Xác định kích thước yêu cầu đảm bảo ổn định của cồn cát ven biển miền Trung từ Quảng Ngãi đến Bình Thuận

Bài viết phản ánh phương pháp xác định kích thướng yêu cầu của cồn cát ven biển và vận dụng trong tính toán kích thước của cồn cát ven biển miền Trung Việt Nam với một tiêu chuẩn an toàn xác định. Kết quả nghiên cứu được ứng dụng cho định hướng quy hoạch cồn cát ven biển và đáp ứng các yêu cầu quản lý.

MỞ ĐẦU

Việc đánh giá ổn định và khả năng bảo vệ của cồn cát ven biển nói chung đòi hỏi có các phân tích mang tính khoa học và thực tiễn rất cao. Thông thường việc đánh giá này được thực hiện thông qua các phương pháp và tiêu chí cụ thể, ví dụ như: khả năng ổn định và có thể bị phá hủy của cồn cát dưới các tác động của sóng, dòng chảy ven trong các điều kiện bão. Đặc biệt là xác định được yêu cầu tối thiểu về quy mô hình học của cồn cát như chiều cao đỉnh và chiều rộng đủ khả năng không bị mất ổn định do xói lở cũng như bị tràn…[5]. 

Tuy nhiên ở các nước trên thế giới việc sử dụng các phương pháp cũng như tiêu chí có khác nhau. Đối với Hà Lan, yêu cầu về quy mô đối với cồn cát ven biển để bảo vệ các vùng đất thấp phía sau (cùng với hệ thống đê biển) là rất cao, tiêu chuẩn tính toán đánh giá khả năng bảo vệ của cồn cát thường ngang với đê biển và đã được đưa vào thành các chỉ dẫn thiết kế rất chi tiết và khoa học [4].  Để làm được điều này đòi hỏi có hệ thống số liệu cơ bản đầy đủ và quan trắc trong nhiều năm cũng như các công cụ tính toán riêng phù hợp với điều kiện thực tế về địa hình, hải văn, khí tượng. Quan trọng hơn nữa là kinh nghiệm phân tích và khả năng đưa ra các quyết định mang tính kỹ thuật phù hợp với thực tế.

Hiện tại ở Việt Nam không có đủ  khả năng, điều kiện vận dụng các phương pháp xác định quy mô và khả năng ổn định của  Hà lan, vì vậy chúng tôi đã tìm hiểu và vận dụng một số kết quả, tài liệu chỉ dẫn và tư vấn của một số chuyên gia của Mỹ, Úc để đưa ra một phương pháp đánh giá phù hợp và có thể chấp nhận, thực hiện  được trong điều kiện Việt Nam.

I. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CỒN CÁT VEN BIỂN

Xác định được kích thước của cồn cát đảm bảo ổn định dưới tác động của các yếu tố hải văn trong bão là một trong các yêu cầu khi nghiên cứu xác định vai trò và khả năng bảo vệ của cồn cát đối với hạ tầng dân sinh phía sau. Dưới đây sẽ phân tích và xác định phương pháp tính toán cao độ và chiều rộng yêu cầu của cồn cát ven biển.

I.1 Xác định cao độ yêu cầu của cồn cát ven biển

Cao độ yêu cầu của cồn cát là cao độ đảm bảo không cho phép sóng theo tần xuất thiết kế tràn qua đỉnh cồn cát hay cao độ đỉnh cồn cát phải lớn hơn cao độ lớn nhất của sóng leo trên mái cồn cát phía biển. Việc tính toán cao độ yêu cầu của cồn cát tham khảo và áp dụng tiêu chuẩn thiết kế đê biển [2].

I.2  Xác định chiều rộng yêu cầu của cồn cát

Chiều rộng yêu cầu của cồn cát là chiều rộng tối thiểu đảm bảo cồn cát ổn định và không bị ảnh hưởng bởi tác động của xói lở.

Để xác định được chiều rộng cồn cát, chúng tôi đã nghiên cứu áp dụng phương pháp tính toán nêu trong chỉ dẫn quản lý cồn cát ven biển (Coast dune management guide, 1986) của Viện nghiên cứu các vấn đề sinh thái - Anh. Phương pháp tính toán dựa trên nguyên lý cân bằng động lực của khối cồn cát trong điều kiện tự nhiên [3]

Hình 1: Thể hiện mối quan hệ giữa  cao độ và chiều rộng cồn cát (theo số liệu cồn cát ở Anh)

Theo nguyên lý cân bằng động lực, mỗi cồn cát  phải tồn tại sự cân bằng giữa chiều cao với chiều rộng dựa trên độ dốc phía trước và sau cồn cát, đây là cách tiếp cận thích hợp để xác định chiều rộng cồn cát. Tuy nhiên, thực tế đã cho thấy sự cân bằng giữa các các kích thước  của cồn cát có sự biến động trong một giới hạn nào đó.

