PHÂN TÍCH XU THẾ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG BỜ, ĐÁY KHU VỰC CỬA SÔNG ĐÁY BẰNG MÔ HÌNH MIKE

Sự hiện diện của dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ có thể nhận thấy rất dễ khi quan sát sự phát triển của đường bờ cũng như địa hình ở gần các cửa sông, các mũi đất nhô ra biển, các đập mỏ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

DƯƠNG NGỌC TIẾN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

PHÂN TÍCH XU THẾ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN

TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG BỜ, ĐÁY

KHU VỰC CỬA SÔNG ĐÁY BẰNG MÔ HÌNH MIKE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

DƯƠNG NGỌC TIẾN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

PHÂN TÍCH XU THẾ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỔI ĐƯỜNG BỜ, ĐÁY KHU VỰC CỬA SÔNG ĐÁY BẰNG MÔ HÌNH MIKE

Chuyên ngành : Hải dương học

Mã số : 60.44.97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thọ Sáo

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận văn xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng

dẫn PGS.TS Nguyễn Thọ Sáo Thầy đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt

quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này

Đồng thời, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô

giáo trong bộ môn Hải dương học, cán bộ Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải

dương học, cán bộ phòng Sau đại học Trường đại học Khoa học Tự Nhiên đã

giảng dạy, chỉ bảo, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo Trung tâm, công đoàn và

toàn thể các đồng nghiệp của Trung tâm Nghiên cứu biển và tương tác biển –

Khí quyển, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường đã tạo điều

kiện, giúp đỡ tác giả để tác giả có thể hoàn thành được khóa học và luận văn

một cách tốt nhất

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè và người

thân đã động viên tinh thần, khích lệ tác giả để luận văn được hoàn thành tốt

nhất

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3

1.1 Điều kiện tự nhiên 3

1.1.1 Địa hình, địa chất địa mạo 3

1.1.2 Chế độ khí hậu 3

1.1.2.1 Bức xạ nhiệt 3

1.1.2.2 Lượng mưa 4

1.1.2.3 Gió ven biển 4

1.1.3 Chế độ thủy văn 5

1.1.4 Chế độ hải văn 6

1.1.4.1 Sóng, thủy triều và xâm nhập mặn 6

1.1.4.2 Dòng chảy vùng cửa sông, ven biển 7

1.2 Hiện trạng bồi lắng và xói lở 7

1.2.1 Giai đoạn trước năm 1989 8

1.2.2 Giai đoạn 1989-1995 8

1.2.3 Giai đoạn 1995-nay 8

1.3 Cảng trên sông Đáy và kế hoạch nạo vét luồng 11

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 14

2.1 Tổng quan về quá trình động lực và vận chuyển bùn cát vùng bờ 14

2.1.1 Sóng 15

2.1.2 Dòng chảy 16

2.1.3 Vận chuyển bùn cát vùng ven bờ 17

2.2 Tổng quan các yếu tố ảnh hưởng đến xói lở, bồi tụ và diễn biến đường bờ 21

2.3 Tổng quan các phương pháp nghiên cứu về thủy động lực, vận chuyển bùn cát, dịch chuyển đường bờ 23

2.3.1 Phương pháp điều tra cơ bản 23

2.3.2 Phương pháp phân tích ảnh viễn thám và GIS 24

2.3.3 Phương pháp phóng xạ hạt nhân 26

2.3.4 Phương pháp mô hình vật lý 27

2.3.5 Phương pháp mô hình toán 28

2.4 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu 32

2.5 Cơ sở lý thuyết các mô hình thủy thạch động lực 34

2.5.1 Mô hình MIKE 11 34

2.5.1.1 Giới thiệu chung 34

2.5.1.2 Mô đun HD 35

2.5.1.3 Mô đun AD 39

2.5.2 Mô hình MIKE 21 40

2.5.2.1 Mô hình tính sóng MIKE 21 SW 40

2.5.2.2 Mô hình tính thủy lực Mike 21FM HD 42

2.5.2.3 Mô hình tính vận chuyển trầm tích MIKE 21 ST 45

2.5.3 Mô hình LITPACK 46

2.5.3.1 Khái quát về mô hình Litpack 46

2.5.3.2 Các mô đun trong Litpack 47

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BỒI TỤ, XÓI LỞ 51

3.1 Đặt vấn đề 51

3.2 Xây dựng bộ số liệu cơ sở cho mô hình 52

3.2.1 Địa hình, miền tính, lưới tính 52

3.2.2 Điều kiện biên 53

3.2.3 Các thông số khác 53

3.3 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình 54

3.3.1 Mô hình MIKE 11 54

3.3.2 Mô hình tính sóng MIKE 21 SW 55

3.3.3 Mô hình thủy lực MIKE 21 FM 56

3.4 Các kết quả trong nghiên cứu 58

3.4.1 Phân tích xu thế vận chuyển trầm tích 58

3.4.1.1 Mô phỏng thủy lực 59

3.4.1.2 Mô phỏng phân bố trầm tích 61

3.4.1.3 Nhận xét 65

3.4.2 Tính toán xu thế biến động bùn cát dài hạn có xét đến dâng cao mực nước biển và mô hình hóa quá trình phát triển cửa Đáy 67

3.4.2.1 Kịch bản nước biển dâng cho khu vực cửa Đáy 67

3.4.2.2 Cập nhật mực nước biển dâng trong mô hình 68

3.4.2.3 Lưu lượng dòng chảy sông 69

3.4.2.4 Kết quả 70

3.4.3 Tính toán biến đổi đường bờ có xét đến dâng cao mực nước biển do biến đổi khí hậu 76

3.4.3.1 Điều kiện tính toán 76

3.4.3.2 Bộ thông số đầu vào 76

3.4.3.3 Kết quả tính toán 80

KẾT LUẬN 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Tần suất (%) của các hướng gió và lặng gió (%) trạm Văn Lý (20007’N;106018’E) 5

Bảng 3.1 Xác suất của tốc độ gió theo các cấp tốc độ (tính bằng % của tổng số trường hợp) trạm Văn Lý (20007’N;106018’E) 5

Bảng 3.1 Độ cao trung bình h(m) hàng trên, độ cao H1% hàng dưới, chu kỳ trung bình (s) của sóng và tốc độ gió V(m/s) tại trạm Văn Lý (20007’N;106018’E) 6

Bảng 3.1 Mực nước biển dâng theo các kịch bản phát thải cho khu vực Cửa Đáy (cm) 67

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Biểu đồ phân phối lượng mưa năm trạm Văn Lý 4

Hình 1.2 Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy Năm 1989 10

Hình 1.3 Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2001 10

Hình 1.4 Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2005 11

Hình 1.5 Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2009 11

Hình 2.1 Những hệ thống vận chuyển bùn cát mở và đóng (US ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002) 18

Hình 2.2 Sơ đồ biến đổi mặt cắt của một bãi biển do một cơn bão (US ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002) 20

Hình 2.3 Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott 36

Hình 2.4 Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t 36

Hình 2.5 Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ 37

Hình 2.6 Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu 37

Hình 2.7 Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng 37

Hình 2.8 Các thành phần theo phương x và y 45

Hình 2.9 Các mô đun trong mô hình Litpack 47

Hình 3.1 Các bộ thông số và các mô hình toán cơ bản sử dụng trong nghiên cứu 51 Hình 3.2 Địa hình khu vực nghiên cứu 52

Hình 3.3 Minh họa lưới tính sử dụng trong mô phỏng 53

Hình 3.4 So sánh nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Như Tân trên sông Đáy 55 Hình 3.5 Độ cao và hướng sóng đặc trưng cho các tháng trong năm 55

Hình 3.6 Vị trí các điểm hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình 56

Hình 3.7 So sánh mực nước thực đo và tính toán tại điểm HC (trạm đo Ninh Cơ;106012’7.14”E, 2001’26.49”N) 57

Hình 3.8 So sánh mực nước tính toán bằng mô hình và tính toán từ bộ hằng số điều hòa tại điểm KN1 (106035’E, 20013’N) 57

Hình 3.9 So sánh mực nước tính toán bằng mô hình và tính toán từ bộ hằng

số điều hòa tại điểm KN2 (106006’E, 19055’N) 58

Hình 3.10 So sánh mực nước tính toán bằng mô hình và tính toán từ bộ

hằng số điều hòa tại điểm KN3 (105056’E, 19051’N) 58

Hình 3.11 Biến trình lưu lượng qua mặt cắt tại trạm Như Tân trên sông Đáy

Hình 3.14 Mực nước tính toán lúc 0h ngày 15 tháng 8 năm 2010 61

Hình 3.15 Mực nước tính toán lúc 0h ngày 15 tháng 1 năm 2010 61

Hình 3.16 Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Như Tân năm 2010

62

Hình 3.17 Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Phú Lễ năm 2010 62

Hình 3.18 Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Ba Lạt năm 2010 62

Hình 3.19 Biến đổi đáy lúc 0h ngày 1-6-2010 (thời điểm đầu mùa mưa) 63

Hình 3.20 Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 1-6-2010 (thời điểm đầu

mùa mưa) 63

Hình 3.21 Biến đổi đáy lúc 0h ngày 1-10-2011 (thời điểm cuối mùa mưa) 64

Hình 3.22 Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 1-10-2011(thời điểm

cuối mùa mưa) 64

Hình 3.23 Biến đổi đáy lúc 0h ngày 31-12-2010 (sau 1 năm tính toán) 65

Hình 3.24 Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 31-12-2010 (sau 1 năm

tính toán) 65

Hình 3.25 Kịch bản mực nước biển dâng tại khu vực cửa Đáy 68

Hình 3.26 Biến trình lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt các trạm trong 20

Hình 3.27 Biến trình mực nước tính toán tại điểm gần cửa Đáy (10605’E;

19050’N) 71

Hình 3.28 Địa hình khu vực cửa Đáy ban đầu 71

Hình 3.29 Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 1 năm tính

số liệu vệ tinh năm 2001 80Hình 3.41 So sánh đường bờ tính toán bằng mô hình và đường bờ trích ra từ

số liệu vệ tinh năm 2010 80Hình 3.42 Mức độ biến đổi đường bờ khu vực Cửa Đáy giai đoạn từ năm

1990 tới năm 2001 (số liệu tính toán từ ảnh vệ tinh) 81Hình 3.43 Mức độ biến đổi đường bờ khu vực Cửa Đáy giai đoạn từ năm

1990 tới năm 2010 (số liệu tính toán từ ảnh vệ tinh) 81

MỞ ĐẦU

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu

toàn cầu, thiên tai ngày một gia tăng, đặc biệt là bão, kèm theo lũ lụt và nước dâng

do bão Các thiên tai này, đã đang và sẽ gây ra những thiệt hại lớn về người và của

Vì vậy, vấn đề tính toán và dự báo các quá trình thủy động lực cũng như biến đổi

đường bờ và địa hình đáy có thể xảy ra cho từng khu vực là một trong những biện

pháp tích cực nhằm phòng tránh, đề ra những giải pháp cần thiết để giảm tối thiểu

thiệt hại

Sông Hồng là con sông lớn nhất của miền bắc Việt Nam, hằng năm đã mang

phù sa làm giàu thêm cho đồng bằng sông Hồng Các con sông của hệ thống sông

Hồng đưa bùn cát ra biển qua các cửa sông trong đó phải kể đến là 3 sông lớn: Sông

Hồng chảy qua cửa Ba Lạt, sông Ninh Cơ và sông Đáy Quá trình tương tác giữa

động lực sông – biển gây ra quá trình bồi tụ, lắng đọng và xói lở vùng ven biển

Khu vực cửa sông Đáy thuộc tỉnh Ninh Bình đang có những thay đổi đáng kể về

quá trình bồi tụ và lắng đọng trầm tích Ở đây mức độ bồi tụ đang diễn ra rất mạnh

