NGHIÊN cứu cơ CHẾ bồi lấp, xói lở và đề XUẤT GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH CHỈNH TRỊ cửa SÔNG TRÀ KHÚC, QUẢNG NGÃI

Theo các tài liệu quan trắc và tổng kết của các cơ quan quản lý tỉnh Quảng Ngãi thì khu vực hạ lưu cửa sông Trà Khúc nơi xói bồi diễn ra thường xuyên trong phạm vi chiều dài khoảng 1500

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP & PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

LỜI CAM ĐOAN

Học viên xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của học viên Các kết quả nghiên cứu cũng như các kết luận trong luận văn này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định

lý tổng hợp vùng ven bờ - Khoa Kỹ thuật Biển trong quá trình học tập và nghiên cứu

Học viên xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Trương Văn Bốn, GS.TS Vũ Minh Cát đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ để học viên hoàn thành luận văn

Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn tới cơ quan, Ban Giám hiệu nhà trường, Phòng Đào tạo ĐH&SĐH, Khoa Kỹ thuật Biển, Bộ môn Quản lý tổng hợp vùng ven bờ - Khoa Kỹ thuật Biển đã quan tâm giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để học viên hoàn thành luận văn này

Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn tới các nhà khoa học đã quan tâm chia sẻ, góp

ý và bổ sung cho học viên nhiều thông tin bổ ích Cuối cùng học viên xin trân trọng cảm ơn gia đình, đồng nghiệp đã luôn sát cánh động viên học viên vượt qua mọi khó khăn khi thực hiện luận văn

Học viên

Vũ Phương Quỳnh

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỬA SÔNG 6

1.1 Phân loại cửa sông ở Việt Nam và trên thế giới 6

1.1.1 Khái niệm về cửa sông 6

1.1.2 Phân loại cửa sông trên thế giới 6

1.1.3 Phân loại cửa sông ở Việt Nam 7

1.1.4 Cửa sông ven biển ở Việt Nam 8

1.2 Tổng quan tình hình xói lở, bồi lấp khu vực nghiên cứu 8

1.2.1 Tổng quan về sông Trà Khúc 8

1.2.2 Đặc điểm khí tượng, thủy hải văn sông Trà Khúc 10

1.2.2.1 Chế độ gió: 10

1.2.2.2 Bão và áp thấp nhiệt đới 10

1.2.2.3 Dòng chảy hệ thống sông 10

1.2.2.4 Thủy triều 11

1.2.2.5 Sóng 11

1.2.2.6 Dòng chảy biển 12

1.2.3 Tình hình xói lở, bồi lấp sông Trà Khúc 12

1.2.3.1 Giai đoạn năm 1965- 1980 12

1.2.3.2 Giai đoạn năm 1980-1995 12

1.2.3.3 Giai đoạn năm 1995- 1998 13

1.2.3.4 Giai đoạn năm 1998- 2000 13

1.2.3.5 Giai đoạn năm 2000 đến nay 13

1.3 Tổng quan các nghiên cứu về cửa sông Trà Khúc 14

1.4 Kết luận 15

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỬA ĐẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM- GIS 16

2.1 Phương pháp phân tích ảnh viễn thám 16

2.2 Cơ sở dữ liệu 21

2.2.1 Cơ sở dữ liệu ảnh vệ tinh 21

2.2.2 Các tài liệu sử dụng khác 23

2.3 Quy trình thực hiện 23

2.4 Kết quả đánh giá diễn biến xói bồi 23

2.4.1 Diễn biến trong mùa khô 24

2.4.2 Diễn biến trong mùa mưa 28

2.4.3 Diễn biến trong mùa bão 29

2.5 Kết luận 32

CHƯƠNG 3 : THIẾT LẬP HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH SỐ TRỊ 34 3.1 Cơ sở dữ liệu 34

