Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:94

Thêm vào BST

Báo xấu

92
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn là phân tích ổn định của đê biển huyện Hải Hậu thời điểm hiện tại và dự báo mức độ mất ổn định của đê trong bối cảnh biến đổi khí hậu tính đến năm 2100 sử dụng số liệu quan trắc áp lực nước lỗ rỗng trong thân đê. Bước đầu đề xuất giải pháp gia cường, bảo vệ đê sử dụng giải pháp truyền thống kết hợp giải pháp mới thân thiện môi trường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Mạnh Hiếu NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐÊ BIỂN HUYỆN HẢI HẬU, TỈNH NAM ĐỊNH TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Mạnh Hiếu NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐÊ BIỂN HUYỆN HẢI HẬU, TỈNH NAM ĐỊNH TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: Địa chất học Mã số: 60440201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHẤM NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ PGS. TSKH. Vũ Cao Minh PGS. TS. Đỗ Minh Đức Hà Nội - Năm 2015
LỜI CẢM ƠN Luận văn đƣợc thực hiện tại Bộ môn Địa kỹ thuật, Khoa Địa chất, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội trong thời gian từ tháng 9 năm 2013 đến tháng 5 năm 2015. Tác giả xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS. TS. Đỗ Minh Đức là ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tác giả từ khi làm Khóa luận tốt nghiệp Đại học đến nay vì sự tận tình, định hƣớng và tạo điều kiện cho tác giả đƣợc tham gia nhiều đề tài nghiên cứu khoa học, các khoá đào tạo trong và ngoài nƣớc. Tác giả xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban chủ nhiệm Khoa Địa chất đã tạo điều kiện về trang thiết bị thí nghiệm và cơ sở vật chất để tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả chân thành cảm ơn GS. Nobuo Mimura và GS. Kazuya Yasuhara đến từ trƣờng Đại học Ibaraki là những ngƣời chủ trì, điều hành Chƣơng trình “Quan trắc tích hợp phục vụ chiến lược thích nghi cho bờ biển Việt Nam” đã tạo điều kiện cho tác giả đƣợc tham gia vào Chƣơng trình và tiếp cận nguồn tài liệu sử dụng trong luận văn này. Tác giả chân thành cảm ơn TS. Dƣơng Thị Toan đã có những góp ý về mặt chuyên môn, CN. Đinh Thị Quỳnh đã góp ý về mặt hình thức để luận văn hoàn thành đƣợc tốt hơn. Sau cùng, tác giả xin cảm ơn sâu sắc đến những ngƣời thân trong gia đình đã luôn theo sát và cổ vũ tinh thần để tác giả vƣợt qua mọi khó khăn trong suốt thời gian qua. Hà Nội, ngày 9 tháng 6 năm 2015 Nguyễn Mạnh Hiếu
Mục lục MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... v DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của nghiên cứu .............................................................................. 1 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu......................................................................... 2 3. Cấu trúc của luận văn ........................................................................................... 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA ĐÊ BIỂN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................ 3 1.1. Nghiên cứu ổn định của đê biển trên Thế giới ................................................ 3 1.2. Các giải pháp bảo vệ đê biển trên thế giới ....................................................... 5 1.2.1. Các giải pháp bảo vệ mái đê phía biển ...................................................... 5 1.2.2. Các giải pháp bảo vệ mái đê phía đồng ..................................................... 7 1.2.3. Các giải pháp bảo vệ bãi phía trước đê ..................................................... 8 1.3. Nghiên cứu ổn định của đê biển tại Việt Nam ............................................... 