch chuẩn Tháng 1 1.45 0.276 Tháng 2 1.12 0.185 Tháng 3 1.13 0.216 Tháng 4 1.02 0.136 Tháng 5 0.87 0.11 Tháng 6 0.9 0.095 Tháng 7 0.92 0.055 Tháng 8 0.92 0.097 Tháng 9 1.1 0.327 Tháng 10 1.61 0.6 Tháng 11 1.8 0.5 Tháng 12 1.78 0.356 Trung bình năm 1.22 0.25
Do đó chiều sâu tới hạn nuôi bãi cho khu vực bãi biển Cửa Tùng có giá trị như sau:
hc = 2x1.22+11x0.25 = 5.19 (m) 4.2.5 Xác định chiều rộng nuôi bãi
Chiều rộng nuôi bãi thiết kế là chiều rộng bãi biển khô dự kiến đạt được sau khi vật liệu nuôi bãi đã tự sắp xếp lại khi mặt cắt ngang đạt được trạng thái cân bằng. Như vậy, cần phân biệt chiều rộng nuôi bãi thiết kế với chiều rộng nuôi bãi đạt được ngay sau khi thi công nuôi bãi hoàn tất và lưu ý rằng chiều rộng nuôi bãi thiết kế luôn nhỏ hơn chiều rộng bãi ngay sau khi thi công nuôi bãi. Ngay sau khi nuôi bãi hoàn thành sẽ có sự giảm đột ngột chiều rộng bãi do mặt cắt thi công nuôi bãi sẽ tự điều chỉnh để tiến đến mặt cắt ngang cân bằng.
Việc lựa chọn chiều rộng nuôi bãi thiết kế là một bài toán kinh tế - kỹ thuật. Chiều rộng nuôi bãi thiết kế càng lớn thì khả năng bảo vệ của bãi biển đối với các khu vực bên trong nó càng cao. Ngoài ra, bãi biển rộng luôn là điều kiện thuận lợi cho các các hoạt động phát triển du lịch. Tuy nhiên, để có chiều rộng bãi biển lớn thì nguồn vật liệu nuôi bãi sử dụng nhiều và sẽ liên quan đến yếu tố tài chính của dự án.
Do hiện trạng bãi biển Cửa Tùng có chiều rộng bãi tắm hiện hữu khá hẹp, và đây là bãi biển phục vụ du lịch, do đó kiến nghị chiều rộng nuôi bãi thiết kế là 20m. Chiều rộng nuôi bãi sẽ được tính từ cao trình +1,2 trở ra.
4.2.6 Tính toán thể tính vật liệu nuôi bãi yêu cầu
Từ các kết quả tính toán xu thế vận chuyển bùn cát khu vực bãi biển Cửa Tùng phía trên cho thấy hàng năm khu vực này bị xói một lượng bùn cát lớn, để bù đắp lượng bùn cát bị thiếu hụt này, giải pháp nuôi bãi được thực hiện với mặt cắt ngang nuôi bãi được xác định dựa trên công thức của Hallermier (1981) và của Dean (2002) như sau:
Hình 4.7: Mặt cắt ngang trước và sau khi nuôi bãi
Trong đó:
W là chiều rộng nuôi bãi thiết kế. Chiều rộng nuôi bãi thiết kế đã lựa chọn là: W = 20m
B là khoảng cách từ cao trình nuôi bãi tới mực nước biển trung bình. Như đã xác định ở phần trên, cao trình nuôi bãi là = + 1.2m (Hệ cao độ lục địa); cao trình mực nước biển trung bình là + 0.6m (Hệ cao độ lục địa). Khoảng cách B có giá trị: B = 0.6m.
Dc là chiều sâu tới hạn (hay ta đã đặt là hc và đã tính toán ở phần trên) có giá trị bằng Dc = 5.2m.
Kiểm tra điều kiện mặt cắt ngang giao cắt theo công thức sau: 1 2 / 3 2 / 3 < ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ F N C N A A D A W
Trong đó: AN và AF lần lượt là hệ số tỉ lệ bùn cát của vật liệu tại vị trí nuôi bãi và vật liệu nuôi bãi. Tra bảng thực nghiệm của Dean ta có:
AN = 0.0936 (ứng với D50 = 0.18mm)
và AF = 0.135 (ứng với d50 = 0.2mm).
Thay số vào ta có:
20*(0.0939/5.2)3/2+(0.0936/0.135)3/2 = 0.625 < 1
( 3/2 3/2)2/3 3 / 5 5 3 . N F F N A A A A W B W V − =
Thay các giá trị vào công thức trên ta có thể tích vật liệu nuôi bãi cần thiết trên một mét chiều dài bờ biển để đạt được chiều rộng nuôi bãi thiết kế 20m là:
V = 95 (m3/m)
4.2.7 Xác định chu kỳ nuôi bãi
Việc xác định chu kỳ nuôi bãi được xác định tùy thuộc vào quan điểm của mỗi quốc gia và điều kiện kinh tế kỹ thuật cụ thể của từng dự án. Ở Hà Lan chu kỳ nuôi bãi trung bình là 5 năm, ở Pháp trung bình là 6 năm, Đức lại có chu kỳ nuôi bãi trung bình dài đáng ngạc nhiên tới gần 20 năm, trong khi đó Nhật lại kiến nghị nuôi bãi hàng năm do yêu cầu bảo vệ cao cho các khu dân cư và cơ sở hạ tầng tập trung sát biển.