Bồi tụ ven bờ và quá trình lấn biển làm tăng thêm diện tích đất tự nhiên nhưng cũng

có ảnh hưởng nhất định đến chế độ động lực và khả năng thoát lũ ở các sông Bên

cạnh đó, hiện tượng nước biển dâng đã và đang ảnh hưởng sâu sắc tới Việt Nam nói

chung và tỉnh ven biển Ninh Bình nói riêng Nước biển dâng có thể dẫn đến những

hậu quả rất lớn đối với sinh kế và sự thịnh vượng của cư dân ở những vùng này

Những vùng đất có giá trị cao có thể sẽ bị mất Các đầm tôm, cua có thể bị di dời và

các ngư trường ven biển có thể biến mất Những vùng không ngập mặn thường

xuyên ở khu vực lận cận có thể bị ảnh hưởng và không còn phù hợp cho sản xuất

nông nghiệp Sự đa dạng của các hệ động thực vật ven biển tại khu vực cửa sông

ven biển có thể bị suy giảm Rừng ngập mặn –hệ sinh thái quan trọng ở vùng cửa

sông, ven biển - có thể bị giảm về quy mô hoặc hoàn toàn biến mất, v.v

Hiện nay, phương pháp mô hình toán đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi trường Đây là phương pháp hiện đại, phát triển mạnh trong mấy chục năm trở lại đây ở nước ta cũng như trên thế giới Việc áp dụng phương pháp này đòi hỏi kiến thức liên ngành của nhiều chuyên gia và phải qua nhiều bước như lựa chọn, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh xác định thông số của mô hình và cuối cùng là ứng dụng mô hình để đánh giá,

dự báo Các mô hình toán ngày càng chứng tỏ là một công cụ mạnh và đắc lực bởi khả năng cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, phạm vi ứng dụng rộng, dễ dàng thay đổi các kịch bản bài toán, nhất là trong việc tính toán, mô phỏng các hệ thống lớn Ở Việt Nam, mô hình số trị đã và đang được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn nghiên cứu và tính toán dự báo thủy động lực và môi trường biển, trong đó có tính toán vận chuyển bùn cát và biến động đường bờ

Trong nghiên cứu này, đã sử dụng bộ mô hình MIKE của viện thủy lực Đan Mạch để mô phỏng, đánh giá và dự báo chế độ thủy động lực cũng như xói lở, bồi

tụ và quá trình biến đổi đường bờ tại khu vực cửa sông Đáy thuộc tỉnh Ninh Bình

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN

CỨU 1.1 Điều kiện tự nhiên

1.1.1 Địa hình, địa chất địa mạo

Về mặt địa hình, khu vực ven biển Cửa Đáy tương đối bằng phẳng, hơi

nghiêng về phía biển, độ dốc nhỏ, dao động từ 0,04 đến 0,05 m/km Độ cao trung

bình vùng ven biển khu vực nghiên cứu dao động từ 0 đến 2 m Với các hệ thống đê

quai lấn biển đã làm nên các khu vực có địa hình tương đối thấp

Về mặt địa chất - địa mạo, khu vực Cửa Đáy nằm trong khu vực đồng bằng

Sông Hồng (ĐBSH) nên các đặc tính địa chất địa mạo mang đặc tính chung của khu

vực đồng bằng Sông Hồng, toàn bộ khu vực nằm trên đới sụt lún thuộc trũng Sông

Hồng, có các đứt gẫy kiến tạo quan trọng chi phối là các đứt gẫy sông Hồng, sông

Chảy, sông Lô và các đứt gẫy nhỏ hơn như Vĩnh Ninh, Thái Bình Quá trình sụt lún

ở châu thổ được bù đắp bởi lượng phù sa dồi dào Tốc độ sụt lún trong Đệ tứ được

xác định là 0,12 mm/năm ở vùng đông bắc và 0,06 mm/năm ở rìa tây nam Trong

đới cấu trúc võng sụt lún, các móng đá gốc thể hiện rất ít trên bề mặt đồng bằng

(dạng đồi núi sót), hầu hết bị chôn vùi dưới lớp phủ của các lớp trầm tích từ Neogen

đến Đệ tứ Lớp trầm tích Holocen rất đa dạng về thành phần và nguồn gốc; trầm

tích Holocen thượng (Q23) có tuổi trẻ nhất (cách đây 3000 năm) phân bố rộng rãi ở

ĐBSH, bao gồm cát, bột, bột sét, bùn sét Sau Holocen muộn là giai đoạn phát triển

châu thổ hiện đại, chịu ảnh hưởng rất lớn bởi các hoạt động của con người, trong đó

có việc đắp đê ngăn lũ đã làm mất mối trao đổi phù sa giữa sông và đồng bằng, làm

cho bề mặt ĐBSH vốn chưa được bồi đầy lại có thêm nhiều ô trũng

1.1.2 Chế độ khí hậu

Khu vực cửa Đáy chịu ảnh hưởng của hai hệ thống gió mùa đông bắc và gió

mùa tây nam có tính chất đối ngược nhau

1.1.2.1 Bức xạ nhiệt

Khu vực nghiên cứu nằm trong miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, với lượng bức xạ tổng cộng trung bình năm khoảng 105 - 120 Kcal/cm2 và có số giờ nắng thuộc loại trung bình, đạt khoảng 1600 - 1750 giờ/năm, trong đó tháng VII có số giờ nắng nhiều nhất đạt 200 - 230 giờ/tháng và tháng II, III có số giờ nắng ít nhất khoảng 25 - 45 giờ/ tháng Chế độ nắng cũng giống như chế độ nhiệt, nó ảnh hưởng đến tốc độ và dạng phân huỷ các hợp chất hữu cơ và nồng độ ôxy hoà tan trong nước Nhiệt độ không khí trung bình: 22,2 - 23,60 C; tháng 7 có nhiệt độ cao nhất (28,2 - 29,40 C) và tháng 1 thấp nhất (14,7 - 16,80 C)

1.1.2.2 Lượng mưa

Lượng mưa hàng năm dao động từ 1520 đến 1850 mm Mùa mưa bắt đầu từ cuối tháng IV và kết thúc vào tháng X, chiếm 82¸90% lượng mưa cả năm Mưa lớn tập trung vào hai tháng VII-VIII Lượng mưa ngày lớn nhất đạt tới 350¸500 mm

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Mùa đông gió có hướng thịnh hành là Đông Bắc, tần suất đạt 60 - 70% Mùa

hè các tháng V, VI, VII hướng gió ổn định, thịnh hành là Đông và Đông Nam, tần suất đạt khoảng 60 - 70% Tháng VIII hướng gió phân tán, hướng thịnh hành nhất cũng chỉ đạt tần suất 20 - 25% Các tháng chuyển tiếp hướng gió không ổn định, tần suất mỗi hướng thay đổi trung bình từ 10 - 15% Tốc độ gió trung bình thay đổi từ 3

- 4,5 m/s, tốc độ gió lớn nhất đạt 30 - 40 m/s (thường là trong dông hoặc bão)

Bảng 3.1 Tần suất (%) của các hướng gió và lặng gió (%) trạm Văn Lý

Nguồn : Sổ tay tra cứu các đặc trưng KTTV vùng thềm lục địa Việt Nam, 2000

Bảng 3.1 Xác suất của tốc độ gió theo các cấp tốc độ (tính bằng % của tổng số

trường hợp) trạm Văn Lý (20 0 07’N;106 0 18’E)

Tháng

Tốc độ gió

10-11 12-

13 14-

15 16-

17 18-

20 21-

24 25-

28 29-

34 35-

Sông Đáy là con sông chính của tỉnh Ninh Bình, là một phân lưu của sông

Hồng, nhận nước của sông Hồng ở địa phận Hà Nội Sông Đáy có chế độ dòng chảy

phức tạp do ở thượng lưu đã bị chia cắt bởi sông Hồng, lại chịu ảnh hưởng của các

sông nội địa và đoạn hạ lưu chịu ảnh hưởng của thủy triều

Dòng chảy sông Đáy có hai mùa với thời gian dài gần như nhau nhưng lưu

lượng rất chênh lệch Mùa mưa dài gần 6 tháng (từ tháng VI đến đầu tháng XI),

chiếm 75¸80% lượng nước cả năm Mùa kiệt dài hơn 6 tháng (từ cuối tháng XI đến

tháng V năm sau), chiếm dưới 25% lượng nước trong năm Vào mùa kiệt tốc độ

dòng chảy nước sông dao động khoảng 0,2-0,4 m/s Trong mùa mưa, dòng chảy sông ngòi lấn át dòng triều nên chỉ có một hướng chảy từ sông ra biển

1.1.4 Chế độ hải văn

1.1.4.1 Sóng, thủy triều và xâm nhập mặn

Vào mùa đông (từ tháng XI - III năm sau), hướng sóng chính ngoài khơi là hướng Đông Bắc với tần suất 51¸7% Tuy nhiên, do ảnh hưởng bởi địa hình có hướng Đông Bắc - Tây Nam, vùng ven bờ khu vực cửa Đáy thịnh hành sóng hướng sóng Đông và Đông Nam Vào mùa hè (từ tháng VI - IX), hướng sóng nam thịnh hành ngoài khơi chiếm 37¸60% và vùng ven biển là các hướng sóng Đông Nam chiếm 24% và Nam chiếm 20% Về mặt độ lớn, sóng trong mùa hè có độ cao lớn hơn trong mùa đông, do chịu ảnh hưởng mạnh của bão và áp thấp nhiệt đới Độ cao sóng ven bờ lớn nhất tới 4-5 m và ở ngoài khơi là 9-10 m

Bảng 3.1 Độ cao trung bình h(m) hàng trên, độ cao H 1% hàng dưới, chu kỳ trung bình (s) của sóng và tốc độ gió V(m/s) tại trạm Văn Lý (20 0 07’N;106 0 18’E)

Các đặc trưng

Tháng trong năm

Suất đảm bảo chế độ

% 1

H

h

% 1

H

h

% 1

H

h

% 1

H

h

% 1

H

h

50 năm 0.4 3.0 3.5 0.4 3.0 3.5 0.5 3.5 4.0 0.5 3.5 4.0 0.5 3.5 4.0

20 năm 0.5 3.5 5.5 0.6 3.5 5.5 0.8 4.0 6.0 0.7 4.0 6.0 0.7 4.0 7.0

5 năm 0.8 4.0 7.5 0.9 4.0 7.5 1.1 4.4 9.0 1.1 4.4 9.0 1.0 4.4 10.0

1 năm 1.0 4.3 10 1.1 4.4 10.5 1.5 5.5 12.0 1.5 5.5 13.0 1.5 5.5 14.5

Nguồn: Sổ tay tra cứu các đặc trưng KTTV vùng thềm lục địa Việt Nam (2000)