11 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu................................................................................. 16 1.4.1. Các phương pháp khảo sát thực địa ............................................................. 16 1.4.2. Các phương pháp thí nghiệm trong phòng ................................................... 21 1.4.3. Các phương pháp phân tích tính toán .......................................................... 22 CHƢƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ - XÃ HỘI HUYỆN HẢI HẬU .................................................................................................................. 28 2.1. Vị trí địa lý khu vực nghiên cứu ..................................................................... 28 2.2. Khí hậu .............................................................................................................. 29 2.3. Thủy - Hải văn .................................................................................................. 29 2.4. Địa hình - Địa mạo ........................................................................................... 30 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu ii
Mục lục 2.5. Đặc điểm địa chất khu vực ven biển tỉnh Nam Định .................................... 31 2.5.1. Thống Pleistocen ...................................................................................... 31 2.5.2. Thống Holocen ......................................................................................... 33 2.5.3. Đặc điểm địa kỹ thuật trầm tích Holocen phần đất liền huyện Hải Hậu . 35 2.5.4. Đặc điểm địa chất công trình đất đắp đê biển huyện Hải Hậu................ 41 2.6. Dân cƣ................................................................................................................ 41 2.7. Kinh tế ............................................................................................................... 42 2.8. Biến đổi khí hậu và kịch bản nƣớc biển dâng ............................................... 43 2.8.1. Các dấu hiệu biến đổi khí hậu ở Việt Nam .............................................. 43 2.8.2. Các kịch bản nước biển dâng ................................................................... 44 CHƢƠNG 3. LỊCH SỬ VÀ HIỆN TRẠNG ĐÊ BIỂN HUYỆN HẢI HẬU .............. 45 3.1. Lịch sử xói lở và biến động đƣờng bờ huyện Hải Hậu ............................... 45 3.2. Lịch sử xây dựng đê biển huyện Hải Hậu qua các thời kỳ ......................... 47 3.3. Hiện trạng tuyến đê biển huyện Hải Hậu .................................................... 49 CHƢƠNG 4. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA ĐÊ BIỂN HUYỆN HẢI HẬU TRONG BỐI CẢNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ............................................................................. 52 4.1. Phân tích số liệu quan trắc áp lực nƣớc lỗ rỗng trong thân đê.................... 52 4.2. Phân tích ổn định trƣợt của mái đê ................................................................ 55 4.2.1. Các điều kiện biên sử dụng tính toán ....................................................... 55 4.2.2. Phân tích ổn định trượt của đê thời điểm hiện tại (năm 2014) ................ 56 4.2.3. Ảnh hưởng của thủy triều đến ổn định trượt của đê ................................ 57 4.2.4. Dự báo ổn định trượt của đê theo các kịch bản nước biển dâng ............. 59 4.2.5. Phân tích ổn định trượt của đê trong trường hợp mưa lớn kéo dài ......... 61 4.3. Phân tích xói lở bờ trong bối cảnh biến đổi khí hậu ..................................... 62 4.3.1. Tác động cuả nước biển dâng đến xói lở bờ ............................................ 62 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu iii