Đối với bãi biển Cửa Tùng, khu vực dự kiến nuôi bãi có chiều dài 1km và tổng lượng bùn cát xói lở bị mất đi hàng năm là 31609 m3/năm. Do đó, với thể tích vật liệu nuôi bãi là 95 (m3/m) hay tổng lượng vật liệu nuôi bãi cho 1km là 95000 m3 thì chu kỳ nuôi bãi ước tính sơ bộ là:
t = 95000/31609 = 3 năm
4.2.8 Xác định thời điểm nuôi bãi
Việc xác định thời điểm nuôi bãi hợp lý và tốt nhất là nên chọn vào thời gian biển lặng, ít chịu ảnh hưởng của sóng, gió và dòng chảy ven bờ.
Do khu vực nuôi bãi là bãi tắm Cửa Tùng nên nếu nuôi bãi vào mùa hè sẽ ảnh hưởng đến hoạt động du lịch. Vì vậy thời điểm nuôi bãi kiến nghị lựa chọn vào cuối mùa du lịch.
4.3 Mô hình hóa và đánh giá hiệu quả của phương án nuôi bãi cho bãi biển Cửa Tùng
Để đánh giá được hiệu quả của việc nuôi bãi khu vực bãi biển Cửa Tùng ứng với mặt cắt ngang nuôi bãi đã được xây dựng ở trên, nghiên cứu sử dụng mô hình LITPRO để tính toán diễn biến mặt cắt ngang theo chu kỳ nuôi bãi.
Điều kiện đầu vào bao gồm: mặt cắt ngang đại diện khu vực bãi biển Cửa Tùng, số liệu biên sóng được tính toán và thống kê từ số liệu sóng thực đo tại trạm Cồn Cỏ (1999-2009) và đưa về chiều cao sóng tương đương theo từng hướng; đường kính hạt bùn cát trung bình d50 = 0.18mm. Thời gian tính toán là 3 năm. Trong quá trình tính toán không xét tới dao động mực nước thủy triều. Mực nước tính toán là MNTB (0).
Kết quả tính toán diễn biến theo từng năm được thể hiện ở hình 14, hình 15, hình 16 và hình 17:
Hình 4.8: Mặt cắt ngang sau khi nuôi bãi
Hình 4.10: Mặt cắt ngang sau khi nuôi bãi 2 năm
Hình 4.11: Mặt cắt ngang sau khi nuôi bãi 3 năm
Bảng 4.2: Diễn biến mặt cắt ngang nuôi bãi
Thời gian Dịch chuyển đường bờ (m)
Chiều sâu xói (m) Diện tích xói gần bờ (m2) Năm 1 -6 -1.06 50 Năm 2 -3 -0.61 23 Năm 3 -2 -0.47 10 Tổng cộng -11 2.14 83
Nhận xét: Như vậy sau khi nuôi bãi với tổng lượng bùn cát được tính toán và thiết kế mặt cắt ngang cho 3 năm, cho thấy dưới ảnh hưởng của sóng làm cho mặt cắt ngang bị lùi sâu vào phía trong theo thời gian, lượng bùn cát phía trong bờ được sóng kéo ra phía ngoài xa gây xói lở phía bờ. Kết quả tính toán sau 3 năm cho thấy phía bãi trên của mặt cắt ngang nuôi bãi vẫn đảm bảo chưa bị lấn sâu vào phía trong so với đường bờ ban đầu, lượng bùn cát phía trong được đưa ra tạo thành các cồn cát phía ngoài sẽ làm giảm chiều cao sóng khi lan truyền vào bờđẫn đến làm giảm xói lở phía trong.
Các kết quả trình bày tài các hình 4.8 đến hình 4.12 và tại Bảng 4.2 cho thấy sau ba năm đường bờ sẽ bị thoái lui và dịch chuyển vào trong đất liền khoảng 11m, với tốc độ xói giảm dần theo thời gian. Chiều sâu xói và diện tích xói lở cũng phản ánh xu thế giảm dần theo thời gian. Trong đó năm đầu tiên là năm có tốc độ xói và thoái lui của đường bờ lớn nhất.
Hiện tượng dịch chuyển bùn cát theo phương ngang có thể quan sát rõ tại Hình 18, khi so sánh vị trí các mặt cắt ngang 1, 2 và 3 năm sau khi nuôi bãi. Sau 3 năm, bãi trên của bờ biển vẫn còn được duy trì nhưng đã thoái lui 11 m so với trạng thái ban đầu sau khi nuôi bãi. Mặt trước của bãi biển có độ