Chế độ triều: Khu vực cửa Đáy là khu vực có chế độ nhật triều đều điển hình với 1 lần nước lên và 1 lần nước xuống trong ngày với biên độ triều dao động khá

lớn, từ 1,0 - 2,0 m Với độ lớn như vậy, vào thời kỳ triều cường, thủy triều gây ảnh

hưởng lớn đến khả năng tiêu thoát nước thải, thoát lũ, tiêu úng của của sông

Xâm nhập mặn: trong mùa cạn, do lượng nước trong sông đã giảm nhiều nên

khi triều lên, xuất hiện hiện tượng nước chảy ngược từ biển vào trong sông, mang

theo nước mặn, càng vào sâu trong sông độ mặn càng giảm

1.1.4.2 Dòng chảy vùng cửa sông, ven biển

Dòng chảy tại khu vực này chịu chi phối bời các thành phần tuần hoàn và phi

tuần hoàn Thành phần tuần hoàn bao gồm các loại dòng phát sinh do sóng thuỷ

triều sinh ra, như dòng nhật triều, dòng bán nhật triều Thành phần phi tuần hoàn

gồm các thành phần hình thành do lũ trong sông, dòng dư sinh ra từ sóng, dòng sinh

ra do gió thổi trên bề mặt

Vào mùa đông, dòng chảy tổng cộng ở vùng này chủ yếu là do sự đóng góp

của dòng chảy gió và dòng triều Vì vậy về mùa đông, dòng chảy ở vùng xem xét

thường có hướng dọc theo bờ, đó là hướng chủ đạ Từ tháng XII đến tháng I, tại khu

vực, xuất hiện chế độ dòng chảy ngược chiều nhau Ở vùng biển thoáng, dòng chảy

có hướng nam do ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc, trong khi đó tại ven bờ, tồn tại

dòng ven có hướng từ nam lên bắc Tốc độ dòng chảy tổng cộng thường không lớn,

vào khoảng 20-40cm/s

Vào mùa hè, bức tranh dòng chảy khác với mùa đông Ở gần bờ vùng này

không quan sát thấy dòng ven có hướng từ nam lên bắc nữa Tốc độ dòng chảy

vùng ngoài khơi và ven bờ chỉ khoảng 20-30cm/s Tốc độ dòng chảy trong cửa sông

cao hơn, đạt tới gần 100cm/s, thậm chí cao hơn trong thời kỳ mùa lũ do ảnh hưởng

mạnh bởi dòng chảy trong sông

1.2 Hiện trạng bồi lắng và xói lở

Vùng cửa Đáy có xu hướng bồi tụ mạnh nhờ có nguồn bồi tích rất dồi dào từ

hệ thống sông Hồng và cửa sông nằm ở vùng bờ biển lõm, tránh được các hướng

sóng chính có tác động mạnh

Khu vực cửa Đáy mặc dù có khối lượng bùn cát đưa ra biển rất lớn nhưng

không tạo thành kiểu bồi tụ lấp đầy nối cồn như cửa Ba Lạt, Trà Lý hay Lạch

Giang Tại khu vực này, ngoài lượng bùn cát đưa ra từ sông Đáy, còn là nơi lắng đọng của dòng bùn cát dọc bờ đưa xuống từ phía Đông Bắc từ sông Hồng (cửa Ba Lạt và cửa Ninh Cơ) Dòng bùn cát này bị ngăn lại bởi địa hình và chế độ dòng chảy của sông Đáy và lắng đọng lại ở ven bờ, lấp đầy khoảng trống giữa cửa Đáy và cồn ngầm ở phía ngoài Vì vậy, bãi bồi tại khu vực Cửa Đáy có diện tích rất lớn và khoảng cách giữa cồn ngầm và bãi bồi phía trong hầu như không đáng kể

1.2.1 Giai đoạn trước năm 1989

Cửa Đáy phát triển mạnh về phía biển và vùng bồi tụ diễn ra chủ yếu phía ven biển huyện Kim Sơn Ở ven biển Kim Sơn, sau đợt quai đê Bình Minh-1 vào năm 1959 lấn ra biển tới 1100 ha đất mặn, đến năm 1980-1982 tiếp tục quai tuyến

đê Bình Minh-2 có chiều dài 14,7 km và lấn biển tới 1.932 ha đất mặn sú vẹt Tính chung, ở ven biển Kim Sơn trong thời gian 25 năm (1965-1989) bãi bồi mở rộng ra biển 2000¸3400 ha với tốc độ lấn biển đạt 80 -136 m/năm và trung bình là 108 m/năm Ngược lại, vùng ven biển Nghĩa Hưng có tốc độ phát triển chậm hơn, vùng bồi chỉ rộng 900-1800 m, tương đương tốc độ phát triển 37-76 m/năm và trung bình

là 57 m/năm Vùng bồi tụ ở cửa sông trong giai đoạn này hiện nay là địa phận các

xã Kim Hải, Kim Tiến, Kim Trung, Kim Đông (huyện Kim Sơn) và xã Nam Điền (huyện Nghĩa Hưng)

1.2.2 Giai đoạn 1989-1995

Đây là thời kỳ đầu nhà máy thủy điện Hòa Bình bước vào hoạt động, có những thay đổi về chế độ dòng chảy và dòng bùn cát trong sông Hồng, nhưng cửa Đáy vẫn tiếp tục phát triển mạnh nhờ nguồn bồi tích ven biển còn dồi dào và trong thời gian này ít có bão và áp thấp nhiệt đới tác động Vùng bồi tụ diễn ra chủ yếu phía ven biển huyện Kim Sơn Bãi bồi Kim Sơn lấn thêm ra biển 900 - 1800 m, tương đương tốc độ phát triển 150 - 300 m/năm, trung bình là 225 m/năm Vùng bồi

tụ mạnh là tiền đề cho việc quai tuyến đê Bình Minh-3 Phía ven biển Nghĩa Hưng, vùng bồi tụ chủ yếu là các doi cát dọc cửa sông Đáy, nhưng tốc độ diễn ra chậm hơn phía ven biển huyện Kim Sơn

1.2.3 Giai đoạn 1995-nay

Các bãi bồi cửa Đáy tiếp tục phát triển và đưa cửa sông kéo dài về phía biển

Ven biển huyện Nghĩa Hưng hình thành bãi bồi lớn với diện tích rộng tới 670 ha là

tiền đề của vùng đất mới trong tương lai Huyện Kim Sơn triển khai công cuộc quai

đê lấn biển lần thứ 7 sau khi thành lập huyện vào năm 1829 với việc khởi công xây

dựng tuyến đê Bình Minh-3 vào năm 2000; tuyến đê này có tổng chiều dài tới 15,5

km Tốc độ phát triển bãi bồi phía huyện Kim Sơn đạt 100¸180 m/năm và trung

bình là 140 m/năm Bãi bồi ven biển huyện Nghĩa Hưng phát triển nhanh hơn, đạt

tốc độ 300 tới 350 m/năm

Trong thời gian này cửa Đáy phát triển kéo dài nhanh, ngoài các nhân tố tự

nhiên thuận lợi còn có các hoạt động nhân tạo gia tăng, đó là việc đẩy mạnh trồng

rừng ngập mặn và quai đê lấn biển Một điểm đáng chú ý là vùng đất mới ở huyện

Kim Sơn nằm giữa các tuyến đê Bình Minh-2 và đê Bình Minh-3 có cao độ rất thấp,

trung bình 0,3 tới 0,6 m và đây là điều kiện bất lợi cho qui hoạch phát triển trong

tương lai trên vùng đất thấp ven biển tỉnh Ninh Bình

Các ảnh vệ tinh trong các thời gian khác nhau được đưa ra trong các hình 1.2

đến 1.5 dưới đây đưa ra những hình ảnh cụ thể về sự biến đổi đường bờ và quá trình

bồi tụ tại khu vực Cửa Đáy trong thời gian từ năm 1989 đến 2009

Hình 1.2 Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy Năm 1989

Hình 1.3 Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2001

Hình 1.4 Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2005

Hình 1.5 Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2009

1.3 Cảng trên sông Đáy và kế hoạch nạo vét luồng

Khu vực cửa sông Đáy và phía trong sông thuộc địa phận tỉnh Ninh Bình

hiện có 5 cảng hoạt động, trong đó ba cảng có yếu tố nước ngoài là: Ninh Phúc,

Tiên Hưng, Kim Sơn và hàng loạt nhà máy tại bảy khu công nghiệp, cụm công nghiệp của tỉnh Cảng Ninh Phúc hiện là cảng sông có quy mô lớn nhất miền Bắc đồng thời là một trong những cảng nội địa lớn nhất Việt Nam Cảng đảm bảo nhận tàu cỡ 3000 DWT cập bến, công suất đạt 2,5 triệu tấn/năm Cảng nằm dọc bờ hữu sông Đáy thuộc các xã Ninh Phúc (thành phố Ninh Bình) và Khánh Phú, Khánh Hòa (Yên Khánh, Ninh Bình) Cảng Ninh Phúc có chiều dài hơn 3 km, chiều dài 1 bến là 500m, diện tích bến là 12,5 ha Cảng Ninh Phúc nằm ở bờ trái sông Đáy, đảm bảo công tác vận tải đường thủy các tuyến giao thông đường thủy Cửa Đáy - Ninh Bình, Ninh Bình - Hà Nội, Ninh Bình - Nam Định - Hải Phòng - Quảng Ninh, Ninh Bình - Thanh Hóa Gần Cảng Ninh Phúc là cảng Ninh Bình có công suất đạt 1,6 triệu tấn/năm, đảm bảo cho tàu biển trên 1.000 DWT ra vào thuận lợi Cảng Ninh Phúc được xây dựng từ cuối năm 1995 với tổng giá trị 125 tỷ đồng Ngày 27/6/2000 Cảng Ninh Phúc chính thức đưa vào khai thác Cảng được Bộ Giao thông vận tải quyết định công bố được tiếp nhận phương tiện thuỷ nội địa, tàu biển Việt Nam và nước ngoài có trọng tải đến 3.000 tấn Ninh Phúc là một cảng hàng hoá nằm trên đầu mối giao thông thuỷ - bộ quan trọng tại khu vực rộng lớn phía Nam của các tỉnh Bắc bộ và phía Bắc của các tỉnh miền Trung thông qua tuyến sông Đáy ra biển Đông đi các tỉnh kéo dài từ Quảng Ninh tới Đà Nẵng và thông thương với các nước trong khu vực và quốc tế

Việc xuất hiện của hàng loạt các khu công nghiệp, hàng loạt nhà máy lớn ra đời như: Nhà máy xi măng Tam Điệp; xi măng Vinakansai; xi măng Hướng Dương;

xi măng Duyên Hà; xi măng Bỉm Sơn; xi măng Bút Sơn; nhà máy cán thép liên doanh Tam Điệp (công suất 120 tấn/năm); nhà máy phân lân nung chảy (công suất hiện tại khoảng 120 tấn/năm) ; các cơ sở sản xuất gạch, ngói, hàng thủ công mỹ nghệ, chế biến nông - lâm sản xuất khẩu là nguồn hàng đáng kể thông qua cảng hàng năm Cùng với việc đầu tư xây dựng cảng Ninh Phúc, tuyến luồng giao thông đường thuỷ trên sông Đáy, đặc biệt là cửa Đáy thông với biển cũng được nạo vét, cải tạo nâng cao độ sâu, lắp đặt hệ thống phao tiêu, báo hiệu, đèn báo cửa biển phục

vụ tàu thuyền qua lại vào cảng một cách thuận lợi và an toàn Vì vậy, lưu lượng

phương tiện vận tải đường biển ra, vào cảng làm hàng ngày càng tăng lên

Theo kế hoạch của UBND tỉnh Ninh Bình thì dự án nạo vét luồng vào cửa

Đáy được thực hiện từ năm 2008 tới 2015 Trong khuôn khổ của dự án trên, có cả

việc nạo vét cửa Đáy, sông Đáy nhằm đảm bảo cho tàu 5.000 tấn ra vào cửa Đáy,

sông Đáy thuận lợi mà không cần phải chờ đến thuỷ triều Ngoài ra, theo nghị định

04/2011/NĐ-CP ngày 14/01/2011 của Chính phủ thì luồng dẫn của sông Đáy cũng

sẽ được nạo vét phục vụ quá trình tiêu thoát lũ cho các tỉnh thuộc đồng bằng sông

Hồng

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU 2.1 Tổng quan về quá trình động lực và vận chuyển bùn cát vùng bờ

