Nội dung

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT (BẢN DỰ THẢO BẢO VỆ CẤP TRƯỜNG) HÀ NỘI, NĂM 2017 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS NGUYỄN TRUNG VIỆT 2. GS. TS. HITOSHI TANAKA HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Lê Thanh Bình i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng gửi lời cám ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Trung Việt đã hướng dẫn cho tác giả tiếp cập bầu trời nghiên cứu khoa học rộng mở, cũng như tác phong làm việc chuyên nghiệp và hội nhập với quốc tế. Tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng tới GS.TS. Hitoshi Tanaka đã truyền cho tác giả tinh thần nghiên cứu kiên nhẫn, luôn nỗ lực cố gắng làm việc, và phấn đấu không ngừng. Bên cạnh sự hướng dẫn tận tình của tập thể GVHD, tác giả xin chân thành gửi lời cám ơn tới GS.TS.NGND. Phạm Ngọc Quý; GS.TS.NGND. Nguyễn Chiến đã đóng góp những ý kiến quý báu để tác giả đạt được kết quả nghiên cứu hôm nay; NCS. Dương Hải Thuận đã đồng hành cùng tác giả trong quá trình nghiên cứu; TS. Nguyễn Xuân Tính và TS. Nguyễn Văn Thìn đã tận tình giúp đỡ để tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả xin cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài Nghị định thư cấp nhà nước giữa Việt Nam và Cộng hòa Pháp: “Nghiên cứu chế độ thủy động lực học và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông và bờ biển vịnh Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa” đã cho phép tác giả là thành viên chính, trực tiếp tham gia nghiên cứu và sử dụng các số liệu của Đề tài. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo ĐH&SĐH, khoa Công trình, khoa Kỹ thuật biển, Bộ môn Thủy công - Khoa Công trình trường Đại học Thủy lợi; Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Khánh Hòa và Tổng Công ty TVXD TL Việt Nam - CTCP (HEC) cùng các bạn bè, đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và động viên tác giả trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng là sự biết ơn vô hạn được gửi tới gia đình đã luôn sát cánh động viên, cảm thông, chia sẻ để tác giả duy trì nghị lực vượt qua chặng đường đầy khó khăn trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án Lê Thanh Bình ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH CÁC THUẬT NGỮ ................xi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................4 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu .....................................................5 4.1 Cách tiếp cận ..................................................................................................5 4.2 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................5 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................6 5.1 Ý nghĩa khoa học ............................................................................................6 5.2 Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................7 6. Cấu trúc của luận án .......................................................................................7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN BÃI BIỂN VÀ CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN...............................................................................8 1.1 Khái niệm chung ................................................................................................8 1.1.1 Khái niệm bãi biển ......................................................................................8 1.1.2 Khái niệm công trình bảo vệ bãi biển .........................................................9 1.2 Tổng quan nghiên cứu diễn biến bờ biển trên thế giới ....................................11 1.2.1 Nghiên cứu từ số liệu thực đo ...................................................................12 1.2.2 Công nghệ viễn thám ................................................................................13 1.2.3 Công nghệ phân tích ảnh từ video-camera ................................................15 1.2.4 Phương pháp phân tích EOF .....................................................................17 1.2.5 Phương pháp sử dụng mô hình toán..........................................................18 1.2.6 Phương pháp sử dụng mô hình vật lý .......................................................26 1.2.7 Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System - GIS) .........27 iii 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 ..........................................................................29 1.3.1 Hiện trạng diễn biến bờ biển Việt Nam ....................................................29 1.3.2 Các nghiên cứu về lĩnh vực diễn biến bờ biển Việt Nam .........................29 1.3.3 Các công trình bảo vệ bờ, tôn tạo bãi........................................................32 1.4 Hiện trạng bãi biển Nha Trang và những nghiên cứu liên quan ......................35 1.4.1 Các công trình xây dựng ở bãi biển Thành phố Nha Trang ......................35 1.4.2 Hiện trạng diễn biến bãi biển ở thành phố Nha Trang ..............................37 1.4.3 Những nghiên cứu liên quan đến bờ biển Nha Trang ...............................39 1.5 Kết luận chương 1 ............................................................................................40 1.5.1 Các vấn đề tồn tại