3.1.1 Tài liệu địa hình 34

3.1.2 Tài liệu khí tượng thủy hải văn 35

3.2 Cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên cứu 36

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu 36

3.2.2 Cơ sở lý thuyết 36

3.2.2.1 Mike 11 ( [17]) 36

3.2.2.2 Mike21 ( [18]) 38

3.3 Mô hình Mike 11 cho sông Trà Khúc 42

3.3.1 Xây dựng mô hình thủy lực Mike 11 cho sông Trà Khúc 42

3.3.1.1 Lưới sông tính toán 43

3.3.1.2 Số liệu địa hình 43

3.3.1.3 Các biên tính toán và các trạm hiệu chỉnh, kiểm định 44

3.3.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Mike 11 45

3.4 Mô hình Mike 21 cho khu vực nghiên cứu 46

3.4.1 Xây dựng mô hình thủy lực Mike 21 cho sông Trà Khúc 46

3.4.1.1 Miền tính, lưới tính toán 47

3.4.1.2 Các biên tính toán và các trạm hiệu chỉnh kiểm định 48

3.4.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Mike 21 49

3.4.2.1 Hiệu chỉnh mô hình 49

3.4.2.2 Kiểm định mô hình 53

3.5 Mô hình vận chuyển bùn cát trong sông 56

3.5.1 Mô đun tính toán 56

3.5.2 Số liệu đầu vào 56

3.5.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 58

CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN ĐỘNG LỰC, HÌNH THÁI VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH CHỈNH TRỊ KHU VỰC 59

4.1 Xây dựng tập kịch bản tính toán mô phỏng 59

4.1.1 Nhóm kịch bản tự nhiên 59

4.1.2 Nhóm kịch bản khi đã xây dựng công trình 60

4.2 Tính toán biên thủy động lực học trong sông theo từng kịch bản 64

4.3 Mô phỏng theo các kịch bản khi chưa có công trình 66

4.3.1 Mô phỏng theo kịch bản TN1 66

4.3.2 Mô phỏng theo kịch bản TN2 70

4.3.3 Mô phỏng theo kịch bản TN3 73

4.4 Mô phỏng các kịch bản khi bố trí giải pháp công trình chỉnh trị 77

4.4.1 Kết quả mô phỏng theo các kịch bản (TN1+CT1) và (TN1+ CT2) 77

4.4.2 Kết quả mô phỏng theo các kịch bản (TN2+CT1) và (TN2+ CT2) 78

4.4.3 Kết quả mô phỏng theo các kịch bản (TN3+CT1) và (TN3+ CT2) 80

4.5 Phân tích, lựa chọn tổ hợp công trình chỉnh trị hiệu quả 81

4.5.1 Khả năng bồi lấp khu vực cửa Đại theo không gian 81

4.5.2 Tổng lũy tích sức tải tại mặt cắt Bắc và Nam cửa Đại 85

4.5.3 Chiều cao sóng 88

4.5.4 Kết luận 90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 91

a) Các kết luận 91

b) Kiến nghị 92

Tài liệu tham khảo 93

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1: Vị trí địa lý sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngãi [6] 9

Hình 1-2: Hoa sóng đặc trưng cho mùa Đông và mùa Hè tại Quảng Ngãi [8] 12

Hình 1-3: Đoạn bờ Phố An (xã Nghĩa An) bên cửa Đại bị xói trong đợt lũ năm 1999 13 Hình 2-1 Mô hình xây dựng bản đồ đường bờ theo phương pháp tỉ số ảnh A Alesheikh 19

Hình 2-2 Mô hình xác định biến động đường bờ bằng phương pháp chập ảnh đa thời gian 20

Hình 2-3 Ảnh vệ tinh Cửa Đại chụp ngày 07/02/2017 21

Hình 2-4 Hình chụp ảnh vệ tinh Cửa Đại mùa khô: a) 06/01/2014; b) 29/07/2014 24

Hình 2-5 a) Diễn biến cửa Đại mùa khô từ 6/1/2014 đến 29/7/2014 25

Hình 2-6 Hình chụp ảnh vệ tinh Cửa Đại a) 11/7/2016 b) 20/10/2016 26

Hình 2-7 Quá trình chuyển tiếp từ mùa khô sang mùa mưa 26

Hình 2-8 Hình chụp ảnh vệ tinh Cửa Đại a) 25/12/2015 b) 13/02/2016 27

Hình 2-9 Quá trình chuyển tiếp từ mùa mưa sang mùa khô 27

Hình 2-10 Hình chụp ảnh vệ tinh Cửa Đại 28

Hình 2-11 Diễn biến cửa Đại vào mùa mưa 29

Hình 2-12 Đường đi bão Nari 2013 30

Hình 2-13 Hình chụp ảnh vệ tinh: a) trước khi bão 31/8/2013; b) sau khi bão 5/12/2013 31