Động lực bờ biển là các quá trình tương tác qua lại giữa bờ biển và các yếu

tố thủy động lực Thực tế bờ biển luôn biến đổi một cách liên tục dưới tác dụng của sóng và dòng chảy tại nhiều phạm vi không gian và bước thời gian khác nhau Ví dụ như khi bờ biển chịu tác động của một con sóng đơn làm bùn cát ở ven bờ nổi lơ lửng trong nước và dòng chảy do sóng sinh ra sẽ vận chuyển bùn cát bị nổi lơ lửng này về phía hạ lưu của dòng chảy dọc bờ Quá trình tác động của sóng đơn này chỉ diễn ra trong vòng vài giây và có phạm vi tác động trong dải sóng vỡ mà thôi Nhưng khi quá trình này diễn ra liên tục trong nhiều ngày hoặc nhiều năm, nó có thể gây ra hiện tượng xói lở bờ biển kéo dài trên một vùng rộng vài trăm mét đến hàng chục kilômét Quá trình xói lở bãi biển, xói lở tại chân các đụn cát do ảnh hưởng của bão lại có thể xảy ra chỉ trong vài giờ, hoặc 1 ngày Do ảnh hưởng của sóng bão và nước dâng do bão, đường bờ thay đổi rất nhanh chóng nhưng quá trình

tự khôi phục lại bãi biển sau đó có thể diễn ra trong một vài tháng hoặc trong cả mùa kế tiếp Hiện tượng xói lở hoặc bồi tụ liên tục trong thời gian nhiều tháng, nhiều năm sẽ dẫn tới đường bờ bị suy thoái (hoặc phát triển) vào trong đất liền Cũng có những quá trình diễn biến bờ biển đòi hỏi phải được xem xét trên một phạm vi rộng đến hàng trăm kilômét và trong khoảng thời gian hàng trăm năm, ví

dụ như những quá trình thành tạo và phát triển của các đồng bằng châu thổ sông Hồng hay đồng bằng sông Cửu Long, hay quá trình phát triển, suy thoái và thay thế của các cửa sông trên một hệ thống các cửa sông đổ ra biển Những hiểu biết về các diễn biến bờ biển trong quá khứ với thời đoạn dài (khoảng vài trăm năm đến hàng nghìn năm) là rất quan trọng vì nó sẽ cho biết được những thông tin cần thiết để diễn giải được các nhân tố chính đã từng có tác động đến hình dạng của đường bờ biển trong quá khứ; thông qua các suy đoán trên cơ sở các luận cứ đã có Có thể các

nhân tố tác động này vẫn đang tiếp tục diễn ra trong hiện tại tuy với mức độ nhỏ

hơn so với quá khứ

Theo Dean và Dalrymple (2004), trong vòng 50 năm trở lại đây, kỹ thuật bờ

biển đã trở thành một ngành khoa học hoàn chỉnh với các nghiên cứu chuyên sâu

với mục tiêu là nắm bắt được các quy luật của quá trình diễn biến bờ biển và phát

triển các chiến lược ứng phó có hiệu quả đối với hiện tượng xói lở bờ biển Với các

tiếp cận nghiên cứu ngày càng cụ thể và sâu sắc hơn, cho tới nay những vấn đề về

quá trình diễn biến bờ biển đã được hiểu biết một cách tương đối toàn diện và hiêu

bao gồm: khả năng phân tích, tổng hợp các quá trình diễn ra trong tự nhiên cũng

như năng lực diễn giải, giải thích các hiện tượng phức tạp; đôi khi là sự mâu thuẫn

giữa các căn cứ, bằng chứng và các kinh nghiệm đạt được từ các nghiên cứu trên

một loạt các bờ biển cũng như công việc thực hiện tại các dự án có liên quan tới kỹ

thuật bờ biển

Tuy vậy, việc mô tả toán học các hiện tượng tự nhiên diễn ra ở bờ biển, nhất

là mô tả các chuyển động phức tạp của dòng chảy và bùn cát ở bờ biển vẫn còn hạn

chế, đây cũng là nguyên nhân làm hạn chế khả năng mô phỏng và dự báo các diễn

biến ở bờ biển trong thời đoạn dài bằng các mô hình toán học Nhiều nghiên cứu về

các hiện tượng, quá trình diễn biến ở bờ biển đang tiếp tục được thực hiện thông

qua việc so sánh các kết quả tính toán với các đo đạc thực tế tại bờ biển và các

nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Tuy nhiên, những nghiên cứu chuyên sâu về

lĩnh vực này, nhất là về động lực ở bờ biển trong điều kiện tự nhiên vẫn là một

trong những lĩnh vực nghiên cứu đầy thú vị và thu hút được sự quan tâm của rất

nhiều nhà khoa học thuộc chuyên ngành kỹ thuật bờ biển Các yếu tố động lực

chính tác động đến quá trình bồi xói và biến đổi đường bờ có thể bao gồm: 1) sóng;

2) dòng chảy

2.1.1 Sóng

Khi sóng tiến vào bờ, một số đặc trưng sóng thay đổi, chủ yếu do độ sâu

nước thay đổi Khi bờ là dạng tường đứng sóng sẽ bị phản xạ, bất chấp độ sâu nước

như thế nào Tốc độ truyền sóng và bước sóng giảm khi đi vào vùng nước nông Bỏ

qua ma sát đáy thì năng lượng truyền qua một đơn vị dài sẽ không đổi Điều đó có nghĩa rằng, ban đầu chiều cao sóng giảm và khi đi vào vùng nông thì mực nước tăng một cách đáng kể, được biết là hiệu ứng nước nông Khi sóng tiến vào không vuông góc với đường bờ thì sẽ có sự kết hợp của hiệu ứng nước nông với hiện tượng khúc xạ Khi tiến vào vùng nước nông, sóng không duy trì như ở ngoài nước sâu ta gọi là hiện tượng sóng vỡ Sau đường sóng vỡ, khi gặp địa hình đường bờ không thẳng, sẽ xảy ra hiện tượng các tia sóng tiến vào vuông góc với bờ tại mỗi điểm với chiều cao sóng khác nhau mà ta gọi là hiện tượng nhiễu xạ Trong quá trình tiến vào bờ chỉ có một tham số không thay đổi, đó là chu kỳ sóng Điều đó có nghĩa là nếu xem xét tại một đường xác định (song song với bờ) trong một thời khoảng xác định thì số sóng đi qua nó bằng với số sóng vỗ vào đường bờ Tuy nhiên, các sóng có bậc cao hơn được tạo ra do ma sát, cho nên ngoài chu kỳ chính, còn những dao động tuần hoàn khác của sóng tồn tại Điều đó có nghĩa là đối với trường sóng ngẫu nhiên thì chu kỳ sóng có khác chút ít với trường sóng đều

2.1.2 Dòng chảy

Dòng chảy ven bờ là tổng hợp của quá trình tác động, theo yếu tố lực sinh ra, thì dòng chảy ven bờ chủ yếu sinh ra bởi dòng chảy gây ra bởi sóng, gió và dao động triều Dòng chảy sinh ra do sóng và gió là yếu tố quan trọng trong quá trình vận chuyển và lan truyền bùn cát trong vùng ven bờ Trong khi đó, dòng chảy do triều thường mang tính chi phối chính trong vịnh, các vùng cửa sông

Theo tính chất và đặc điểm, có thể phân dòng chảy ven bờ ra các loại: dòng chảy dọc bờ, dòng chảy ngang bờ và dòng tách bờ Dòng chảy dọc bờ do sóng và gió sinh ra chảy song song với bờ biển, thường là mạnh nhất ở vùng ven bờ và giảm nhanh khi ra biển bên ngoài dải sóng vỡ Các dòng này được sinh ra bởi gradient thông lượng động lượng (ứng suất phát xạ) do sự suy giảm của trường sóng tới xiên góc và thành phần dọc bờ của gió Nói chung, dòng chảy dọc bờ có vận tốc trung bình khoảng 0.3 m/s hoặc nhỏ hơn, nhưng cũng có thể vượt 1 m/s khi có bão Vận tốc dòng ven bờ gần như không đổi theo độ sâu (Visser, 1991) Không như dòng chảy dọc bờ, dòng chảy ngang bờ thay đổi theo chiều sâu Phần vật chất do sóng

vận chuyển về phía bờ biển tập trung giữa chân sóng và đỉnh sóng Vì gần như toàn

bộ vật chất truyền tới bị bờ biển ngăn lại nên dòng vật chất phía trên chân sóng cân

bằng với dòng chảy ngược phía dưới chân sóng (dòng rút) Dòng tách bờ (rip

current) thường mạnh và hẹp, có hướng chảy về phía biển và đi qua vùng sóng vỡ,

thường có tác dụng vận chuyển các vật trôi nổi và bùn cát tạo thành những luồng

dòng chảy có màu sắc hoàn toàn khác biệt với vùng nước ở xung quanh nó

2.1.3 Vận chuyển bùn cát vùng ven bờ

Vận chuyển bùn cát ven biển là một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu

cần phải xem xét đối với bất kỳ giải pháp kiểm soát xói lở bờ biển nào Bùn cát

được di chuyển dưới tác động của sóng, gió, và dòng chảy ven bờ Quá trình vận

chuyển bùn cát sẽ quyết định xói lở hay bồi tụ Các vấn đề liên quan tới diễn biến

bờ biển thường gặp là hiện tượng thiếu hụt bùn cát dẫn tới bờ biển bị xói lở; hay

hiện tượng dư thừa bùn cát gây nên những vấn đề như bồi lấp các cửa sông, giảm

khả năng thoát lũ qua cửa, hay luồng tàu vào cảng, đôi khi là bồi lấp cảng

Vận chuyển bùn cát ở vùng ven biển thường được phân thành hai hình thức

vận chuyển bùn cát riêng biệt, đó là vận chuyển bùn cát theo phương song song với

đường bờ hay còn gọi là vận chuyển bùn cát dọc bờ; và vận chuyển bùn cát theo

phương vuông góc với đường bờ, hay còn gọi là vận chuyển bùn cát ngang bờ Nhìn

chung, vận chuyển bùn cát dọc bờ và cụ thể là gradient của vận chuyển bùn cát dọc

bờ là nguyên nhân chính gây nên sự diễn biến của đường bờ trong thời đoạn dài;

nhưng ngược lại, vận chuyển bùn cát theo phương ngang trên mặt cắt ngang bãi

biển thường gây nên những diễn biến bờ biển trong thời đoạn ngắn Nếu những diễn

biến theo phương ngang diễn ra lặp lại trong nhiều năm thì nó cũng có thể là

nguyên nhân gây nên hiện tượng bồi xói bờ biển trong thời đoạn dài, tuy nhiên,

cũng rất khó có thể nhận thấy được điều này vì bản thân các quá trình vận chuyển

bùn cát trong tự nhiên rất đa dạng và bản chất tự nhiên của chúng cũng khác nhau

Vận chuyển bùn cát dọc bờ thường xuất hiện trong một vùng tương đối hẹp

dọc theo bờ biển và có hướng, độ lớn vận chuyển bùn cát chủ yếu được xác định từ

độ cao, chu kỳ và hướng sóng (ở đây không xét tới ảnh hưởng của dòng triều) Sự

hiện diện của dòng vận chuyển bùn cát dọc bờ có thể nhận thấy rất dễ khi quan sát

sự phát triển của đường bờ cũng như địa hình ở gần các cửa sông, các mũi đất nhô

ra biển, các đập mỏ hàn, các đê chắn sóng ngoài cảng v.v… Các ảnh hưởng của vận chuyển bùn cát theo phương ngang trên bãi biển trong thời đoạn ngắn cũng có thể nhận thấy một cách dễ dàng từ sự thay đổi độ lớn và vị trí của các dải cát ngầm tạo thành khi sóng vỡ, xói lở các đụn cát do nước dâng do bão, vv Thông thường, ảnh hưởng do sự biến đổi mang tính mùa của trường sóng đối với bờ biển và địa hình đáy biển đều được xem như là các ảnh hưởng mang tính ngắn hạn

