Dự án Cam Ranh

Dự án nuôi bãi Cam Ranh

Điều kiện tự nhiên

Tọa độ địa lý: 109.25°E, 11.98°N, thuộc địa phận TP Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa.

Đường bờ biển của khu vực dự án dài khoảng 4 km, phương vị bờ trung bình 45°. Phía nam bị chặn bởi mũi đá nhô ra biển, phía bắc là bờ biển hơi cong lõm kéo dài khoảng 18 km.

Vùng biển mở gần như không bị che chắn. Ngoài khơi cách bờ khoảng 10 km có hai đảo nhỏ (bề rộng ~1 km và 0.5 km).

Hình : Khu vực nghiên cứu (ảnh Google Earth 8/8/2017)

Vùng biển Nha Trang có thềm lục địa rộng khoảng 60 km, xa hơn là vùng biển sâu, tạo điều kiện cho sóng bão truyền vào bờ.

Bãi biển có độ dốc vừa phải, cỡ 1:70. Qua phân tích mẫu cát thu được trên bãi biển thấy đường kính hạt cỡ 0.15 mm.

Số liệu sóng

Hiện nay không có đợt khảo sát đo sóng tại khu vực. Trạm hải văn gần đó nhất là Quy Nhơn 13°46', 109°15').

Mô hình sóng toàn cầu WaveWatch của cơ quan NOAA, Hoa Kỳ cung cấp cơ sở dữ liệu sóng cho lưới địa lý có độ phân giải 0.5°. Do vậy, vị trí điểm số liệu sóng gần khu vực tính toán nhất là (109.5°, 12.0°). Độ sâu đáy biển tại đó là 135 m, lớn hơn nửa chiều dài sóng, do vậy có thể được coi là điều kiện sóng nước sâu. Chuỗi số liệu có từ 1/1/2006 đến 31/12/2016, mỗi điểm số liệu cách đều 3 giờ. Hoa sóng cho thời kì này được thể hiện như Hình ... Có thể thấy hướng sóng chủ đạo là ENE và NE, riêng trong mùa hè thì sóng SSW tương đối trội. Do đặc điểm của vùng biển mở với thềm lục địa hẹp, sóng rất mạnh; chiều cao sóng ý nghĩa không ít lần vượt 3,5 m.

Hình : Hoa sóng ngoài khơi Cam Ranh (2006--2016)

Các số liệu sóng nước sâu thu được nhìn chung đều thể hiện sóng thoải (độ dốc sóng trung bình cỡ 1/50, thể hiện bằng đường cong liền nét trên đồ thị hình ...)

Hình : Tương quan giữa chiều cao và chu kì sóng ngoài khơi

Mặt cắt ngang bãi biển

Với đường kính trung vị của cát bãi biển, D₅₀, có thể ước tính được một dạng mặt cắt ngang cân bằng của bãi.

Theo Bruun và Dean, phương trình mặt cắt ngang có dạng: h = A x^2/3

Ứng với gía trị D₅₀ ~ 0.15 mm, hệ số A = 0.084 m^1/3.

Độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát

Độ sâu giới hạn VCBC (closure depth), h*, được xem như là độ sâu mà từ vị trí tương ứng ra phía ngoài khơi không còn có biến đổi địa hình đáy do tác động sóng.

Độ sâu này tốt nhất nên được xác định dựa theo tài liệu thực đo (chồng chập các mặt cắt thực đo theo thời gian và xác định phần mặt cắt ổn định, không bị dao động).

h* có thể được tính theo một số công thức kinh nghiệm. Chẳng hạn,

h* = 2.28 H - 68.5 H² / (gT²) (Hallermeier 1978)

h* = (H_tb -- 0.3 σ) T_tb (g / 5000D₅₀)^1/2 (Hallermeier 1981)

Trong đó H là chiều cao sóng hiếm với tần suất xuất hiện 12 giờ trong năm (tần suất 0.137%) còn T là chu kì sóng tương ứng với H đó. H_tb là chiều cáo sóng trung bình trong dãy số liệu, T_tb là chu kì sóng tương ứng (tra hình ...), σ là độ lệch chuẩn của chiều cao sóng.

Căn cứ vào kết qủa phân tích số liệu sóng ta có được:

H = 4.46 m, T = 11.96 s ⇒ *h = 9.20 m theo (Hallermeier 1978) H_tb = 1.30 m, σ = 0.79 m, T_tb = 6.45 s ⇒ *h = 24.8 m theo (Hallermeier 1981).

Hai dạng công thức này cho ta các giới hạn "gần bờ" và "xa bờ" của độ sâu giới hạn VCBC theo Hallermeier. Để đơn giản cho việc tính toán bằng mô hình, ta chọn gía trị trung bình cộng,

h* = 17.0 m.

Biến đổi mặt cắt bãi theo thời gian

Sau khi đổ cát nuôi bãi, do độ dốc bãi đổ lớn hơn độ dốc của trầm tích tự nhiên nên bãi sẽ có xu hướng thoải ra, tiệm cận về mặt cắt cân bằng. Hiện chưa có công thức tính toán tốc độ điều chỉnh này của mặt cắt trong điều kiện sóng bình thường.