Hình 2-14 Chiết xuất đường bờ từ ảnh vệ tinh trước và sau bão Nari năm 2013 32

Hình 3-1: Số liệu thu thập tại trạm khí tượng thủy văn khu vực nghiên cứu, Quảng Ngãi 35

Hình 3-2: Mạng lưới tính toán thủy văn Mike 11 sông Trà khúc 43

Hình 3-3: Hiệu chỉnh mực nước từng giờ từ 23/11/2015 đến 29/11/2015 46

Hình 3-4: Kiểm định mực nước từng giờ từ 01/07/2016 đến 08/07/2016 46

Hình 3-5: Miền tính và lưới tính toán khu vực nghiên cứu 48

Hình 3-6: Lưới tính Mike 21 cho Cửa Đại, sông Trà Khúc 48

Hình 3-7: Các trạm đo mực nước, dòng chảy, sóng để hiệu chỉnh mô hình tính toán 49 Hình 3-8: Quá trình mực nước quan trắc và mô phỏng tại cửa sông Phú Thọ T11/2015 50

Hình 3-9: Vận tốc dòng ven tại 3 tầng và hướng quan trắc và mô phỏng tại cửa sông Trà Khúc tháng 11 năm 2015 52

Hình 3-10: Chiều cao và hướng sóng quan trắc và mô phỏng tại cửa sông Trà Khúc tháng 11 năm 2015 52

Hình 3-11: Mực nước quan trắc và tính toán tại cửa sông Phú Thọ tháng 7 năm 2016 54 Hình 3-12: Vận tốc dòng ven tại 3 tầng và hướng giữa quan trắc và tính toán tại cửa sông Trà Khúc tháng 7 năm 2016 54

Hình 3-13: Chiều cao và hướng sóng quan trắc và tính toán tại cửa sông Trà Khúc tháng 7 năm 2016 55

Hình 3-14: Biểu đồ tổng lượng bùn cát thực đo từ năm 2006-2016 tại trạm 58

Hình 4-1: Chiều cao sóng và hướng trong tháng 7/2016 60

Hình 4-2: Chiều cao sóng và hướng trong tháng 12/2016 60

Hình 4-3: Giải pháp công trình chỉnh trị cửa Đại (NHÓM 1) 63

Hình 4-4: Giải pháp công trình chỉnh trị cửa Đại (NHÓM 2) 64

Hình 4-5: Quá trình lưu lượng tại trạm thủy văn Sông Trà Khúc vào tháng 7/2016 65

Hình 4-6: Quá trình lưu lượng tại trạm thủy văn Sông Trà Khúc vào tháng 12/2016 65

Hình 4-7: Quá trình lưu lượng tại trạm thủy văn Sông Trà Khúc cơn bão Nari (10/2013) 65

Hình 4-8: Trường sóng mô phỏng tại khu vực cửa Đại theo kịch bản TN1 66

Hình 4-9: Trường sóng vỡ lớn nhất theo kịch bản TN1 67

Hình 4-10: Hoa sóng thời kỳ mùa gió Đông Bắc tại 4 điểm khu vực nghiên cứu 67

Hình 4-11: Trường dòng chảy do sóng theo kịch bản TN1 khu vực cửa Đại 68

Hình 4-12: Lưu lượng và nồng độ chất lơ lửng tháng 11 năm 2016 tại trạm Sơn Giang 68

Hình 4-13: Nồng độ bùn cát lơ lửng trong sông Trà Khúc mô phỏng theo TN1 T11/2016 69

Hình 4-14: Sự thay đổi lớp trầm tích đáy và hướng vận chuyển cát đáy kịch bản TN1 70

Hình 4-15: Trường sóng mô phỏng tại khu vực cửa Đại theo kịch bản TN2 71

Hình 4-16: Trường sóng vỡ lớn nhất mô phỏng theo kịch bản TN2 71

Hình 4-17: Trường dòng chảy do sóng theo kịch bản TN2 khu vực cửa Đại 72

Hình 4-18: Sự thay đổi lớp trầm tích đáy và hướng vận chuyển cát đáy theo kịch bản TN2 73