Mục lục 4.3.2. Xói lở hạ thấp mặt bãi .............................................................................. 63 4.4. Ảnh hƣởng của bão đến ổn định đê biển ....................................................... 64 4.4.1. Ảnh hưởng của bão đến xói lở bờ ............................................................ 64 4.4.2. Ảnh hưởng của sóng tràn trong bão đến xói mòn mái đê phía đồng ....... 65 CHƢƠNG 5. CÁC GIẢI PHÁP GIA CƢỜNG ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐÊ BIỂN HUYỆN HẢI HẬU ỨNG PHÓ VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ...................................... 69 5.1. Ứng dụng vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp ....................................................... 70 5.2. Kết cấu đê hỗn hợp .......................................................................................... 71 5.3. Giải pháp đa bảo vệ.......................................................................................... 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 78 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 84 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu iv
Mục lục DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cơ chế phá hủy đê do sóng tràn (theo K. W. Pilarczyk, 2001)................... 4 Hình 1.2. Mái đê phía biển đƣợc bảo vệ bởi đá lát khan tại Hà Lan [59]................... 5 Hình 1.3. Bê tông tự chèn bảo vệ mái đê phía biển ở Anh [61] ................................. 5 Hình 1.4. Bảo vệ mái đê phía biển bằng nhựa Asphalt kết hợp đá đổ ở Hà Lan [56] 6 Hình 1.5. Mái đê phía biển đƣợc trồng cỏ tại Hà Lan [54] ......................................... 6 Hình 1.6. Giải pháp trồng cỏ trong các ô lƣới địa kỹ thuật tổng hợp [60].................. 7 Hình 1.7. Bể bê tông trên mái đê bẫy sóng tràn .......................................................... 7 Hình 1.8. Bể tiêu năng trên đỉnh đê ............................................................................ 8 Hình 1.9. Geotube đƣợc sử dụng bảo vệ bờ biển tại Ấn Độ [53] ............................... 8 Hình 1.10. Kè mỏ hàn đƣợc sử dụng ở Mỹ [58] ......................................................... 9 Hình 1.11. Mô hình đê phá sóng ngầm bảo vệ bờ biển .............................................. 9 Hình 1.12. Rừng ngập mặn bảo vệ bãi [57] .............................................................. 10 Hình 1.13. Giải pháp nuôi bãi chống xói lở [55] ...................................................... 10 Hình 1.14. Các loại hình mất ổn định đê biển ở Việt Nam ....................................... 11 Hình 1.15. Sóng tràn gây vỡ đê biển ở Nam Định [3] .............................................. 12 Hình 1.16. Khoan khảo sát ........................................................................................ 17 Hình 1.17. Lấy mẫu thủ công hiện trƣờng ................................................................ 17 Hình 1.18. Khảo sát địa hình bãi ............................................................................... 18 Hình 1.19. Đầu đo áp lực nƣớc lỗ rỗng (piezometer) ............................................... 18 Hình 1.20. Thiết kế của một lỗ khoan lắp đặt piezometer ........................................ 19 Hình 1.21. Sơ đồ bố trí các đầu đo áp lực nƣớc lỗ rỗng trong thân đê xã Hải Hòa .. 20 Hình 1.22. Lắp đặt và vận hành hệ thống quan trắc.................................................. 20 Hình 1.23. Giao diện phần mềm quan trắc số liệu áp lực nƣớc lỗ rỗng ................... 21 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu v