Hình 2.1 Những hệ thống vận chuyển bùn cát mở và đóng (US ARMY

CORPS OF ENGINEERS, 2002)

Thông thường lượng bùn cát tịnh vận chuyển dọc bờ sẽ lớn hơn rất nhiều so với lượng bùn cát tịnh vận chuyển theo phương ngang trên một mét bề ngang của

bờ biển Tuy vậy, lượng bùn cát tổng cộng vận chuyển theo phương ngang lại lớn

hơn rất nhiều so với phương dọc bờ Về nguyên tắc, mỗi lần sóng lên, bùn cát bị

vận chuyển từ ngoài biển vào trong bờ và mỗi khi sóng rút, bùn cát lại bị vận

chuyển theo hướng ngược lại Trong chuyển động này, dòng chảy dọc bờ làm dịch

chuyển bùn cát dọc theo bờ biển Do vậy lượng vận chuyển bùn cát tổng cộng theo

phương ngang có thể bằng với lượng vận chuyển bùn cát tổng cộng theo phương

dọc Do không thể trực tiếp đo đạc được vận chuyển bùn cát dọc bờ trong điều kiện

tự nhiên và lượng vận chuyển bùn cát tịnh có thể có trong thời đoạn dài Nếu như

diễn biến trong thời đoạn dài của đường bờ biển không thể giải thích được bằng

gradient của lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ thì có thể đi đến một kết luận là, còn

có thành phần vận chuyển bùn cát tịnh theo phương ngang có mặt tại khu vực

nghiên cứu, tuy rằng rất khó có thể đưa ra được những bằng chứng thuyết phục

Trong nghiên cứu diễn biến bờ biển, việc tính toán vận chuyển bùn cát ở

vùng ven bờ là hết sức quan trọng, vì bùn cát chính là yếu tố trung gian trong quá

trình diễn biến gây nên những hiện tượng xói lở hay bồi lấp ở bờ biển Biết được

lượng vận chuyển bùn cát ở vùng ven bờ thì có thể dự báo được sự biến đổi của

đường bờ trong điều kiện tự nhiên cũng như đánh giá được ảnh hưởng của các công

trình xây dựng ở vùng ven bờ sau này

So với tính toán vận chuyển bùn cát trong sông thì tính toán vận chuyển bùn

cát ở biển phức tạp hơn rất nhiều, do quá trình vận chuyển bùn cát ở biển không

những chịu sự tác dụng của dòng chảy mà còn chịu ảnh hưởng của các dao động

mực nước thủy triều, các tác động của sóng và vô số các lực tạo thành dòng chảy

khác nhau và liên tục biến đổi

Vận chuyển bùn cát theo phương ngang hình thành khi có dòng chảy ngang

bờ do hướng sóng đến vuông góc với đường bờ, các đường đỉnh sóng có xu thế

song song với đường bờ Vận chuyển bùn cát ngang bờ rất được chú ý quan tâm

trong nghiên cứu hình thái bờ biển trong khoảng thời gian hơn chục năm trở lại đây

đặc biệt khi nghiên cứu những tác động của sóng bão, và các loại hình thời tiết lớn

gây nên Hiện nay những nghiên cứu về vận chuyển bùn cát ngang bờ vẫn còn nhiều

vấn đề chưa được làm sáng tỏ và do vậy, nó đang là hướng nghiên cứu thu hút được

sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển cả trong nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm

Vận chuyển bùn cát theo phương ngang là hình thức vận chuyển bùn cát rất quan trọng vì hình dạng mặt cắt ngang được tạo nên do hiện tượng xói lở/bồi lấp có liên quan tới vận chuyển bùn cát theo phương ngang Đối với bãi biển cát, hình dạng của bãi biển thay đổi liên tục dưới tác động của sóng gió và dòng chảy và nó

có thể có những thay đổi đáng kể trong thời gian xảy ra bão Do ảnh hưởng của sóng bão, đường bờ phát triển rất nhanh, mặt cắt ngang bờ biển thay đổi chỉ trong một thời gian ngắn đặc biệt khi các con sóng lớn tác động tới bờ biển kết hợp với mực nước dâng do bão hay kết hợp với triều cường

Hình 2.2 Sơ đồ biến đổi mặt cắt của một bãi biển do một cơn bão (US

ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002)

Ở đây chúng ta cần phân biệt hai quá trình phát triển của đường bờ theo hướng ngang do dòng chảy ngang bờ gây nên, đó là: quá trình xói lở do các điều kiện thủy lực, các điều kiện về sóng gió và dòng chảy trung bình và quá trình xói lở

do các điều kiện hình thế thời tiết đặc biệt lớn gây nên Cả hai quá trình này đều tác động tới quá trình diễn biến của đường bờ nhưng mức độ tác động khác nhau theo chu kỳ thời gian Nếu như với các điều kiện về thủy lực, sóng gió và dòng chảy trung bình sự thay đổi của đường bờ có thể diễn ra trong thời gian dài (trong một mùa hay năm thậm chí là nhiều năm) và sự thay đổi của đường bờ chủ yếu do các tác động của dòng chảy ven bờ gây nên Nhưng dưới ảnh hưởng của các hình thế thời tiết đặc biệt lớn như áp thấp, bão, các cơn lốc biển… đường bờ thay đổi rất nhanh chóng, sự phát triển của đường bờ có thể diễn ra chỉ trong một ngày hay thậm

chí vài giờ Dòng chảy ngang bờ trong trường hợp này có tác động rất lớn làm thay

đổi hình dạng của đường bờ Ngược lại những tác động của dòng chảy dọc bờ lại rất

nhỏ, không đáng kể nếu so sánh với tác động của dòng chảy ngang bờ trong trường

hợp có sóng bão

2.2 Tổng quan các yếu tố ảnh hưởng đến xói lở, bồi tụ và diễn biến đường bờ

Xói lở bồi tụ dải ven biển là một quá trình tự nhiên phức tạp, là hệ quả tương

tác giữa rất nhiều nhân tố Các yếu tố tác động đến quá trình xói lở bồi tụ bờ biển

được phân làm hai nhóm: các yếu tố tự nhiên và tác động của con người Việc đánh

giá xác định nguyên nhân xói bồi phải xem xét đầy đủ trên các phương diện như sự

vận chuyển bùn cát dưới tác động của sóng, gió và dòng triều; các tác động của con

người trong phạm vi dọc bờ biển, trên các lưu vực sông, theo không gian cũng như

thời gian, cụ thể như sau:

- Hình thái và đặc điểm địa hình, địa mạo bờ biển: dạng (thành tạo) bờ biển,

cấu tạo bờ biển và hướng đường bờ, tính “nhạy cảm” với các quá trình động lực bờ

biển

- Gió: lực ngoại sinh quyết định sự hình thành và phát triển của sóng

- Sóng: lực tác động quan trọng nhất trong quá trình xói lở và vận chuyển bùn

cát của dải ven bờ Quá trình giải phóng năng lượng sóng tại đới bờ sẽ đào xới, phá

vỡ kết cấu bề mặt bờ biển, đồng thời tạo ra dòng chảy vận chuyển bùn cát theo

chiều dọc bờ cũng như theo phương trực giao với bờ

- Thủy triều: Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình động lực học hình thái mang tính

dài hạn, điều phối sóng cũng như năng lượng chuyển đến vùng bờ, tác động đến

dòng chảy ven bờ Năng lượng sóng vỡ được giải phóng, đồng nghĩa với sức phá

hoại bờ của sóng tại những thời điểm triều cường là lớn nhất Với vùng biển có biên

độ triều lớn như ven biển Đông thì tính nhạy cảm đối với sự dao động mực nước

triều càng tăng lên

- Dòng chảy ven bờ: bùn cát bị xói sẽ được chuyển đi nơi khác bởi dòng chảy

Dòng chảy được hình thành do sự dao động thủy triều (dòng triều lên và rút), do

sóng tới xiên góc với bờ (dòng chảy dọc ven bờ), và dòng xoắn ngược do sóng

(dòng tiêu hay dòng tách bờ) Nếu khả năng vận chuyển bùn cát của dòng ven bờ lớn hơn nguồn bùn cát mà bờ biển được cung cấp thì xói lở sẽ xảy ra

- Nước biển dâng: đây là dạng tác động chậm và dài hạn làm đường bờ dịch chuyển vào trong, một phần là tác động trực tiếp gây ngập lụt, một phần là qua tác động đến các quá trình động lực học, hình thái vùng bờ do mực nước cao hơn

- Sự thay đổi nguồn cung cấp bùn cát: Sự biến đổi khí hậu có thể dẫn đến hạn hán, giảm tần suất lũ trên các sông cung cấp phù sa, bùn cát cho biển

- Thảm thực vật (rừng ngập mặn): có vai trò quan trọng với sự ổn định mái dốc bờ biển, cố kết bùn cát trầm tích, tiêu tán năng lượng sóng tác động vào bờ biển

- Bên cạnh các yếu tố tự nhiên, các tác động do con người tạo ra cũng cần được xem xét theo không gian cũng như theo thời gian:

- Các công trình bảo vệ bờ dọc ven biển như kè mỏ hàn, đê phá sóng thường gây ra xói lở phía sau theo hướng di chuyển bùn cát thực (down drift) của công trình bảo vệ trong khoảng năm đến mười năm

- Các công trình kè, tường chắn sóng bảo vệ bờ và đê biển thời gây xói ở cuối công trình cũng như xói chân công trình trong ngắn hạn (thường là dưới năm năm)

- Trong phạm vi lưu vực, việc xây dựng các công trình đập thủy điện, hồ chứa nước, cũng như các công trình chuyển nước khỏi lưu vực ở thượng lưu sẽ làm giảm nguồn phù sa, bùn cát cung cấp cho biển, từ đó góp phần gây xói lở bờ biển Ảnh hưởng của các công trình đập và chuyển nước ở thượng lưu là không mang tính tức thời mà thường là trong trung hạn hoặc dài hạn (20 đến 100 năm), với phạm vi ảnh hưởng từ vài kilomet đến hàng trăm kilomet

- Các hoạt động nạo vét luồng, khai thác cát trên sông và trên biển cũng có thể góp phần làm thiếu hụt lượng bùn cát trong hệ thống, thay đổi độ sâu dẫn tới việc thay đổi sóng tới (cả phương chiều lẫn chiều cao sóng) cũng như dòng ven bờ Tác động của các yếu tố này có thể là trong ngắn hạn, một vài năm đến năm mười năm

- Ngoài ra phải kể đến tác động của con người liên quan đến sự suy thoái của

rừng (chặt phá, khai thác quá mức, xây dựng công trình hạn chế không gian phát

triển của rừng) cũng như sự phát triển của chúng (gây bồi, trồng rừng)