của các nghiên cứu trước đây ......................................40 1.5.2 Định hướng nội dung nghiên cứu của luận án ..........................................42 CHƯƠNG 2 2.1 CƠ SỞ LÝ LUẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................44 Phương pháp khảo sát thực địa ........................................................................44 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 .................................................................51 2.2.1 Cơ sở khoa học của công nghệ phân tích đường bờ, trắc ngang bãi biển .51 2.2.2 Cơ sở khoa học của công nghệ xác định các đặc trưng sóng bằng hệ thống video-camera .........................................................................................................63 2.3 Phương pháp phân tích EOF ............................................................................64 2.4 Phương pháp mô hình toán mô phỏng diễn biến đường bờ .............................67 2.4.1 Phương trình cơ bản của mô hình .............................................................67 2.4.2 Lưu lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ ......................................................69 2.4.3 Độ sâu vận chuyển bùn cát dọc bờ ............................................................70 2.4.4 Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát Dc ....................................................71 2.4.5 Mô hình truyền sóng nước nông ...............................................................74 2.4.6 Tính sóng vỡ khi có công trình .................................................................75 2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................76 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ DIỄN BIẾN ĐƯỜNG BỜ TẠI BÃI BIỂN TRUNG TÂM THÀNH PHỐ NHA TRANG.....................................................78 3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................78 3.2 Đánh giá diễn biến đường bờ bằng công nghệ phân tích ảnh video-camera ...79 iv 3.3 Phân tích diễn biến đường bờ bằng phương pháp EOF. ..................................81 3.4 Xác định chiều cao sóng vỡ từ ảnh video-camera ...........................................91 3.5 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát khu vực bãi biển Nha Trang ...95 3.5.1 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát bằng công thức kinh nghiệm 95 3.5.2 Xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát bằng số liệu đo địa hình ...97 3.5.3 Thiết lập công thức tính độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát cho bãi biển trung tâm TP Nha Trang ......................................................................................100 3.6 Ứng dụng mô hình để mô phỏng diễn biến đường bờ ...................................103 3.6.1 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình ......................................................103 3.6.2 Phân tích diễn biến đường bờ tại bãi biển trung tâm thành phố Nha Trang 106 3.7 Kết luận chương 3 ..........................................................................................107 CHƯƠNG 4 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH BẢO VỆ BÃI BIỂN TRUNG TÂM THÀNH PHỐ NHA TRANG ............................................................................109 4.1 Mục tiêu giải pháp công trình bảo vệ bãi biển thành phố Nha Trang ...........109 4.2 Quy hoạch mặt bằng không gian bố trí công trình ........................................109 4.2.1 Tác dụng của đê ngầm phá sóng ở Nha Trang ........................................110 4.2.2 Các căn cứ nghiên cứu phương án bố trí công trình. ..............................112 4.2.3 Các phương án quy hoạch mặt bằng không gian ....................................113 4.2.4 Nhận xét kết quả......................................................................................127 4.3 Kết luận chương 4 ..........................................................................................128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................134 PHỤ LỤC ....................................................................................................................142 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. Bãi biển bị suy thoái sau khi lấn biển khu vực Ba Làng ....................................2 Hình 2. Cửa sông Cái trước và sau khi có cầu Trần Phú (Nguồn: internet) ...................2 Hình 3. Thực trạng bãi biển Nha Trang năm 2006 và tháng 5/2013 ...............................3 Hình 4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................5 Hình 1.1 Mặt cắt ngang điển hình của bãi biển [3] .........................................................9 Hình 1.2 Vị trí các trạm quan trắc Argus bằng camera trên toàn thế giới ....................16 Hình 1.3 Trạm quan trắc Argus bằng camera ở Hà Lan ...............................................17 Hình 1.4 Tiếp cận mô hình theo quy mô không gian và thời gian [23] ........................18 Hình 1.5 Quá trình lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào bờ.......................................21 Hình 1.6 Định nghĩa độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát (Hallermeier (1981)) [32] ..25 Hình 1.7 Tường chắn sóng bảo vệ bờ đảo ở quần đảo Trường Sa (chụp 