Mục lục Hình 1.24. Thiết bị và kết quả nghiên cứu tƣơng quan giữa vận tốc dòng chảy với xói lở [22] ........................................................................................................................ 27 Hình 2.1. Vị trí địa lý của huyện Hải Hậu ................................................................ 28 Hình 2.2. Thống kê các trận bão đổ bộ vào bờ biển Việt Nam (1961-2014)............ 43 Hình 2.3. Các kịch bản biển dâng theo báo cáo lần thứ năm của IPCC [34]............ 44 Hình 3.1. Vị trí đƣờng bờ huyện Hải Hậu qua các năm [28] .................................... 46 Hình 3.2. Xói lở hạ thấp mặt bãi tại Thịnh Long ...................................................... 46 Hình 3.3. Các tuyến đê bị phá hủy trong bão số 7 năm 2005 ................................... 48 Hình 3.4. Nguy cơ mất ổn định cục bộ mái đê biển tại Hải Hậu .............................. 49 Hình 3.5. Nguy cơ mất ổn định trƣợt mái đê phía đồng ........................................... 49 Hình 3.6. Đê biển Hải Hậu theo thiết kế của PAM ................................................... 50 Hình 3.7. Kè mỏ hàn chữ T đƣợc cấu tạo từ các khối tripod .................................... 51 Hình 3.8. Trồng rừng ngập mặn chống xói lở tại xã Hải Đông ................................ 51 Hình 4.1. Tƣơng quan giữa mực thủy triều và áp lực nƣớc lỗ rỗng ......................... 53 Hình 4.2. Tƣơng quan giữa áp lực nƣớc lỗ rỗng với mực thủy triều và lƣợng mƣa năm 2014 ................................................................................................................... 54 Hình 4.3. Mặt cắt địa chất đê sử dụng tính ổn định trƣợt ......................................... 55 Hình 4.4. Số liệu quan trắc áp lực nƣớc lỗ rỗng tƣơng ứng mực triều +1,98m ........ 56 Hình 4.5. Kết quả theo số liệu quan trắc áp lực nƣớc lỗ rỗng................................... 56 Hình 4.6. Kết quả theo phân tích bằng SEEP/W với mực triều +1,98 m ................. 57 Hình 4.7. Điều kiện biên phân tích ảnh hƣởng của mực thủy triều đến ổn định đê . 58 Hình 4.8. Phân bố áp lực nƣớc lỗ rỗng trong thân đê khi mực thủy triều +1,98m ... 58 Hình 4.9. Thay đổi áp lực nƣớc lỗ rỗng theo mực thủy triều trong ngày ................. 59 Hình 4.10. Dự báo ổn định đê biển trong tƣơng lai .................................................. 60 Hình 4.11. Thay đổi hệ số ổn định của đê theo các kịch bản biển dâng ................... 61 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu vi
Mục lục Hình 4.12. Phân bố áp lực nƣớc lỗ rỗng trong thân đê bão hòa nƣớc....................... 61 Hình 4.13. Hệ số ổn định của mái đê bão hòa nƣớc ................................................. 62 Hình 4.14. Dự báo tốc độ xói lở bãi theo các kịch bản nƣớc biển dâng ................... 63 Hình 4.15. Dự báo tốc độ hạ thấp mặt bãi tại Hải Hậu trong tƣơng lai .................... 64 Hình 4.16. Mặt cắt đê biển đại diện tại các xã huyện Hải Hậu ................................. 66 Hình 4.17. Tốc độ xói mái đê gây bởi sóng tràn trong bão....................................... 67 Hình 4.18. Dự báo tốc độ xói mái đê phía đồng theo kịch bản biển dâng tại Thịnh Long .......................................................................................................................... 68 Hình 5.1. Một số giải pháp chọn vật liệu địa phƣơng đắp đê ................................... 70 Hình 5.2. Triển vọng sử dụng các loại rác thải tại địa phƣơng ................................. 71 Hình 5.3. Kết cấu sử dụng kết hợp giải pháp gia cƣờng và nâng cấp đê .................. 71 Hình 5.4. Sử dụng vật liệu địa kỹ thuật kết hợp vật liệu địa phƣơng đắp đê ............ 72 Hình 5.5. Mô hình đê mềm Geotube ......................................................................... 74 Hình 5.6. Giải pháp đa bảo vệ cho các đoạn bờ có mức độ xói lở khác nhau .......... 75 Hình 5.7. Giải pháp rãnh thu nƣớc kết hợp trồng cỏ ................................................ 76 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu vii