2.3 Tổng quan các phương pháp nghiên cứu về thủy động lực, vận chuyển bùn

cát, dịch chuyển đường bờ

Trong quá trình diễn biến bờ biển, hiện tượng xói lở và bồi tụ là hai mặt của

một vấn đề Nó là kết quả tương tác của các quá trình phức tạp giữa các yếu tố thủy

thạch động lực do các tác động nội sinh, ngoại sinh và nhân sinh Đây là những quá

trình thuộc loại phức tạp nhất mà cho đến nay vẫn chưa nghiên cứu một cách đầy đủ

và thấu đáo như những khoa học chính xác khác Nguyên nhân gây diễn biến bất lợi

cho một đoạn bờ biển hay cửa sông (do xói lở bờ biển hay bồi lấp các cửa sông

hoặc luồng tàu) có thể do tổng hợp các yếu tố tác động ngoại sinh, nội sinh hay

nhân sinh và nhiều khi rất khó có thể định lượng một cách chính xác

Nhưng do tính cấp thiết của vấn đề, cùng sự phát triển mạnh mẽ của khoa

học kỹ thuật, các phương pháp nghiên cứu diễn biến bờ biển (quá trình xói lở và bồi

tụ) ngày càng được nâng cao về mức độ chính xác và bước đầu đã cho thấy kết quả

khả thi của nó trong việc dự báo diễn biến đường bờ, quy hoạch, quản lý và khai

thác bền vững và phát triển các nguồn lợi ở dải ven biển Một số phương pháp

nghiên cứu diễn biến đường bờ đã và đang được áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới

cũng như tại Việt Nam sẽ được trình bày trong báo cáo này nhằm đưa ra cái nhìn

tổng quan về phương pháp nghiên cứu, tính toán Trong báo cáo này đề cập tới 5

phương pháp nghiên cứu sau: (1) phương pháp điều tra cơ bản, (2) phương pháp

phân tích viễn thám và GIS, (3) phương pháp phóng xạ hạt nhân, (4) phương pháp

mô hình vật lý, (5) phương pháp mô hình toán

2.3.1 Phương pháp điều tra cơ bản

Đây là phương pháp truyền thống thường được sử dụng trong nghiên cứu

diễn biến bờ biển trước đây và hiện nay Muốn nghiên cứu và đánh giá được diễn

biến của bờ biển trong quá khứ, hiện tại và tương lai thì các số liệu điều tra cơ bản

đo đạc diễn biến bờ biển và đo đạc các mặt cắt ngang bờ biển qua thời kỳ nhiều

năm là rất cần thiết Phương pháp điều tra cơ bản sử dụng các số liệu đã thu thập trong quá khứ kết hợp với việc phân tích các yếu tố tác động gây nên diễn biến đường bờ để đưa ra những đánh giá về hiện trạng và dự báo những diễn biến này trong tương lai gần

Ưu điểm của phương pháp này là không đòi hỏi phải sử dụng các tính toán phức tạp, dễ thực hiện và có kết quả ngay với độ tin cậy cao Những kết quả của phương pháp điều tra cơ bản là cơ sở chuẩn mực để kiểm chứng lại tính đúng đắn của phương pháp khác

Tuy nhiên không phải lúc nào cũng có thể đưa ra được các đánh giá về diễn biến đường bờ biển khi sử dụng phương pháp điều tra cơ bản nếu thiếu các số liệu trong quá khứ Do vậy sự đầy đủ của nguồn tài liệu là rất cần thiết Ngoài ra mức độ tin cậy của nguồn tài liệu cũng rất khó được kiểm chứng nếu như việc thu thập tai liệu không mang tính hệ thống và không được chuẩn hóa

Mặt khác, các kết quả tính toán chỉ phản ánh xu thế phát triển của đường bờ trong quá khứ và hiện tại chứ không giải thích được cặn kẽ bản chất vật lý và nguyên nhân của những diễn biến bất lợi Nếu chỉ dựa trên những số liệu rời rạc và không đồng bộ thì cũng rất khó để phản ánh được đầy đủ quy luật biến động của đường bờ biển trong quá trình đó Tất nhiên do tính chất của nó mà phương pháp thường không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu diễn biến đường bờ

Tại các quốc gia hàng đầu về kỹ thuật bờ biển, ngân hàng dũ liệu về diễn biến bờ biển phục vụ cho nghiên cứu và phát triển kinh tế đã được xây dựng từ rất lâu Các số liệu đã thu thập có thể tiếp cận và chia sẻ một cách dễ dàng mà không bị giới hạn sử dụng trong phạm vi các cơ quan quản lý hay cơ quan nghiên cứu

Ở Việt Nam phương pháp này thường được thực hiện bởi các cơ quan chuyên ngành nghiên cứu về biển, các cơ sở địa chính tỉnh (thành phố) hoặc các dự

án phát triển kinh tế và xây dựng các công trình ven biển

2.3.2 Phương pháp phân tích ảnh viễn thám và GIS

Dựa vào tính chất phản xạ, thấu xạ và hấp thụ ánh sáng của tất cả các địa vật,

các nhà khoa học đã chế tạo các thiết bị kỹ thuật có khả năng “quan sát” địa vật

ngay từ trên cao – đó chính là kỹ thuật viễn thám

Sau khi có được các hình ảnh của các địa vật dưới tư liệu ảnh viễn thám, để

có được các thông tin chính xác hơn về mặt đất người ta phải tiến hành giải đón

ảnh Thông thường có hai phương pháp giải đoán: Giải đoán ảnh bằng mắt và giải

đoán ảnh thông qua máy tính điện tử Phương pháp giải đoán ảnh bằng mắt có ưu

điểm là đơn giản, dễ thực hiện, nhưng yêu cầu kỹ thuật viên thực hiện phải có nhiều

kinh nghiệm thực tế Tuy nhiên phương pháp này chỉ thích hợp giải đoán cho những

trường hợp đơn giản và dễ bị ảnh hưởng bởi ý kiến chủ quan của người giải đoán

Phương pháp giải đoán bằng máy tính điện tử tuy có phức tạp hơn song lại cho kết

quả phân tích chính xác và không phụ thuộc vào chủ quan của kỹ thuật viên, ngày

nay do các công cụ mạnh là các phần mềm chuyên ngành nên phương pháp này

thường được ứng dụng rộng rãi trên thế giới

Đối với vùng cửa sông và bờ biển, đây là vùng nước rộng lớn, chuyển động

của bùn cát và dòng chảy có tính đa nguyên và nhiều hướng Để có được các số liệu

trong nghiên cứu quy hoạch, thiết kế công trình vùng cửa sông, bờ biển thường rất

khó khăn, thậm chí không khả thi Khi áp dụng phương pháp viễn thám, thông tin

thu thập tương đối nhanh, phạm vi mở rộng, nội dung phong phú, số liệu có tính cập

nhập cao và đồng bộ Các ứng dụng của viễn thám đối với lĩnh vực này là:

- Đo độ sâu và địa hình dưới nước: Lợi dụng khả năng thấu xạ mạnh của dải

sóng MSS – 4 đối với nước, khu vực sâu có màu sẫm hoặc màu đen, khu vực

nông màu nhạt, ở vùng biển trong có thể mô tả chính xác địa hình dưới nước,

địa mạo, phân bố và dịch chuyển các khối trầm tích ở độ sâu 20m Do năng lực

thấu xạ qua nước chịu ảnh hưởng của các yếu tố như độ cao Mặt Trời, độ đục

của nước, hàm lượng sinh vật phù du, độ phẳng của mặt nước, cấu tạo vật chất

đáy biển vv Nên dùng phương pháp viễn thám để đo độ sâu thường cho kết

quả có độ chính xác không cao Tất nhiên, trong một phạm vi sai số cho phép

thì đây cũng là một phương pháp tốt

- Nghiên cứu biến động đường bờ biển: Do khả năng hiệu ứng dải sóng MSS – 7 đối với nước mạnh, phản ánh sự sai khác nhau rõ rệt giữa hình ảnh của nước và hình ảnh của đường bờ, có thể sử dụng loại hình ảnh này để nghiên cứu hình dạng mặt phẳng, phạm vi phân bố của vùng nước Điều đó cho phép điều tra nghiên cứu mạng lưới song ngòi, các cồn cát cửa sông, bãi bên, lạch sâu So sánh các ảnh chụp trong các thời điểm khác nhau có cùng các điều kiện hải văn (cùng chu kỳ triều, chế độ sóng, gió,…) ta sẽ có được hình ảnh trực quan về diễn biến đường bờ và các đơn nguyên địa mạo

- Nghiên cứu chuyển động của bùn cát: Do thực tế về chỉnh trị cửa sông, bờ biển, xây dựng các công trình biển,…đều yêu cầu nghiên cứu trạng thái chuyển động bùn cát dưới các điều kiện của sóng, thủy triều và các dòng chảy Sử dụng

kỹ thuật viễn thám vào các lĩnh vực này là một vấn đề khó, các nhà khoa học trong và ngoài nước đang đi sâu nghiên cứu Trước mắt, việc nghiên cứu định lượng bùn cát lơ lửng trong một khối nước có hai hướng chủ yếu: Hướng thứ nhất là xây dựng quan hệ số liệu viễn thám từ các thuộc tính, đặc tính quang học hiệu ứng đối với nước của các loại vật chất khác nhau chìm trong nước Hướng thứ hai là xây dựng tương quan các số liệu viễn thám và các tham số thực đo đồng thời tại hiện trường Trên cơ sở đó xây dựng các công thức thực nghiệm để tiện sử dụng sau này

- Ứng dụng nghiên cứu lưu tốc, trạng thái chảy: nồng độ chất lơ lửng lớn hay bé

có đặc tính quang phổ khác nhau Mà nồng độ chất lơ lửng lại có quan hệ chặt chẽ với lưu tốc dòng chảy Vì vậy có thể thông qua sự phân bố của nồng độ bùn cát lơ lửng để đánh giá lưu tốc và trạng thái chảy Thông thường, kỹ thuật viễn thám luôn kết hợp với hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong lĩnh vực phân tích diễn biến bờ biển, biến động lòng dẫn và điều tra địa mạo nói chung Hệ thống thông tin địa lý là công cụ nhằm đưa đến người sử dụng các thông tin trực quan được khai thác dựa vào kỹ thuật viễn thám

2.3.3 Phương pháp phóng xạ hạt nhân

Thật sự, đây là một phương pháp tương đối mới lạ với Việt Nam và thế giới

Cho tới nay, phương pháp này chỉ mới chỉ được ứng dụng trên một số quốc gia có

nền công nghiệp hạt nhân phát triển mạnh Ở Việt Nam, sau 10 năm nghiên cứu và

phát triển, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã thử nghiệm thành công phương

pháp này để nghiên cứu tình trạng bồi lấp cảng biển, cửa sông, luồng tàu,…Địa

điểm được thử nghiệm đầu tiên là cảng Hải Phòng Công trình nghiên cứu này được

cơ quan an toàn Hàng Hải quốc gia đánh giá cao

Quy trình kỹ thuật bao gồm: Đưa đồng vị phóng xạ Sc – 46 và Ir – 192

xuống đáy cảng, đồng vị phóng xạ sẽ đánh dấu vận tốc, hướng và tốc độ di chuyển

của bùn cát Từ đó sẽ tìm ra quy luật biến đổi địa hình đáy biển, dự báo sự phát triển

của chúng trong tương lai và đề ra các biện pháp hữu hiệu để quản lý sa bồi và

chống sạt lở

Nhìn chung, đây là phương pháp yêu cầu kỹ thuật cao, cần sử dụng nhiều

thiết bị máy móc hiện đại nên cần có sự đầu tư xây dựng và phát triển

2.3.4 Phương pháp mô hình vật lý

Là phương pháp xây dựng mô hình nguyên mẫu ngoài thực tế cho một đoạn

bờ biển cụ thể nào đó hoặc các công trình theo tỷ lệ thu nhỏ Các tác động trong tự

nhiên tới bờ biển như sóng, dòng chảy, sự biến đổi mực nước do thủy triều,…được

tạo ra trong phòng thí nghiệm với tỷ lệ tương ứng với tỷ lệ mô hình Các số liệu về

mực nước, dòng chảy và sự biến đổi của bờ biển được ghi nhận lại thông qua các

thiết bị đo đạc tự động hoặc bán tự động đặt trong mô hình

So với các phương khác, thì phương pháp mô hình vật lý cho kết quả có độ

tin cậy cao hơn nhiều so với các phương pháp khác Đối với những dự án quan

trọng, có vốn đầu tư lớn, phương pháp này thường được sử dụng để kiểm chứng lại

các kết quả của phương pháp khác Tuy nhiên việc xây dựng mô hình vật lý mô

phỏng lại các diễn biến bờ biển trong phòng thí nghiệm là một công việc tốn kém và

phức tạp Để có thể xây dựng và sử dụng được mô hình vật lý mô phỏng diễn biến

đường bờ thì nơi xây dựng và thí nghiệm mô hình phải được trang bị đầy đỷ các

thiết bị thí nghiệm, các thiết bị đo đạc, xử lý, phân tích số liệu đồng bộ và hiện đại,

phải có đội ngũ chuyên gia và các kỹ thuật viên lành nghề và có chuyên môn cao Hiện nay ở nước ta đã có một số phòng thí nghiệm có các thiết bị tạo sóng, dòng chảy và triều nhân tạo nhưng các thí nghiệm mô hình mới chỉ dừng lại ở mức độ đơn giản, chỉ mô phỏng được trong phạm vi hẹp chứ chưa thí nghiệm được mô hình tổng thể