04/2016) ......33 Hình 1.8 Công trình bảo vệ bãi biển tại Sun Spa Resort Quảng Bình (T07/2013) .......33 Hình 1.9 Bãi biển Nhơn Lý, TP Quy Nhơn, tỉnh Bình Định.........................................34 Hình 1.10 Đập mỏ hàn chắn sóng cửa Tam Quan, tỉnh Bình Định (chụp T07/2016) ..34 Hình 1.11 Hiện trạng xói lở bở (chụp 09/2015) ............................................................34 Hình 1.12 Khảo sát xói bồi cửa sông và bờ biển ở Bình Thuận (chụp T07/2013) .......35 Hình 1.13 Công trình kè bảo vệ bờ và tường chắn sóng dọc bãi biển Nha Trang ........35 Hình 1.14 Đập mỏ hàn khu vực Khách sạn 378 xây dựng năm 1993 (Tháng 12/2015) .......................................................................................................................................36 Hình 1.15 Công trình cầu cảng Vinpearl. ......................................................................36 Hình 1.16 Bãi biển trước UBND tỉnh Khánh Hòa ........................................................37 Hình 1.17 bãi biển Thành phố Nha Trang dưới tác động của công trình (T12/2015) ...38 Hình 1.18 Hình ảnh bãi biển Nha Trang do tác động của sóng lớn ..............................39 Hình 1.19 Sơ đồ nghiên cứu của luận án .......................................................................43 Hình 2.1 Thiết bị khảo sát .............................................................................................46 Hình 2.2 Khu vực lắp cảm biến áp lực (Pressure Sensor) đo sóng và vị trí sóng vỡ xẩy ra ngẫu nhiên tại các thời điểm khác nhau (ảnh chụp từ camera) .................................47 Hình 2.3 Vị trí thiết bị cảm biến áp lực đo sóng khu vực sóng vỡ và sóng leo ............47 Hình 2.4 Lắp đặt cảm biến áp lực đo sóng khu vực sóng vỡ và sóng leo .....................47 Hình 2.5 Lắp đặt thiết bị đo hải văn ..............................................................................48 Hình 2.6 Bình đồ địa hình đo tháng 5/2013 ..................................................................48 Hình 2.7 Trích số liệu mực nước đồng thời tại các Pressure Sensor ............................49 Hình 2.8 Quan trắc sóng vỡ bằng mắt kết hợp thước đo thực hiện tháng 12/2013 .......50 Hình 2.9 Quan hệ hình học giữa tâm Camera (XC,YC,ZC), tọa độ ảnh (u,v) và tọa độ thực (X,Y,Z) [75]...........................................................................................................51 Hình 2.10 Vị trí lắp đặt Camera giám sát diễn biến đường bờ tại Vịnh Nha Trang .....53 Hình 2.11 Mối tương quan giữa tọa độ tính toán từ Camera và tọa độ GCP ................54 Hình 2.12 Kết quả tính toán tọa độ thực từ video-camera và tọa độ GCP ....................54 vi Hình 2.13 Mối quan hệ giữa sai số tính toán và tiêu cự f của Camera phía Bắc ..........54 Hình 2.14 Kết quả xử lý video từ Camera phía Nam lúc 12:00 ngày 1/7/2013 ............55 Hình 2.15 Mô tả nhận diện đường bờ và kết quả giải đoán đường bờ dựa trên ảnh Camera (với x, y là đơn vị pixel) ...................................................................................56 Hình 2.16 Tổng hợp đường bờ giải đoán trong ngày ....................................................56 Hình 2.17 Mặt cắt ngang bãi biển một số ngày điển hình mùa hè ................................57 Hình 2.18 Mặt cắt ngang bãi một số ngày điển hình mùa đông ....................................58 Hình 2.19 Ảnh chụp từ Camera phía Nam ảnh hưởng bão Nari ...................................59 Hình 2.20 Ảnh chụp từ Camera phía Nam ảnh hưởng bão Haiyan ..............................60 Hình 2.21 Đo đạc địa hình để kiểm nghiệm thông số mô hình giải đoán trong điều kiện có bão (Ảnh chụp từ Camera trước khi bão Haiyan ngày 09/11/2013) ........................60 Hình 2.22 Diễn biến đường bờ từ 1/6/2013 – 30/4/2014 ..............................................61 Hình 2.23 Diễn biến đường bờ trước và sau bão Nari (14/10), Haiyan (10/11) ...........61 Hình 2.24 Phân tích ảnh hưởng của bão Nari bằng công nghệ video-camera ..............62 Hình 2.25 Phân tích ảnh hưởng của bão Haiyan bằng công nghệ video-camera ..........62 Hình 2.26 Cơ sở phân tích chu kỳ sóng và vận tốc đầu sóng ........................................64 Hình 2.27 Cơ sở nguyên lý giải đoán chiều cao sóng vỡ [77] ......................................64 Hình 2.28 Biểu đồ giả thiết vận chuyển bùn cát [25] ....................................................68 Hình 2.29 Sơ đồ vận chuyển bùn cát từ thềm bãi đến độ sâu giới hạn [83]..................68 Hình 2.30 Sơ đồ tính sóng nhiễu xạ trường hợp đập phá sóng [83]..............................76 Hình 3.1 Diễn biến đường bờ thực đo từ năm 2006 đến tháng 5/2013 .........................78 Hình 3.2 Vị trí bãi biển trước UBND tỉnh Khánh Hòa .................................................79 Hình 3.3 Trích diễn biến đường bờ từ T05/2013 đến T12/2015 (tọa độ VN2000).......80 Hình 3.4 Diễn biến đường bờ từ tháng 05/2013 đến tháng 12/2015 tại các mặt cắt .....81 Hình 3.5 Sơ đồ phân tích diễn biễn đường bờ theo phương pháp EOF ........................82 Hình 3.6 Kết quả tính thành phần C1 từ T05/2013 đến T12/2015 ................................83 Hình 3.7 Kết quả tính thành phần E1 theo dọc bờ .........................................................83 Hình 3.8 Tổ hợp E1C1 theo không gian và thời