Mục lục DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các chỉ tiêu thí nghiệm và tiêu chuẩn thực hiện ....................................... 21 Bảng 1.2. Chiều cao sóng trong một số trận bão đổ bộ vào khu vực........................ 26 Bảng 2.1. Tính chất cơ lý của trầm tích Holocen ở đới ven bờ tỉnh Nam Định [7].. 40 Bảng 2.2. Tính chất cơ lý đất đắp đê biển Hải Hậu .................................................. 41 Bảng 2.3. Diện tích, dân số và mật độ dân số các xã ven biển huyện Hải Hậu ........ 42 Bảng 3.1. Tốc độ xói lở bờ biển Hải Hậu qua các thời kỳ ........................................ 45 Bảng 4.1. Thông số địa kỹ thuật các lớp đất ............................................................. 56 Bảng 4.2. So sánh kết quả phân tích ......................................................................... 57 Bảng 4.3. Tốc độ xói lở bờ tại khu vực Hải Hậu thời điểm hiện tại (2014) ............. 62 Bảng 4.4. Tốc độ hạ thấp mặt bãi tại Hải Hậu thời điểm hiện tại (2014) ................. 64 Bảng 4.5. Tốc độ xói lở do sóng trong bão ............................................................... 65 Bảng 4.6. Tốc độ xói mặt mái đê phía đồng gây bởi sóng tràn trong bão ................ 67 Bảng 5.1. Các giải pháp mới gia cƣờng đê biển [51]................................................ 69 Bảng 5.2. Các giải pháp chống xói lở kết hợp sử dụng vật liệu địa kỹ thuật [28] .... 72 Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu viii
Mở đầu MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của nghiên cứu Huyện Hải Hậu thuộc khu vực ven biển tỉnh Nam Định, đồng bằng Bắc Bộ Việt Nam. Đây là vùng trọng điểm kinh tế của tỉnh, có mật độ dân cƣ cao. Tỉnh Nam Định có 91,5 km đê biển, trong đó Hải Hậu chiếm 33,3 km và là nơi có tuyến đê xung yếu nhất. Hiện tƣợng xói lở trong khu vực đƣợc ghi nhận từ đầu thế kỷ 20 (1905). Xói lở bờ biển đã gây ra những phá hủy nặng nề về cơ sở hạ tầng và thậm chí cả thiệt hại về ngƣời [28, 52]. Trong tƣơng lai gần, hiện tƣợng phá hủy hệ thống đê đƣợc dự báo sẽ xuất hiện hàng năm do sự hạn chế về nguồn kinh phí, thiếu hụt thông tin về thủy văn và các giải pháp thiết kế phù hợp [25]. Tại một số đoạn bờ đã đƣợc kiên cố hóa bằng hệ thống đê, hiện tƣợng xói theo phƣơng ngang chuyển sang xói mòn theo phƣơng thẳng đứng làm hạ thấp địa hình bãi biển, phá hủy chân đê. Hiện tƣợng sóng tràn qua mặt đê trong bão cũng là một trong những nguyên nhân chính gây mất ổn định đê biển do mặt đê phía sau bị xói bởi sóng tràn. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, dƣới ảnh hƣởng của bão và dâng cao mực nƣớc biển xói lở bờ biển trong khu vực đã trở nên nghiêm trọng hơn, đe dọa trực tiếp đến ổn định của hệ thống đê. Các kết quả nghiên cứu trƣớc đây đã làm sáng tỏ đƣợc lịch sử và giải thích các nguyên nhân, cơ chế dẫn đến các quá trình xói lở và bồi tụ tại Hải Hậu. Một số nghiên cứu đã phân tích các nguy cơ gây mất ổn định đê biển liên quan đến hiện tƣợng trƣợt mái đê, thấm qua thân đê, xói ngầm mới chỉ sử dụng các thông số hải văn nhƣ sóng và thủy triều chứ chƣa dựa trên số liệu quan trắc thực tế áp lực nƣớc lỗ rỗng. Với một số vấn đề còn tồn tại nhƣ trên tác giả đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu có tên “Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu”. Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu 1