2.3.5 Phương pháp mô hình toán

Là phương pháp mô phỏng và tính toán sự vận chuyển bùn cát và quá trình diễn biến bờ biển thông qua các phương trình toán Ứng dụng với các điều kiện biên, ban đầu xác định, lượng vận chuyển bùn cát qua một số mặt cắt ngang trong một đơn vị thời gian sẽ được tính toán từ các tác động sóng, dòng chảy, thủy triều Trong khoảng thời gian tính toán, khi tổng lượng bùn cát vận chuyển trên một đoạn

bờ biển được xác định thì vị trí đường bờ mới sẽ được xác định theo phương pháp cân bằng bùn cát Nếu tổng lượng bùn cát vận chuyển tới lớn hơn tổng lượng bùn cát vận chuyển đi thì bờ biển đã bị bồi, hoặc nếu lượng bùn cát chuyển tới nhỏ hơn lượng bùn cát chuyển đi thì bãi biển bị xói lở, còn nếu lượng bùn cát chuyển đi cân bằng lượng bùn cát chuyển đến thì bãi biển ở trạng thái ổn định

Phương pháp mô hình toán có các ưu điểm nổi trội so với các phương pháp khác là: cho kết quả nhanh, độ chính xác tương đối cao, bản chất vật lý và cơ chế của quá trình diễn biến đường bờ được mô tả rõ ràng Mặt khác, phương pháp mô hình toán thường có kinh phí thực hiện thấp nhất so với các phương pháp khác, nhất

là khi ngành công nghệ thông tin đang phát triển mạnh trong những năm gần đây và máy tính đã trở nên phổ biến và rẻ tiền hơn nhiều so với 5, 10 năm trước đây Ngoài

ra còn phải kể đến tính mềm dẻo của phương pháp mô hình toán khi cần thay đổi các phương án mô phỏng Điều này có thể thực hiện được tương đối nhanh chóng

và dễ dàng, không đòi hỏi phải đầu tư thêm kinh phí khi sử dụng phương pháp mô hình toán Điều này đặc biệt có ý nghĩa khi phải tiến hành mô phỏng các bài toán lớn phạm vi hàng trăm km trong thời gian chục năm, (mô phỏng này là không thể đối với phương pháp mô hình vật lý)

Tuy nhiên, độ tin cậy của mô hình toán lại phụ thuộc rất nhiều vào các số

liệu đầu vào mô hình Nếu các số liệu đầu vào có độ tin cậy kém thì các kết quả đầu

ra của mô hình cũng sẽ rất hạn chế Để tính toán và dự báo hiện tượng hay một diễn

biến xảy ra ở bờ biển thì phương pháp mô hình toán sẽ rất cần nhiều số liệu để kiểm

định mô hình, nhất là các tư liệu lịch sử và diễn biến đường bờ trong một thời kỳ

nhiều năm mà các số liệu này không phải lúc nào cũng có đầy đủ

Ngoài ra, muốn mô phỏng được tốt một hiện tượng xảy ra ở bờ biển thì trước

tiên người mô phỏng phải hiểu rõ được cơ chế và bản chất của hiện tượng trước khi

mô phỏng nó Điều này có nghĩa là muốn sử dụng và khai thác được mô hình toán

thì cần phải có các kiến thức chuyên môn sâu về biển và phải có kỹ năng sử dụng

máy tính

Trong những thập kỷ gần đây, khoa học mô hình toán phục vụ nghiên cứu

động lực học cửa sông ven biển và đại dương đã có những bước phát triển vượt bậc

cả trên phương diện lý thuyết toán học về các hệ phương trình cơ bản mô tả các quá

trình động lực học cũng như lý thuyết rời rạc hóa các hệ phương trình cơ bản

Có rất nhiều các mô hình đã được phát triển, tuy nhiên phổ biến và được sử

dụng rộng rãi nhất phải kể đến bộ mô hình MIKE của DHI Water & Environment,

Đan Mạch với các module như MIKE 21 HD, AD, ST, MT, SW, BW, sử dụng để

mô phỏng các quá trình thủy động lực học 2-D, sự vận chuyển và khuếch tán của

các chất hòa tan và lơ lửng, bùn cát; sự lan truyền của sóng biển, tính toán sa bồi ở

vùng cửa sông và ven biển Ngoài ra, bộ mô hình này còn bao gồm các module

MIKE 3 HD, MT , cho phép tính toán dòng chảy và bùn theo không gian 3 chiều

Đặc biệt, trong các phiên bản gần đây các module kể trên đã được cải tiến từ sử

dụng lưới chữ nhật thông thường sang sử dụng lưới phi cấu trúc linh động dựa trên

phương pháp thể tích hữu hạn Điều này cho phép mô tả chính xác đường biên của

các vùng nghiên cứu bất kỳ kể cả những vùng có hình dạng biên phức tạp, rất thích

hợp với vùng cửa sông ven biển như ở vùng ven biển đồng bằng sông Cửu Long

Bên cạnh đó, bộ mô hình MIKE là một trong số ít mô hình hiện đại có tính năng

cho phép mô phỏng đồng thời các quá trình động học như dòng chảy, sóng, vận chuyển bùn cát

Ngoài ra, cũng phải kể đến một số mô hình thông dụng khác như Del t3D -

bộ phần mềm 2D/3D mô hình hoá thuỷ lực, lan truyền chất, sóng, vận chuyển bùn cát, biến đổi đáy của WL | Del t Hydraulics, Hà Lan, sử dụng hệ lưới cong trực giao Một trong những phần mềm thương mại khác là bộ phần mềm SMS 2D/3D của Aquaveo, Mỹ SMS cũng là tập hợp nhiều module mô hình hoá thuỷ lực, lan truyền chất, sóng, vận chuyển bùn cát, biến đổi đáy sử dụng cả lưới phi cấu trúc dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, cả lưới cấu trúc theo phương pháp sai phân hữu hạn Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là sự kết nối giữa các module là hạn chế

Sự xuất hiện của các mô hình toán 2D, 3D nói trên mô phỏng quá trình thủy động học ven bờ, cho phép chúng ta tái hiện lại hoặc dự báo trường sóng, cường độ sóng, hướng và độ lớn của dòng chảy ven bờ, phân bố bùn cát, diễn biến đường bờ v.v…, tương ứng với mực nước thủy triều ở các cấp độ khác nhau, dưới tác động của gió, bão gây ra, ngay cả đối với các điều kiện địa hình đáy biển rất phức tạp cũng như các vùng phụ cận công trình Kết quả nhận được từ các mô hình toán cho chúng ta nhìn nhận hiện tượng sạt lở bờ biển một cách toàn diện hơn, đúng bản chất vật lý hơn Nói rõ hơn, từ mô hình toán chúng ta sẽ xác định được tổ hợp các yếu tố

tự nhiên tác động bất lợi nhất tới đới bờ bị sạt lở, sẽ xác định được tốc độ sạt lở bờ biển tại khu vực nghiên cứu theo không gian và thời gian, chỉ rõ nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường các vùng lân cận, trên cơ sở đó đề xuất được giải pháp phòng chống hiệu quả, ổn định lâu dài, ít tốn kém và ít tác động xấu tới môi trường tự nhiên khi công trình hoàn thành

Tuy nhiên, một trong những hạn chế của các mô hình 2D/3D nói trên là khả năng dự báo diễn biến dài hạn của bờ biển (năm mười năm hay vài chục năm) bởi việc mô phỏng tốn rất nhiều thời gian Các mô hình này cũng bao gồm những hệ số kinh nghiệm ít được kiểm chứng như hệ số nhám đáy, hệ số xáo trộn rối, vận chuyển bùn cát,… Các mô hình dạng này đòi hỏi số liệu chi tiết để hiệu chỉnh, kiểm

định từ các quan trắc, đo đạc hiện trường và/hoặc kết hợp với mô hình vật lý Năm

1989 tại hội thảo khoa học về các quá trình thủy thạch động lực vùng gần bờ

(Nearshore Processes Worshop) tổ chức ở St Peterburg, Hội đồng về các quá trình

bùn cát trên phạm vi rộng (Large Scale Sediment Processes Committee) đã đi đến

kết luận rằng việc mô phỏng sự biến đổi bờ biển trong dài hạn sẽ hợp lý hơn dựa

trên nền tảng là các mô hình tính sức tải bùn cát dọc bờ tiềm năng (US Army

Engineering Corps, 2008) Các mô hình này có ít các hệ số hơn các mô hình 2D/3D

và không đề cập chi tiết về quá trình thủy động lực và vận chuyển bùn cát Thay vào

đó, các mô hình này sẽ được hiệu chỉnh và kiểm định nhằm bao gồm ảnh hưởng

tổng hợp của tất cả các quá trình đơn lẻ/cục bộ lên quá trình vận chuyển toàn cục

Đại diện cho các biến đổi đường bờ dạng này phải kể đến các mô hình GENEIS,

SBEACH, UNIBEST (-DE, TC, CL+), LITPACK (PP, LITSTP, LITDRIFT,

LITLINE, LITPROF, LITTREN)

Tóm lại, diễn biến đường bờ là một quá trình tương đối phức tạp, nó là kết

quả tương tác của các yếu tố thủy thạch động lực do các tác động nội sinh, ngoại

sinh và nhân sinh gây nên Trong khi phương pháp nghiên cứu diễn biến đường bờ

bằng kỹ thuật viễn thám gặp khó khăn lớn nhất là nguồn cung cấp ảnh viễn thám thì

phương pháp mô hình toán và mô hình vật lý lại tỏ ra có ưu điểm nổi bật Các mô

hình vật lý mô phỏng các đường bờ tuy đòi hỏi kỹ thuật và trang thiết bị hiện đại

nhưng có độ tin cậy cao Phương pháp mô hình toán tuy còn có những bất cập trên

phạm vi thế giới nhưng lại có triển vọng phát triển và ứng dụng có hiệu quả ở nước

ta Khó khăn lớn nhất trong mô hình toán là giải quyết được vấn đề chuyển động

bùn cát, nhất là bùn cát hạt mịn trong môi trường nước mặn, trong đó còn nhiều

hiện tượng vật lý còn chưa được làm sáng tỏ chứ chưa nói đến mô phỏng bằng các

biểu thức toán Trong điều kiện hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành

công nghệ thông tin và kỹ thuật tính toán hiện đại thì việc giải quyết các phương

trình vi phân phức tạp và điều hoàn toàn có thể thực hiện được Vấn đề còn lại là

đào tạo nguồn nhân lực có trình độ chuyên môn cao đủ để có thể nghiên cứu trong

điều kiện Việt Nam

2.4 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

Khu vực ven biển Cửa Đáy là vùng có đặc điểm tự nhiên tương đối đặc biệt

Ở đây, mức độ bồi tụ đang diễn ra rất mạnh Bồi tụ ven bờ và quá trình lấn biển làm tăng thêm diện tích đất tự nhiên nhưng cũng có ảnh hưởng nhất định đến quá trình động lực sông