Hình 4-19: Độ cao và hướng sóng khu vực cửa Đại trong bão Nari (KB TN3) 74

Hình 4-20: Chiều cao sóng, hướng sóng tại 5 điểm khu vực cửa Đại theo KB TN3 74

Hình 4-21: Trường dòng chảy tại thời điểm 6h ngày 14/10/2013 khu vực cửa Đại 75

Hình 4-22: Sự thay đổi lớp trầm tích đáy và hướng vận chuyển cát theo KB TN3 đổ bộ vào Đà Nẵng và Huế 34 h (18h13/10/2013) 76

Hình 4-23: Bồi xói và hướng vận chuyển bùn cát theo kịch bản TN1+CT1 78

Hình 4-24: Bồi xói và hướng vận chuyển cát theo TN1+CT2 78

Hình 4-25: Bồi xói và hướng vận chuyển theo kịch bản TN2+CT1 79

Hình 4-26: Bồi xói và hướng vận chuyển cát theo kịch bản TN2+CT2 80

Hình 4-27: Bồi/xói và hướng vận chuyển bùn cát theo kịch bản KB TN3+CT1 81

Hình 4-28: Bồi/xói và hướng vận chuyển bùn cát theo kịch bản TN3+CT2 81

Hình 4-29: Bồi, xói khu vực cửa Đại sau 5 ngày tháng 12 năm 2016 83

Hình 4-30: Bồi, xói khu vực cửa Đại sau 5 ngày tháng 07 năm 2016 83

Hình 4-31: Bồi, xói khu vực cửa Đại sau bão Nari tháng 10 năm 2013 84

Hình 4-32: Vị trí các mặt cắt Bắc và Nam cửa Đại 85

Hình 4-33: Tổng lũy tích sức tải cát sau 5 ngày theo KB tự nhiên TN1, CT1+TN1 và CT2+TN1 phía Bắc cửa Đại 86

Hình 4-34: Tổng lũy tích sức tải cát sau 5 theo KB tự nhiên TN2, CT1+TN2 và CT2+TN2 phía Bắc cửa Đại 86

Hình 4-35: Tổng lũy tích sức tải cát sau 5 ngày theo KB tự nhiên TN1, CT1+TN1 và CT2+TN1 phía Nam cửa Đại 86

Hình 4-36: Tổng lũy tích sức tải cát sau 5 theo KB tự nhiên TN2, CT1+TN2 và CT2+TN2 phía Nam cửa Đại 87

Hình 4-37: Tổng lũy tích sức tải cát sau 5 ngày theo KB tự nhiên TN3,CT1+TN3 và CT2+TN3 phía Bắc cửa Đại 87

Hình 4-38: Tổng lũy tích sức tải cát sau 5 ngày theo KB tự nhiên TN3, CT1+TN3 và CT2+TN3 phía Nam cửa Đại 87

Hình 4-39: Vị trí D3 trích xuất các yếu tố sóng và dòng chảy theo theo kịch bản tự

nhiên (TN3), (CT1+TN3) và (CT2+TN3) 88

Hình 4-40: So sánh độ cao và hướng sóng theo kịch bản tự nhiên (TN1), (CT1+TN1) và (CT2+TN1) 89

Hình 4-41: So sánh độ cao và hướng sóng theo theo kịch bản tự nhiên (TN2), 89

Hình 4-42: So sánh độ cao và hướng sóng theo kịch bản tự nhiên (TN3), 89

DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Các cách phân loại cửa sông trên thế giới [1] 6

Bảng 2-1.Thông tin thuộc tính bình đồ ảnh vệ tinh 21

Bảng 2-2: Bộ ảnh sử dụng nghiên cứu diễn biến cửa sông, bờ biển 22

Bảng 2-3 Số cơn bão đổ bộ và ảnh hưởng (trung bình từ 1956-2000) [16] 23

Bảng 2-4 Số đợt gió mùa Đông Bắc(trung bình từ 1956-2000) [16] 23

Bảng 2-5 Thông số bão Nari 2013 30

Bảng 3-1 : Các huyện có khu vực nằm trong khu vực luận văn nghiên cứu 34

Bảng 3-2: Thống kê số liệu thu thập tại trạm khí tượng thủy văn khu vực nghiên cứu tỉnh Quảng Ngãi 35