Mở đầu 2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Mục tiêu của luận văn là phân tích ổn định của đê biển huyện Hải Hậu thời điểm hiện tại và dự báo mức độ mất ổn định của đê trong bối cảnh biến đổi khí hậu tính đến năm 2100 sử dụng số liệu quan trắc áp lực nƣớc lỗ rỗng trong thân đê. Bƣớc đầu đề xuất giải pháp gia cƣờng, bảo vệ đê sử dụng giải pháp truyền thống kết hợp giải pháp mới thân thiện môi trƣờng. Để đạt đƣợc các mục tiêu này, các nội dung nghiên cứu bao gồm: Tổng quan các nghiên cứu ổn định đê biển trên Thế giới và Việt Nam. Nghiên cứu đặc điểm địa chất - địa kỹ thuật, lịch sử và hiện trạng đê biển Hải Hậu. Nghiên cứu những ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu đến sự mất ổn định của hệ thống đê biển Hải Hậu, cụ thể nhƣ sau: Xác định tốc độ lùi của đƣờng bờ và hạ thấp mặt bãi gây bởi mực nƣớc biển dâng và tốc độ xói lở bờ gây bởi sóng trong bão. Xác định tốc độ xói mái đê phía đồng gây bởi sóng tràn. Phân tích ổn định trƣợt của mái đê phía biển và phía đồng tại xã Hải Hòa sử dụng số liệu quan trắc áp lực nƣớc lỗ rỗng trong thân đê. 3. Cấu trúc của luận văn Cấu trúc của luận văn bao gồm các chƣơng mục nhƣ sau: Mở đầu Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu ổn định của đê biển và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 2. Đặc điểm điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội huyện Hải Hậu Chƣơng 3. Lịch sử và hiện trạng đê biển huyện Hải Hậu Chƣơng 4. Phân tích ổn định của đê biển huyện Hải Hậu trong bối cảnh biến đổi khí hậu Chƣơng 5. Các giải pháp gia cƣờng ổn định hệ thống đê biển huyện Hải Hậu ứng phó với biến đổi khí hậu Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu 2
Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu ổn định của đê biển và phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CỦA ĐÊ BIỂN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.1. Nghiên cứu ổn định của đê biển trên Thế giới Nghiên cứu ổn định của đê biển có ý nghĩa to lớn trong bảo vệ đới bờ, vấn đề này đã đƣợc nhiều quốc gia quan tâm đặc biệt là các quốc gia phát triển nhƣ Hà Lan, Đức, Mỹ, Nhật Bản… Các vấn đề liên quan đến ổn định của hệ thống đê biển có thể kể đến bao gồm mất ổn định do sóng tràn, mất ổn định do xói lở bãi phía trƣớc đê hay mất ổn định do sóng trong bão. Đặc biệt trong thời gian gần đây vấn đề mực nƣớc biển dâng do biến đổi khí hậu đã đe dọa nghiêm trọng đến ổn định hệ thống đê của các khu vực ven biển trên thế giới. Đến nay đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu liên quan đến các vấn đề nêu trên, tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này tác giả chỉ tổng quan một số các nghiên cứu điển hình đƣợc áp dụng phổ biến trên thế giới. De Waal và Van der Meer (1992) đã nghiên cứu sóng tràn qua đê mái nhẵn không thấm. Trong đó lƣu lƣợng sóng tràn trung bình đƣợc quan tâm thêm độ thiếu hụt của độ cao lƣu không đỉnh đê. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu này vẫn còn nhiều hạn chế nhƣ không xét đến ảnh hƣởng của độ nhám mái đê, ảnh hƣởng của cơ đê và nhất là tính sóng tràn thông qua sóng leo [26]. Van der Meer and Janssen (1995) đã nghiên cứu bổ sung và làm hạn chế các thiếu hụt trƣớc đó bằng cách tính toán trực tiếp sóng tràn thông qua độ lƣu không tƣơng đối. Sóng tràn còn phụ thuộc vào tính chất tƣơng tác sóng với công trình thể hiện qua các sóng vỡ và sóng không vỡ. Trong nghiên cứu này đã xây dựng đƣợc công thức tính toán sóng tràn có thể áp dụng cho đê có cơ ở phía biển và xem xét độ nhám của mái đê [8]. K.W.Pilarczyk (2001) đã nghiên cứu đƣa ra cơ chế phá huỷ đê khi sóng tràn qua việc mô tả tác động của sóng tràn với mặt cắt đê biển (hình 1.1). Mái đê phía biển chịu trực tiếp tải trọng của sóng tác dụng. Thân đê có thể bị phá hỏng ở phía biển do tác động của sóng và áp lực thấm đẩy ngƣợc dƣới đáy viên gia cố. Đỉnh đê có thể bị xói bề mặt, lớp sét bọc ngoài thân đê có thể bị xói, trƣợt cục bộ do thấm Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu 3
Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu ổn định của đê biển và phƣơng pháp nghiên cứu hoặc trƣợt tổng thể cả mái. Nhƣ vậy khi sóng tràn, cả mái trong đồng và mái ngoài biển đều có thể bị phá hủy [38]. Hình 1.1. Cơ chế phá hủy đê do sóng tràn (theo K. W. Pilarczyk, 2001) Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, hàng năm bão ngày càng gia tăng cả về số lƣợng và độ mạnh. Nhƣ là hệ quả, tốc độ xói lở mạnh mẽ có thể diễn ra dọc các đới ven bờ trong tƣơng lai. Kriebel và Dean (1993) đã nghiên cứu và đƣa ra công thức dự báo tốc độ xói lở bờ biển gây bởi sóng trong bão [37]. Bên cạnh cơ chế phá hủy đê do sóng tràn, xói lở bờ biển là một nguyên nhân ảnh hƣởng đến ổn định lâu dài của đê biển. Mực nƣớc biển dâng cao đã làm cƣờng hóa xói lở bờ biển. Để dự báo sự gia tăng mức độ xói lở do dâng cao mực nƣớc biển, Bruun (1962) đã đƣa ra quan hệ giữa mức độ gia tăng xói lở và lƣợng dâng cao mực nƣớc [23]. Tại các đoạn bờ có đê, biển sẽ không tiếp tục lấn sâu vào đất liền và xói theo phƣơng ngang chuyển sang xói theo phƣơng thẳng đứng, làm hạ thấp địa hình bãi biển ở chân đê. Xói lở làm hạ thấp địa hình bãi, phá huỷ chân khay đê biển đã đƣợc ghi nhận bằng các mô hình vật lý ở trong phòng thí nghiệm bởi Barnett và Wang (1988). Hiện tƣợng này đƣợc xác định chủ yếu là do sự hình thành các dòng chảy rối do sóng tƣơng tác với đê biển gây ra. Ngoài ra, sóng phản xạ từ đê cũng góp phần cƣờng hoá hiện tƣợng này [20]. Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu 4
Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu ổn định của đê biển và phƣơng pháp nghiên cứu 1.2. Các giải pháp bảo vệ đê biển trên thế giới 1.2.1. Các giải pháp bảo vệ mái đê phía biển a) Đá lát khan, mảng bê tông, cấu kiện bê tông lắp ghép tự chèn Hiện nay, giải pháp đá lát khan, mảng bê tông và cấu kiện bê tông lắp ghép tự chèn vẫn là lựa chọn phổ biến nhất để bảo vệ mái đê phía biển trên thế giới (hình 1.2). Cấu kiện bê tông tự chèn là dùng các cấu kiện bê tông có kích thƣớc và trọng lƣợng đủ lớn đặt liên kết tạo thành mảng bảo vệ chống xói cho mái phía biển do tác động của sóng và dòng chảy (hình 1.3). Để gia tăng ổn định và giảm thiểu kích thƣớc cấu kiện ngƣời ta không ngừng nghiên cứu cải tiến hình dạng cấu kiện và liên kết giữa các cấu kiện theo hình thức tự chèn [5]. Hình 1.2. Mái đê phía biển đƣợc bảo vệ bởi đá lát khan tại Hà Lan [59] Hình 1.3. Bê tông tự chèn bảo vệ mái đê phía biển ở Anh [61] Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu 5
Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu ổn định của đê biển và phƣơng pháp nghiên cứu b) Gia cố mái đê bằng nhựa đường (Bituminous Revetment) Vật liệu này thƣờng dùng kết hợp với vật liệu khác để gia cƣờng nhƣ nhựa đƣờng - đá xếp, nhựa đƣờng - bê tông khối, bê tông Asphalt đƣợc ứng dụng trong xây dựng công trình thủy lợi, đê biển của nhiều nƣớc tiên tiến nhƣ Nauy, Hà Lan, Mĩ và một số nƣớc khác (hình 1.4). Hình 1.4. Bảo vệ mái đê phía biển bằng nhựa Asphalt kết hợp đá đổ ở Hà Lan [56] d) Trồng cỏ bảo vệ Trồng cỏ trên mái đê là một giải pháp rất thân thiện với môi trƣờng và tạo cảnh quan đẹp. Tuy nhiên giải pháp này chỉ có thể áp dụng tại những đoạn đê không chịu tác động trực tiếp của sóng biển, giải pháp này có thể làm giảm sự xói bề mặt của đê do tác động của mƣa lớn. Hình 1.5. Mái đê phía biển đƣợc trồng cỏ tại Hà Lan [54] Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu 6
Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu ổn định của đê biển và phƣơng pháp nghiên cứu 1.2.2. Các giải pháp bảo vệ mái đê phía đồng a) Trồng cỏ trên mái đê Giải pháp trồng cỏ bảo vệ mái đê phía đồng đƣợc áp dụng tại nhiều quốc gia trên thế giới. Lớp cỏ này có thể đƣợc trồng trực tiếp trên mặt đê hoặc đƣợc trồng trong các ô chia bởi cấu kiện bê tông hay các ô làm từ vật liệu địa kỹ thuật tổng hợp (geo-cell) (hình 1.6). Rễ cỏ có khả năng chống xói bề mặt do sóng tràn rất hiệu quả. Hình 1.6. Giải pháp trồng cỏ trong các ô lƣới địa kỹ thuật tổng hợp [60] c) Kết cấu thuỷ công giảm vận tốc xói do sóng tràn Để làm giảm tác động của sóng tràn, bể bê tông chứa nƣớc có thể đƣợc xây dựng trên mặt đê. Các bể này đƣợc thiết kế có độ sâu đủ lớn để có thể lƣu giữ lƣợng nƣớc do sóng tràn gây ra (hình 1.7). Lƣợng nƣớc này sau đó đƣợc xả ra mái phía đồng thông qua hệ ống thoát nƣớc hoặc để chảy tràn nhƣng trong trƣờng hợp này năng lƣợng sóng tràn đã đƣợc giảm đáng kể khi đi qua các bể tiêu năng (hình 1.8) [4]. Hình 1.7. Bể bê tông trên mái đê bẫy sóng tràn Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu 7
Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu ổn định của đê biển và phƣơng pháp nghiên cứu Hình 1.8. Bể tiêu năng trên đỉnh đê 1.2.3. Các giải pháp bảo vệ bãi phía trước đê a) Công nghệ đê mềm geotube Geotube (từ viết tắt của geotextile tube) là các túi vải địa kỹ thuật hình ống đƣợc bơm đầy cát bên trong, chúng có khả năng hoạt động nhƣ các đê mềm. Trên thế giới hiện nay công nghệ Geotube đã đƣợc ứng dụng hiệu quả cho việc phục hồi bãi biển bị xói lở (hình 1.9). Hình 1.9. Geotube đƣợc sử dụng bảo vệ bờ biển tại Ấn Độ [53] Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu 8
Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu ổn định của đê biển và phƣơng pháp nghiên cứu Về cơ bản có ba kiểu công trình Geotube: 1- Geotube đặt nửa chìm, nửa lộ thiên vuông góc với bờ nhƣ kiểu mỏ hàn, nhằm hạn chế dòng ven bờ, tăng cƣờng bồi tụ phù sa mà dòng chảy ven bờ mang theo, duy trì tại chỗ lƣợng phù sa theo cơ chế bồi tụ; 2- Geotube đặt ngầm và song song với bờ, có tác dụng làm giảm bớt năng lƣợng sóng lừng mạnh, nguy hiểm, tạo vùng sóng lừng nhỏ hơn, cho phép bùn cát lắng đọng trong vùng bị xói lở; 3- Geotube đặt sát chân và trực tiếp bảo vệ các đụn cát ven biển. b) Kè mỏ hàn Kè mỏ hàn là một loại công trình đƣợc xây dựng nhằm bảo vệ bờ biển chúng có chức năng giảm lƣu tốc dòng chảy, giảm vận chuyển bùn cát dọc bờ, tạo vùng nƣớc tĩnh để giữ bùn cát bồi cho vùng bờ, bãi bị xói và có thể giảm lực xung kích của sóng tác dụng vào bờ. Hình 1.10. Kè mỏ hàn đƣợc sử dụng ở Mỹ [58] c) Đê phá sóng ngầm từ xa Hình 1.11. Mô hình đê phá sóng ngầm bảo vệ bờ biển Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu 9
Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu ổn định của đê biển và phƣơng pháp nghiên cứu Đây là giải pháp hiệu quả đƣợc sử dụng nhằm triệt tiêu năng lƣợng sóng. Các nghiên cứu trƣớc đây chỉ ra rằng năng lƣợng sóng có thể giảm từ 15 - 50% khi sử dụng các đê phá sóng ngầm này. d) Rừng ngập mặn Rừng ngập mặn đóng vai trò rõ rệt trong việc giảm sóng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chiều cao sóng giảm do rừng ngập mặn cao hơn từ 4 - 20 lần so với giảm sóng thuần túy bằng ma sát đáy. Tuy nhiên rừng ngập mặn chỉ phát huy vai trò giảm sóng khi cây đã trƣởng thành và chiều rộng rừng đủ rộng. Hình 1.12. Rừng ngập mặn bảo vệ bãi [57] e) Nuôi bãi nhân tạo Tại một số nƣớc phát triển giải pháp nuôi bãi (beach nourishment) đối với các khu vực bờ bị xói lở mạnh cũng đƣợc áp dụng. Phƣơng pháp này thân thiện với môi trƣờng tuy nhiên cần chi phí lớn và phải duy trì thƣờng xuyên. Hình 1.13. Giải pháp nuôi bãi chống xói lở [55] Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu ổn định đê biển huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định trong bối cảnh biến đổi khí hậu 10