gian từ T05/2013 đến T12/2015 .........83 Hình 3.9 Kết quả tính thành phần C2 từ T05/2013 đến T12/2015 ................................84 Hình 3.10 Kết quả tính thành phần E2 theo dọc bờ .......................................................84 Hình 3.11 Tổ hợp E2C2 theo không gian và thời gian từ T05/2013 đến T12/2015 .......84 Hình 3.12 Kết quả tính thành phần C3 từ T05/2013 đến T12/2015 ..............................85 Hình 3.13 Kết quả tính thành phần E3 theo dọc bờ .......................................................85 Hình 3.14 Tổ hợp E3C3 theo không gian và thời gian từ T05/2013 đến T12/2015 .......85 Hình 3.15 Quá trình theo thời gian thành phần C1(t) và giá trị trung bình C1 ..............86 Hình 3.16 Phân tích Fourier giá trị trung bình C1 .........................................................86 Hình 3.17 Phương trình hồi quy thành phần E1 ............................................................87 Hình 3.18 So sánh vị trí đường bờ giữa camera và phương trình dự báo EOF.............88 Hình 3.19 Xu thế giữa chiều cao sóng ngoài khơi và thành phần C1 ............................89 Hình 3.20 Xu thế giữa thành phần C1(t) và tỉ lệ vận chuyển bùn cát dọc bờ ................90 vii Hình 3.21 Sơ đồ mô hình giải đoán chiều cao sóng ......................................................91 Hình 3.22 Phân tích chu kỳ sóng từ mặt cắt ngang .......................................................92 Hình 3.23 Quá trình phân tích chiều cao sóng vỡ theo cường độ sáng .........................92 Hình 3.24 Kết quả giải đoán chiều cao và chu kỳ sóng vỡ tháng 12/2013 từ ảnh videocamera so sánh số liệu thực đo của các trạm C gần bờ .................................................93 Hình 3.25 Kết quả giải đoán chiều cao và chu kỳ sóng vỡ từ ảnh video-camera và số liệu thực đo trạm A ........................................................................................................94 Hình 3.26 Tương quan giữa chiều cao sóng vỡ từ ảnh video-camera và số liệu sóng thực đo trạm A ...............................................................................................................94 Hình 3.27 So sánh kết quả tính sóng năm 2013 tại trạm A ...........................................95 Hình 3.28 Vị trí các trạm đo sóng ngoài khơi trong phạm vi nghiên cứu .....................96 Hình 3.29 Vị trí mặt cắt xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát.........................98 Hình 3.30 Số liệu đo các mặt cắt ngang xác định độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát 99 Hình 3.31 Phạm vi vận chuyển bùn cát dọc bờ từ KS 378 đến cầu cảng Vinpearl.....100 Hình 3.32 Đánh giá sai số Dc giữa thực đo và tính toán từ công thức (3-7)...............102 Hình 3.33 Sơ đồ mô phỏng mô hình toán....................................................................104 Hình 3.34 Kết quả mô phỏng đường bờ tháng 12/2013 ..............................................104 Hình 3.35 Diễn biến đường bờ mô phỏng đường bờ và kiểm định mô hình ..............105 Hình 3.36 Kết quả mô phỏng đường bờ tháng 12/2013 từ cửa sông Cái đến cầu cảng Vinpearl (với dữ liệu đầu vào năm 2006)....................................................................106 Hình 4.1 Rạn san hô trước KS VDB ...........................................................................110 Hình 4.2 Sơ họa rạn san hô và bãi biển trước KS VDB ..............................................111 Hình 4.3 Sơ họa đê ngầm phá sóng tách rời ................................................................112 Hình 4.4 Sơ đồ thực hiện mô phỏng các phương án ...................................................114 Hình 4.5 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1a .................117 Hình 4.6 Phương án 1b ................................................................................................117 Hình 4.7 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1b..................117 Hình 4.8 Phương án 1c ................................................................................................118 Hình 4.9 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1c ..................118 Hình 4.10 Phương án 1d ..............................................................................................118 Hình 4.11 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1d................118 Hình 4.12 Phương án 1e ..............................................................................................119 Hình 4.13 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 1e ................119 Hình 4.14 Phương án 2a ..............................................................................................119 Hình 4.15 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2a ................119 Hình 4.16 Phương án 2a1 ............................................................................................120 Hình 4.17 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2a1 ..............120 Hình 4.18 Phương án 2b ..............................................................................................120 Hình 4.19 Diễn biến đường bờ một số thời điểm mô phỏng phương án 2b................120 Hình 4.20 Phương án 2c ..............................................................................................121 viii