Bảng 3-3 Hệ thống sông mô phỏng tính toán 43

Bảng 3-4 Vị trí mặt cắt trên sông Trà Khúc 43

Bảng 3-5 Biên mô hình thủy lực một chiều 45

Bảng 3-6: Độ đục trung bình tháng tại trạm thủy văn Sơn Giang (g/m3) 56

Bảng 3-7: Độ đục trung bình tháng tại trạm thủy văn Sơn Giang (g/m3) 57

Bảng 3-8: Tổng lượng bùn cát theo tháng tại trạm Sơn Giang (tấn) 57

Bảng 3-9: Tổng lượng bùn cát theo tháng tại trạm An Chỉ (tấn) 58

Bảng 4-1: Các kịch bản tính toán trong điều kiện tự nhiên, chưa có công trình 60

Bảng 4-2: Các kịch bản tính toán khi bố trí hệ thống công trình chỉnh trị 61

Bảng 4-3: Tọa độ các vị trị trích xuất 61

Bảng 4-4: Tổng hợp công trình chỉnh trị cửa Đại theo nhóm 1 63

Bảng 4-5: Tổng hợp công trình chỉnh trị cửa Đại theo nhóm 2 63

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Cửa Đại và cửa Lở nằm cách nhau chưa đầy 5km (Hình 1), giữa 2 cửa lại có mối liên hệ thủy lực với nhau qua sông Phú Thọ, nơi có quá trình biến động khá lớn bởi hiện tượng xói lở – bồi tụ ven bờ và bồi lấp lòng dẫn cửa sông Sự biến động dường như xảy ra thường xuyên và khá phức tạp trong thời gian gần đây

Hình 1 : Vị trí địa lý cửa Đại tỉnh Quảng Ngãi

Biến động bồi tụ, xói lở đã gây nhiều thiệt hại trong sản xuất nông, lâm, ngư nghiệp nhất là vấn đề an toàn cho ngư dân và tàu thuyền trong mùa mưa bão

Theo các tài liệu quan trắc và tổng kết của các cơ quan quản lý tỉnh Quảng Ngãi thì khu vực hạ lưu cửa sông Trà Khúc nơi xói bồi diễn ra thường xuyên trong phạm vi chiều dài khoảng 1500 m và độ rộng từ 200 – 300m do các nguyên nhân sau:

Về mùa kiệt (từ tháng 1 đến tháng 8 hàng năm) dòng chảy từ thượng lưu sông Trà Khúc đổ về hạ lưu nhỏ dần và gần như không còn dòng chảy vào cuối tháng 7 và 8 Trong khi đó, do ảnh hưởng của các yếu tố thủy thạch động lực biển, dòng chảy dọc

bờ mang theo bùn cát từ hướng bắc xuống vào mùa đông và hướng nam lên vào mùa

hè bồi lắng dần ở cửa sông và vùng lân cận dưới dạng các bar cát ngầm Các bar ngầm lớn dần theo thời gian, nổi dần lên trên mặt nước và lấp dần, thu hẹp cửa sông và có năm lấp hẳn cửa sông Trà Khúc

Ngược lại về mùa lũ, dòng chảy lũ sông Trà Khúc với lưu lượng đáng kể đã chia cắt, đẩy các bãi bồi hình thành trong mùa cạn ra phía biển, hạ thấp dần cao trình các cồn cát chắn phía cửa và đến giữa mùa lũ thì hầu hết các bar bị xói mòn và bị đẩy ra xa cửa sông và cửa sông lại được mở rộng dần

Việc diễn biến sa bồi rất nhanh tại khu vực cửa Đại nói chung và tại các cửa sông Phú Thọ và sông Kinh nói riêng là điều đáng quan ngại, rất cần phải có sự khắc phục kịp thời, hiệu quả để trả lại thông luồng, đảm bảo giao thông thủy, tiêu thoát lũ và an sinh xã hội của cư dân trong khu vực

Hình 2: Vị trí xói lở, bồi lấp khu vực cửa Đại vào tháng 10 năm 2013

Có thể nói, đây chỉ là các giải pháp tạm thời để đối phó với hiện tượng bồi lắng luồng tàu và sạt lở vùng ven biển tại khu vực cửa Đại Tuy nhiên, về lâu dài cần phải đánh giá một cách đầy đủ, có cơ sở khoa học xác định nguyên nhân, cơ chế xói lở, bồi tụ thì mới có thể đưa ra các giải pháp nhằm đảm bảo sự ổn định lâu dài vùng cửa sông, ven biển này