Để đánh giá biến động của vấn đề xói lở, bồi tụ và dịch chuyển đường bờ, hướng giải quyết chủ yếu của nghiên cứu này là sử dụng mô hình toán số mô phỏng chế độ thủy thạch động lực và hình thái vùng cửa sông, ven biển, có kiểm chứng bằng số liệu khảo sát thực tế Ngoài ra, nghiên cứu còn sử dụng các phương pháp kinh nghiệm khác, như đánh giá xu thế diễn biến đường bờ dựa trên cơ sở phân tích tài liệu thực tế, sử dụng ảnh viễn thám…

Mô hình toán là tập hợp các biểu thức toán học phức tạp mô tả các quy luật vật lý trong những điều kiện nhất định Tính toán thuỷ lực mạng lưới sông không thể thiếu mô hình toán Với bài toán thuỷ lực thường áp dụng mô hình 1 chiều giải

hệ phương trình Saint-Venant gồm phương trình liên tục và chuyển động, nghiệm là mực nước và lưu lượng/vận tốc Khi có số liệu địa hình của mạng lưới sông nghiên cứu và số liệu thuỷ văn: mực nước, lưu lượng, mô hình cho phép tính toán mô phỏng quá trình thuỷ động lực trong toàn bộ mạng lưới sông Một khi các kết quả tính toán của mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm chứng so với số liệu quan trắc trong thực tế, thường là tại các trạm thuỷ văn, mô hình cho phép dự báo theo các kịch bản khác nhau Kịch bản là những tình huống có thể xảy ra trong những điều kiện nhất định, giúp cho các nhà quản lý và nhà hoạch định chính sách tiếp cận vấn

đề một cách khoa học

Trên thế giới và trong nước hiện có nhiều mô hình thủy động lực đang được

áp dụng cho nhiều mục đích khai thác khác nhau như nghiên cứu, quy hoạch và thiết kế hệ thống công trình , tiêu biểu có thể kể đến SORBEK, DELFT 3D (Hà Lan), MIKE (Đan Mạch), tuy nhiên, mỗi mô hình đều có những ưu nhược điểm riêng và cho đến nay vẫn chưa có một đánh giá toàn diện và chi tiết về khả năng áp dụng trong thực tế của các mô hình nói trên Sau khi cân nhắc, so sánh các mô hình

toán có thế áp dụng cho khu vực phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, đã lựa chọn mô

hình MIKE Các môđun MIKE cho phép mô phỏng và tái hiện bức tranh thủy động

lực trên toàn miền nghiên cứu, thay vì chỉ tại một vài điểm như số liệu đo đạc

Trong nghiên cứu này, với mục tiêu mô phỏng và tính toán đồng thời của các yếu tố

trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Đáy – Ninh Bình, bộ mô hình

MIKE đã được lựa chọn do đáp ứng được những tiêu chí Bộ mô hình thuỷ động lực

và vận chuyển bùn cát sử dụng trong nghiên cứu này có tên gọi MIKE của Viện

Thuỷ lực DHI, Đan Mạch Đây là một trong các mô hình 1, 2 và 3 chiều tiên tiến

nhất thế giới hiện nay, được sử dụng trong hầu hết các trường đại học, viện nghiên

cứu và các đơn vị tư vấn ở trong và ngoài nước với các lợi thế:

- Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng (tính toán trường sóng, dòng chảy,

vận chuyển trầm tích, diễn biến địa hình đáy;

- Cơ sở toán học chặt chẽ, chạy ổn định, thời gian tính toán nhanh

- Đã được kiểm nghiệm thực tế ở nhiều quốc gia trên thế giới;

- Có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có khả năng tích hợp với một số phần

mềm chuyên dụng khác

Nghiên cứu này sử dụng bộ mô hình MIKE của Viện Nghiên cứu Thủy lực

Đan Mạch với các môđun MIKE 11 để tính lưu lượng và nồng độ bùn cát từ trong

sông đổ ra, mô đun MIKE 21 SW để tính sóng, môđun MIKE 21 HD tính toán và

mô phỏng thủy lực và môđun MIKE 21 ST tính vận chuyển trầm tích

Các môđun MIKE 21/3 FM Couple cho phép mô phỏng và tái hiện bức tranh

thủy động lực trên toàn miền nghiên cứu, thay vì chỉ tại một vài điểm như số liệu đo

đạc Mô hình kết hợp MIKE 21/3 FM couple là một hệ thống mô hình động lực đích

thực để áp dụng cho vùng cửa sông, ven biển và trong sông Mô hình bao gồm các

mô đun sau:

- Mô đun dòng chảy

- Mô đun tải khuếch tán

- Mô đun chất lượng nước và sinh thái học

- Mô đun vận chuyển bùn

- Mô đun vận chuyển cát (chỉ áp dụng cho tính toán 2D)

- Mô đun phổ sóng

Mô đun dòng chảy và phổ sóng là hai thành phần cơ bản của mô hình kết hợp Mike 21/3 FM Mô hình này được sử dụng để tính toán tương tác giữa sóng và dòng chảy, kết hợp động lực học mô đun dòng chảy và mô đun sóng Mô hình cũng bao gồm tính toán kết hợp động lực học giữa mô đun vận chuyển bùn, mô đun vận chuyển cát, mô đun dòng chảy và sóng Do đó, sự tác động qua lại đầy đủ của những thay đổi về độ sâu đến tính toán sóng và dòng chảy cũng được xem xét Cụ thể, mô đun MIKE21 SW sử dụng để tính trường sóng, mô đun MIKE 21 HD lưới phần tử hữu hạn sử dụng để tính toán dòng chảy, mô đun MIKE 21 ST sử dụng để tính toán quá trình vận chuyển bùn cát không kết dính, bộ LITPACK sử dụng tính toán tiến triển đường bờ, thay đổi địa hình đáy dưới những điều kiện tác động của thủy lực biển

2.5 Cơ sở lý thuyết các mô hình thủy thạch động lực

2.5.1 Mô hình MIKE 11

2.5.1.1 Giới thiệu chung

Bộ mô hình MIKE 11 là mô hình tính toán thủy lực mạng sông 1 chiều với các tiểu mô đun về tính thủy lực, tiểu mô đun tính dòng chảy từ mưa, tiểu mô đun cho tính lan truyền chất và vận chuyển bùn cát

Mô hình MIKE 11 bao gồm những mô đun cơ bản sau:

- Mô đun AD (Hydrodynamic): mô đun thủy động lực

- Mô đun AD/CST (Advection-dispersion/Cohesive Sediment Transpot): mô đun khuyếch tán/ vận chuyển trầm tích kết dính

- Mô đun NST (Non-cohesive Sediment Transpot): vận chuyển bùn cát không kết dính

- Mô đun RR (Rain all-Runo ): mô đun mưa dòng chảy

- Mô đun FF (Flood Forecasting): mô đun dự báo ngập lũ

- Mô đun Data assimilation: mô đun phân tích dữ liệu

Một trong những tính năng nổi bật và cơ bản của MIKE 11 là cấu trúc phân

chia theo mô đun tổng hợp và thống nhất cho phép lựa chọn và tính toán nhiều hiện

tượng khác nhau liên quan đến hệ thống sông ngòi thông qua việc đưa vào thêm các

mô đun có sẵn trong bộ mô hình

2.5.1.2 Mô đun HD

Mô hình MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun, trong đó hạt nhân quan trọng nhất

là mô đun thủy - động – lực (HD module) Chính mô đun HD là cơ sở để xây dựng

rất nhiều các mô đun khác bao gồm cả dự báo lũ, mô đun lan truyền chất (AD), mô

đun chất lượng nước và mô đun vận chuyển bùn cát Mô đun HD trong MIKE giải

hệ phương trình cơ bản là hệ phương trình tích phân theo chiều thẳng đứng cho sự

bảo toàn vật chất và động lượng, tức là hệ phương trình Saint-Venant

Các ứng dụng của mô đun HD trong MIKE 11 bao gồm:

- Dự báo lũ và vận hành hồ chứa

- Mô phỏng các công trình và biện pháp phòng và chống lũ

- Vận hành hệ thống tưới và tiêu bề mặt

- Thiết kế hệ thống kênh mương tưới và tiêu

- Nghiên cứu hiện tượng nước dâng do bão và sự truyền triều trong sông và

các vùng cửa sông

a) Hệ phương trình

Mô hình MIKE 11 là mô hình tính toán mạng sông dựa trên việc giải hệ

phương trình một chiều Saint -Venant:

Phương trình liên tục:

t

A x

Q

(2.2) Phương trình chuyển động:

h gA x A Q

Abbott 6 điểm với các phương trình (hình 2.3) và các biến trong mặt phẳng x~t (hình 2.4)

Hình 2.3 Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott

Hình 2.4 Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t

Trong phương pháp này, mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sông được tính trong hệ thống các điểm lưới xen kẽ như dưới đây (hình 2.5)

Hình 2.5 Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ

Đối với mạng lưới sông phức tạp, mô hình cho phép giải hệ phương trình

cho nhiều nhánh sông và các điểm tại các phân lưu/nhập lưu Cấu trúc của các nút

lưới ở nhập lưu, tại đó ba nhánh gặp nhau, thể hiện trong hình sau (hình 2.6):

Hình 2.6 Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu

Hình 2.7 Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng

Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng được thể hiện trong hình 2.7 Tại

một điểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Z j (cả mực nước h j và lưu lượng Q j) tại

chính điểm đó và tại các điểm lân cận được thể hiện bằng phương trình tuyến tính

sau:

j j j j j j

Từ giờ trở đi ta quy ước các chỉ số dưới của các thành phần trong phương trình biểu thị vị trí dọc theo nhánh, và chỉ số trên chỉ khoảng thời gian Các hệ số ,

,  và  trong phương trình (2.4) tại các điểm h và tại các điểm Q được tính bằng

sai phân hiện đối với phương trình liên tục và với phương trình động lượng Tất cả các điểm lưới theo phương trình (2.4) được thiết lập Giả sử một

nhánh có n điểm lưới; nếu n là số lẻ, điểm đầu và cuối trong một nhánh luôn luôn là điểm h Điều này làm cho n phương trình tuyến tính có n+2 ẩn số Hai ẩn số chưa biết là do các phương trình được đặt tại điểm đầu và điểm cuối h, tại đó Z j-1 và Z j+1

là mực nước, theo đó phần đầu/cuối của nhánh phân/nhập lưu được liên kết với nhau

c) Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Hệ phương trình (2.1-2.3) khi được rời rạc theo không gian và thời gian sẽ gồm có số lượng phương trình luôn ít hơn số biến số, vì thế để khép kín hệ phương trình này cần phải có các điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Trong mô hình MIKE 11, điều kiện biên của mô hình khá linh hoạt, có thể là điều kiện biên hở hoặc điều kiện biên kín Điều kiện biên kín là điều kiện tại biên

đó không có trao đổi nước với bên ngoài Điều kiện biên hở có thể là đường quá trình của mực nước theo thời gian hoặc của lưu lượng theo thời gian, hoặc có thể là hằng số

Các điều kiện ban đầu bao gồm mực nước và lưu lượng trên khu vực nghiên cứu Thường lấy lưu lượng xấp xỉ bằng 0 còn mực nước lấy bằng mực nước trung bình

d) Điều kiện ổn định

Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định và chính xác, cần tuân thủ các điều kiện sau: - Địa hình phải đủ tốt để mực nước và lưu lượng được giải một cách thoả đáng Giá trị tối đa cho phép đối với x phải được chọn trên cơ sở này