Nhưng điều chắc chắn là dạng mặt cắt cân bằng cuối cùng đã biết:

h = 0.084 x^2/3

Thực tế sẽ xảy ra một phần bùn cát trượt dọc theo mặt cắt ngang bãi, ra ngoài khơi. Lượng bùn cát này sẽ bị mất vĩnh viễn. Nhưng không có cách nào đơn giản để ước tính một cách tin cậy lượng bùn cát này. Do vậy, cần coi rằng thời gian biến đổi về mặt cắt ngang cân bằng là tương đối nhanh, và trong thời gian đó lượng bùn cát mất đi là nhỏ. Khi đó, sự bảo toàn bùn cát cho phép ta cân bằng thể tích giữa hai phần gạch chéo như trên hình.

Xét các kích thước thiết kế nuôi bãi như trên hình: bề rộng bãi lấn biển trên mặt là 300 m. chiều cao thềm bãi trên mực nước là B = 3 m, chân bãi đổ ở cao trình --5 m, độ dốc của mặt bãi khoảng 1:80.

Phép tính hình học cho ta thể tích cát đổ là 1944 m³/m dài bờ biển. Sau khi thiết lập mặt cắt cân bằng mới, khoảng cách lấn biển chỉ là x' = 114 m.

Độ thoái lui bãi là R_∞ = 300 -- x' = 184 m.

Với tác động của điều kiện sóng bình thường, không dễ xác định tốc độ thoái lui đường bờ. Riêng trong trường hợp có bão, sau trận bão độ thoái lui của đường bờ có thể xác định được theo biểu thức:

R_∞ = (S + 0.068H_b) W_b / (B + h_b)

trong đó S là độ dâng mực nước H_b, W_b và h_b lần lượt là chiều cao sóng vỡ, bề rộng vùng sóng vỡ và độ sâu nước tại điểm sóng vỡ.

W_b = 4A³/27m₀³ + (h_b/A)^1.5

Thí nghiệm của Kriebel và Dean (1993) cho thấy độ thoái lui tăng dần theo một hàm mũ:

R(t) = R_∞ ( 1 -- exp( --t/T_s ) )

trong đó T_s là một quy mô thời gian đặc trưng.

T_s = 320 H_b^1.5 g^--0.5 A^--3 (1 + h_b/B + m₀ W_b/h_b)^--1

Tốc độ biến hình của mặt cắt ngang do vậy tỉ lệ thuận với mức độ chênh lệch giữa dạng mặt cắt hiện thời và dạng mặt cắt cân bằng.

Áp dụng với trường hợp khu vực nghiên cứu: đặc trưng sóng điển hình: H_b = 1.5 m, h_b = 2.3 m , độ dốc bãi m₀ = 1/80, tính được W_b = 118 m và T_s ~ 31.5 giờ.

Biến đổi đường bờ khi có công trình đập mỏ hàn dài

Bùn cát bị chặn giữa mũi đá phía nam và đập mỏ hàn dự kiến xây dựng phía bắc. Dòng vận chuyển bùn cát dao động từ bắc xuống nam vào mùa đông và từ nam lên bắc vào mùa hè. Lưu lượng VCBC dọc bờ ước tính là: Q_L = 250000 m³/năm (hướng luân phiên).

Dễ thấy đoạn đường bờ sẽ có dạng đối xứng. Vị trí chính giữa là điểm cân bằng, không bị xói bồi. Gỉa sử dòng bùn cát dọc bờ hướng về phía bắc thì khoảng cách bãi được bồi sẽ càng rộng ra theo hướng này.

Một đặc điểm cơ bản của mặt bằng bãi là xu hướng định hình sao cho đường bờ vuông góc với hướng truyền sóng. Khoảng cách bồi cực đại ở sát mỏ hàn là

L_max = 2250 tan φ_b

Góc sóng φ_b so với đường bờ ban đầu điển hình bằng 3° (góc sóng nước sâu ~10°; phương vị đường bờ 55° trong khi hướng sóng nước sâu phổ biến trong cung NE và ENE (45° đến 67.5°)).

Từ đó tính được khoảng cách bồi lắng cực đại L_max =118 m.

Hình ... Biến hình đường bờ dự kiến giữa mũi đá và mỏ hàn được thiết kế

Mô hình toán diễn biến đường bờ

Coastline Model (CLM), một mô hình toán dạng đường đơn (one-line) được sử dụng. Mô hình được Roelvink và Reniers (2011) triển khai bằng mã lệnh MatLab. Ưu điểm của mô hình là tính được đường bờ hình cong, cho phép linh hoạt lựa chọn công thức tính VCBC dọc bờ và khi cần, có thể đưa vào các nguồn cấp và rút bùn cát.

Các gỉa thiết của mô hình bao gồm:

• Địa hình đáy biển đơn giản, các đường đồng mức cùng song song với đường bờ.
• Sự tiến thoái của một đoạn đường bờ xảy ra đồng đều trên toàn bộ độ sâu hoạt động, tức là B + h*.
• Sự biến đổi vị trí đường bờ chỉ do mất cân bằng lưu lượng VCBC dọc bờ gây bởi sóng tới xiên góc; không tính đến VCBC ngang bờ.
• Không xét đến ảnh hưởng của thủy triều đối với biến hình đường bờ.

Số liệu đầu vào mô hình bao gồm: vị trí đường bờ ban đầu, mặt cắt ngang, số liệu sóng, các tham số khác (đường kính hạt bùn cát, độ nhám đáy biển, hệ số sóng vỡ, v.v.).

Khoa Kỹ thuật Biển, trường Đại học Thủy lợi. Cập nhật 7/12/2017.