Nguyên nhân gây ra xói lở, bồi tụ rất phức tạp, là kết quả tổng hợp của các yếu tố từ biển như bão, triều cường, nước dâng…, những yếu tố từ sông như lũ lụt, thiếu hụt bùn cát thượng nguồn…và các hoạt động kinh tế xã hội, yếu tố nhân sinh bao gồm sự phát triển tự phát thiếu định hướng quy hoạch của công trình hạ tầng, khai thác cát…

Trước thực trạng diễn biến xói lở, bồi tụ khu vực cửa Đại, sông Trà Khúc gây khó khăn và thiệt hại lớn cho kinh tế xã hội, việc nghiên cứu tìm ra nguyên nhân, cơ chế của quá trình biến động xói lở khu vực cửa Đại trở nên cấp bách, cần thực hiện trong thời gian sớm nhất nhằm có các giải pháp KHCN hợp lý để chỉnh trị

II MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

1 Xác lập cơ sở khoa học về nguyên nhân và cơ chế xói lở và bồi lấp cửa sông Trà Khúc

2 Nghiên cứu đề xuất các giải pháp chỉnh trị chống sạt lở và bồi lấp cửa sông Trà

Khúc, tỉnh Quảng Ngãi

II HƯỚNG TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ứng dụng

- Đối tượng nghiên cứu là dòng chảy, chế độ thủy văn, thủy lực, bùn cát và tương tác giữa các yếu tố gây xói lở, bồi lấp

- Phạm vi nghiên cứu là vùng cửa Đại và khu vực bờ biển lân cận

2 Phương pháp nghiên cứu, công cụ sử dụng

2 n p p

- Kế thừa có chọn lọc sản phẩm khoa học và công nghệ hiện có trên thế giới và trong nước Kế thừa các nghiên cứu khoa học, các dự án liên quan đến khu vực cửa sông Trà Khúc và các sông miền Trung khác

- Điều tra thu thập và phân tích tổng hợp tài liệu, sơ bộ đánh giá nguyên nhân và

cơ chế gây xói lở, bồi lấp cửa Đại và sử dụng các số liệu cho nghiên cứu

- Phương pháp phân tích thống kê

- Phương pháp viễn thám GIS

- Phương pháp mô hình toán thu văn, thu lực

III BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu, kết luận & kiến nghị, danh mục tài liệu tham khảo và các phụ lục tính toán, luận văn được bố cục như sau:

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu diễn biến cửa sông

Chương 2: Nghiên cứu diễn biến cửa Đại bằng phương pháp viễn thám – Gis

Chương 3: Thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình số trị

Chương 4: Nghiên cứu diễn biến động lực, hình thái và đề xuất các giải pháp công trình chỉnh trị khu vực

Nội dung của các chương được trình bày ở các phần tiếp theo

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỬA SÔNG

1.1 Phân loại cửa sông ở Việt Nam và trên thế giới

1.1.1 Khái niệm về c a sông

Việt Nam có hệ thống sông ngòi khá dày trải dài từ Bắc vào Nam với hàng nghìn con sông lớn nhỏ, mật độ sông suối trung bình đạt 0,5-1km/km2, trong đó có hàng chục hệ thống sông chính với tổng trữ lượng nước rất lớn như hệ thống sông Hồng, sông Cả, sông Trà Khúc, sông Vu Gia-Thu Bồn, sông Cửu Long,… Mỗi một hệ thống sông là tập hợp của sông “chính” và rất nhiều sông “nhánh” Vị trí giao nhau giữa sông chính và các nhánh hoặc giữa sông và biển được gọi là cửa sông

Cửa sông là vùng có đặc điểm địa hình, chế độ thủy thạch động lực và hình thái biến diễn biến phức tạp Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả tập trung nghiên cứu về cửa sông đổ ra biển, nơi giao nhau giữa một con sông với biển, sau đây gọi là cửa sông vùng biển (CSVB)

Còn nhiều cách định nghĩa về cửa sông khác nhau tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn học viên giới thiệu 1 khái niệm về cửa sông như trên