Từ các kết quả nghiên cứu khảo sát đánh giá ổn định trong thực tế của rất nhiều cồn cát các nhà khoa học Anh có nhận xét rằng: cồn cát với cùng một chiều cao có thể tồn tại các chiều rộng cân bằng khác nhau, và điều này đặt ra câu hỏi là liệu có hay không mối tương quan nào đó  giữa chúng.

Để làm rõ nguyên lý trên, các nhà khoa học Anh đã  khảo sát và đưa ra  các số liệu về chiều cao, chiều rộng cồn cát ở nhiều vị trí, sau đó xây dựng mối tương quan giữa chiều cao và chiều rộng cồn cát. 

Các phần tiếp sau của báo cáo sẽ áp dụng phương pháp tính toán các kích thước yêu cầu đảm bảo ổn định của cồn cát ven biển theo mặt cắt ngang ( ứng với một tần suất tính toán ) cho cồn cát ven biển từ Quảng Ngãi đến Bình Thuận

II. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN KÍCH THƯỚC YÊU CẦU CỦA CỒN CÁT VEN BIỂN MIỀN TRUNG

II.1 Trình tự tính toán

- Tính toán cao độ tối thiểu cồn cát chống được sóng tràn

+ Sơ đồ hóa mặt cắt cồn cát và bãi biển trước cồn cát

+ Phân tích xác định tiêu chuẩn an toàn và tần xuất tính toán

+ Xác định  thông số mực nứơc và sóng thiết kế tại  vị trí tính toán

+ Tính toán sóng leo trên mái cồn cát

+ Tính toán cao độ tối thiểu của đỉnh cồn cát cần có để đảm bảo không bị tràn do sóng leo

 - Trên cơ sở cao độ của cồn cát, phân tích xác định chiều rộng yêu cầu của cồn cát

II.2. Tính toán cao độ  yêu cầu của cồn cát

a) Sơ đồ hóa mặt cắt cồn cát và bãi biển trước cồn cát

Để có thể tính toán sóng leo trên mái cồn cát, các mặt cắt ngang cồn cát – bãi biển trước cồn cát được sơ đồ hóa theo dạng sau:

b)  Phân tích xác định tiêu chuẩn an toàn và tần xuất tính toán [2]. 

Hinh 2: Sơ đồ hóa một số mặt cắt ngang cồn cát đại diện tại tỉnh Quảng Ngãi [1]

Quản lý tổng hợp dải ven biển nói chung không nên dựa vào việc phân tích tiêu chuẩn an toàn và tần xuất tính toán như đối với các tuyến đê biển và phải đặc biệt lưu ý và xem xét các giá trị về môi trường, sinh thái và cảnh quan của cồn cát mà khi mất đi thường khó có thể khôi phục lại được mặc dù trong thực tế , có thể có các cồn cát hầu như không có vai trò bảo vệ đáng kể đối với dân sinh hạ tầng phía sau nếu xét theo vai trò bảo vệ

Hiện nay tiêu chuẩn an toàn và tần xuất thiết kế cao nhất cho hầu hết các tuyến đê biển khu vực miền Trung là P=2%. Trong tính toán này chúng tôi đề nghị chọn tiêu chuẩn an toàn và  tần xuất tính toán tương tự cho đê biển  

c) Xác định  thông số mực nước và sóng thiết kế tại  vị trí tính toán

Giá trị mực nước và sóng thiết kế, theo phân tích chọn lựa ở trên, trong nghiên cứu này, chọn tính với  tần xuất p =2% và  được tra trong phụ lục của tiêu chuẩn thiết kế đê biển tại các vị trí cồn cát tính toán dọc theo bờ biển.