1.1.2 Phân loại c a sông trên thế giới

Có nhiều cách phân loại CSVB, tùy thuộc vào tiêu chí phân loại mà có thể có các loại CSVB khau nhau, Bảng 1-1 dưới đây giới thiệu về các cách phân loại cửa sông trên thế giới

Bảng 1-1: Các cách phân loại cửa sông trên thế giới [1]

Officer,C.R (Mỹ) và phổ biến ở nhiều nước khác Estuary(hình phễu)

3

3 Hàm lượng bùn c < 0,16kg/m3 Estuary (lõm) G.M

Fridman

TT Tiêu chí Mức độ Loại cửa sông Tác giả

cát c c > 0,2kg/m3 Delta (châu thổ) J.E Sanders

0,16 kg/m3≥c≥0,2kg/m3 Quá độ

> 1,0 Delta 0,02  1,0 Quá độ

Ưu thế sóng Sông - sóng - triều Sông - triều

Ưu thế sông Sông - sóng

Ưu thế sóng Sông-sóng-triều Sông-triều

Nguồn hồ, bùn cát biển Triều yếu, bùn cát sông Bùn cát sông - biển

Triều mạnh, bùn cát biển

Nguồn hồ, bùn cát biển

Triều yếu, bùn cát sông

Bùn cát sông - biển

Viện Khoa học Thủy lợi Nam Kinh (Trung Quốc)

1.1.3 Phân loại c a sông ở Việt Nam

Ở Việt Nam, các tài liệu đề cập đến việc phân loại cửa sông chủ yếu là các luận án, luận văn và giáo trình Theo như Nguyễn Bá Quỳ [2], ngoài hai loại cửa sông cổ điển

là kiểu Delta (đồng bằng hay lồi) và kiểu Estuary (lõm) thì ở miền Trung còn có cửa sông “phẳng” Khi nghiên cứu phân loại cửa sông miền Trung, Nguyễn Bá Uân [3] đã

đề cập đến cửa sông ổn định và di động, cửa đầm phá và cửa vịnh Dựa vào các chỉ tiêu tổng hợp về hình dạng mặt bằng, yếu tố động lực, tính chất diễn biến Lương Phương Hậu [4] đã chia ra cửa sông Estuary trong vịnh nửa kín, cửa Delta vùng biển

hở, cửa sông lưỡng tính có yếu tố sông - biển cân bằng, cửa sông có mũi tên cát với yếu tố sóng chi phối và cửa đầm phá, vịnh biển.Nguyễn Địch Dỹ và nnk [5] đã chia các cửa sông Việt Nam thành 4 kiểu là: hình phễu, delta, lưỡng tính (giữa hình phễu và delta, như cửa Định An), và kiểu qua đầm phá (sông Hương)

1.1.4 C a sông ven biển ở Việt Nam

Việt Nam có đường bờ biển dài với tổng chiều dài 3260 km trải dài dọc theo 28 tỉnh

và thành phố với 89 cửa sông có giá trị khai thác trên tổng số 130 cửa sông, tính trung bình khoảng 25 km có một cửa sông

Theo khu vực địa lý, Bắc Bộ có 18 cửa sông trên tổng chiều dài 515 km đường bờ biển; miền Trung Bộ có 49 cửa sông trên tổng chiều dài 1827 km và Nam Bộ có 22 cửa sông ven biển trên tổng chiều dài đường ven biển khoảng 912 km, trong đó có 4 cửa đổ vào Vịnh Thái Lan, còn lại đều đổ ra biển Đông của Việt nam

Dựa vào phân loại CSVB ở Việt Nam và trên thế giới, các CSVB Việt Nam có một

- Cửa sông lưỡng tính: Điển hình của dạng cửa sông này là cửa sông Hậu và Xoài Rạp

KL cửa sông Trà Khúc thuộc dạng cửa sông dạng đảo chắn hay còn gọi là cửa sông phẳng có ngưỡng cát di động chắn cửa