d) Tính toán sóng leo trên mái cồn cát

Hình 3: Sơ đồ mô tả  sóng leo trên mặt cắt ngang bãi biển – cồn cát

Trình tự, phương pháp tính toán sóng leo tại các mặt cắt ngang cồn cát vận dụng các tính toán của tiêu chuẩn thiết kế đê biển trong đó mặt cắt ngang cồn cát đã được trung bình hóa và sơ đồ hóa gần như dạng mặt cắt đê biển và coi lớp phủ mái là cỏ trong tính toán hệ số triết giảm sóng do  độ nhám trên mái dốc. Kết quả tính toán xem bảng 1

e) Tính toán, phân tích cao độ tối thiểu đỉnh cồn cát bảo đảm chống tràn theo chiều cao sóng leo:  Vận dụng cách tính toán cao độ đê biển trong trường hợp không tràn:

*  Công thức tổng quát vận dụng tính  cao độ tối thiểu của đỉnh cồn cát          

  Ztt = Ztk,p + hsl  + a                                                                              (2.1)

Trong đó:

Ztt : Cao độ tối thiểu (m) của đỉnh cồn cát chống được tác động của sóng leo ( với  tần suất thiết kế)

Ztk,p :Cao trình mực nước thiết kế (MNTK): trong trường hợp tính toán của đề tài là cao trình của sóng leo đạt tới (với  tần suất thiết kế)

hsl (Rsl,p): chiều cao sóng leo hay độ cao lưu không yêu cầu 

a: Trị số gia tăng độ cao a  xác định theo cấp công trình: vận dụng cho tính toán cao độ tối thiểu của đỉnh cồn cát theo các tần xuất cho trước

Trong tính toán này chúng tôi chưa xét đến ảnh hưởng của nước biển dâng  

Từ các quan hệ và phương pháp tính trên, đã tính toán sóng leo và cao độ yêu cầu của cồn cát cho tất cả các cồn cát ven biển miền Trung, dưới đây trích dẫn các kết quả cho cồn cát ven biển Quảng Ngãi 

Bảng 1: Kết quả tính sóng leo và cao độ yêu cầu của cồn cát với tần xuất p = 2% (cho yếu tố sóng và mực nước biển) tại một số mặt cắt cồn cát đại diện thuộc tỉnh Quảng Ngãi

II.3 Xác định chiều rộng yêu cầu của cồn cát

 Áp dụng nguyên lý trên, từ các số liệu chiều cao và chiều rộng thực tế được phân tích từ nhiều mặt cắt ngang cồn cát trên phạm vi toàn bộ cồn cát ven biển từ Quảng Bình đến Bình Thuận đã xây dựng mối tương quan giữa chiều cao và chiều rộng cồn cát ở rất nhiều vị trí mặt cắt ngang và ở rất nhiều khu vực cồn cát khác nhau. Các phân tích trên sẽ cho được các điểm quan hệ  thể hiện quan hệ giữa chiều cao và rộng của cồn cát và  xây dựng đường hồi quy  mang  tính tổng quát  giữa chiều cao và chiều rộng cồn cát. Chiều rộng tối thiểu cồn cát được xác định từ đường quan hệ hồi quy có  được trên cơ sở quan hệ thực tế giữa chiều cao đỉnh  và chiều rộng cồn cát . Với 1 giá trị cao độ cồn cát Ztt với tần xuất nào đó có thể tìm ra giá trị Btt tương ứng.

 Bảng 2: Kết quả tính toán chiều rộng cồn cát với tần xuất p =2 % (cho sóng và mực nước biển) tại một số mặt cắt cồn cát đại diện thuộc tỉnh Quảng Ngãi

KẾT LUẬN

TÀI  LIỆU THAM  KHẢO

[1]. Nguyễn Ngọc Quỳnh & nnk: Báo cáo điều tra hiện trạng cồn cát ven biển miền Trung từ Quảng Bình đến Bình Thuận phục vụ công tác phòng chống bão lụt và giảm nhẹ thiên tai, Viện KHTLVN, 12/2007.

[2]. Tiêu chuẩn thiết kế đê biển - bản dự thảo, 12/2011. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn.

[3]. D S Ranwell and Rosalind Boar (1986): Coast dune management Guide, Natural Environment Research Council, Institute of Terrestrial Ecology - UK

[4]. Centre for civil engineerig research and codes / February 1989: Guide to the assessment of the safety of dunes as a sea defence, technical advisory committee on water defences/taw, The Netherland

[5]. Patrick A.Heps ( 2000) : Coastal Dunes - Form and Fuction, Lousiana University.

Tác giả: PGS.TS. Nguyễn Ngọc Quỳnh
 Phòng Thí nghiệm trọng điểm QG về động lực học sông biển

Tạp chí KH&CN Thủy lợi