1.2 Tổng quan tình hình xói lở, bồi lấp khu vực nghiên cứu

1.2.1 Tổng quan về sông Trà Khúc

Sông Trà Khúc nằm ở tỉnh Quảng Ngãi, là con sông lớn nhất tỉnh và là hợp lưu của

3 sông ở thượng nguồn là sông Rhe, sông Rinh và Xà Lò (Đắk Sêlô) Ranh giới lưu vực: phía Bắc giáp lưu vực sông Trà Bồng, phía Nam giáp lưu vực sông Vệ, phía Tây giáp lưu vực sông Sê San, phía Đông giáp biển Đông Sông Trà Khúc bắt nguồn từ sườn Bắc của dãy Trường Sơn ở độ cao 900 m Lưu vực sông nằm trên địa bàn các huyện Sơn Hà, Sơn Tây, Trà Bồng, Ba Tơ, Sơn Tịnh, Tư Nghĩa, Nghĩa Hành, thành

phố Quảng Ngãi và một phần huyện Kon Plong tỉnh Kon Tum Sông chảy theo hướng Bắc trên vùng đồi núi và chuyển dần sang hướng Đông ở vùng đồng bằng, sau khi nhập với sông Dak Rê rồi đổ ra biển tại Cổ Lũy (Hình 1-1) Sông Trà Khúc có độ dài 135km và diện tích lưu vực 3.240 km2 (chiếm 55,4% diện tích toàn tỉnh), trong đó 1/3 chiều dài sông chảy qua vùng núi và rừng rậm, có độ cao 200- 1.000m, phần còn lại chảy qua vùng đồng bằng

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là khu vực cửa sông Trà Khúc, gọi là cửa Đại thuộc tỉnh Quảng Ngãi Về địa giới hành chính bao gồm các xã Tịnh Khê, Nghĩa An, Nghĩa Phú thuộc thành phố Quảng Ngãi

Hình 1-1: Vị trí địa lý sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngãi [6]

1.2.2 Đặc điểm k í t ợng, thủy hải văn n Trà K úc

1.2.2.1 Chế độ gió:

Vùng biển Quảng Ngãi nói chung và cửa sông Trà Khúc nói riêng chịu ảnh hưởng chung của chế độ khí tượng, thủy văn vùng biển từ Quảng Nam tới Khánh Hòa Từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau là thời kỳ xuất hiện gió mùa Đông Bắc, do ảnh hưởng của địa hình nên bị chuyển hướng thành Bắc và Tây Bắc Hướng gió thình hành từ cuối tháng 3 đến tháng 6 là hướng gió Đông và Đông Nam Hướng gió hoạt động mạnh nhất trong thời gian từ tháng 6 đến tháng 9 là gió mùa Tây Nam, hướng gió thịnh hành nhất là Tây và Tây Nam Tốc độ gió trung bình trong vùng từ 2,5 đến 4,0 m/s, lớn nhất có thể đạt đến 24-26 m/s

1.2.2.2 Bão và áp thấp nhiệt đới

Bờ biển vùng Nam Trung Bộ có tần suất bão đồ bộ nhiều nhất vào tháng 10 và 11 Bão có tốc độ và hướng đi rất phức tạp, gây ra gió mạnh với tốc độ trung bình từ 30-40 m/s, đổi hướng liên tục và có sức tàn phá lớn, lượng mưa trong một số cơn bão có thể lên đến 300-400 mm/ngày hoặc hơn

Phần thượng lưu hệ thống sông nằm trên các dãy núi cao, có độ dốc lớn nên vận tốc dòng chảy lớn, thời gian tập trung nước rất nhanh, sự biến động của dòng chảy năm khá lớn

1.2.2.3 Dòng chảy hệ thống sông

Lũ trên sông Trà Khúc thường xảy ra rất nhanh, thời gian lũ thường khoảng một ngày, nhanh nhất là 12 giờ và lâu nhất là 71 giờ, biên độ lũ từ 3 đến 5,3 m với cường suất lũ lên từ 30 đến 60 cm/giờ

Mùa lũ hàng năm trên lưu vực sông Trà Khúc kéo dài 3 tháng từ tháng X tới tháng XII, tuy nhiên rất không ổn định Nhiều năm lũ xảy ra từ tháng IX và cũng nhiều năm sang tháng I năm sau vẫn có lũ

Tổng lượng dòng chảy 3 tháng mùa lũ chiếm tới 65%-75% tổng lượng dòng chảy năm, lượng nước biến đổi của mùa lũ giữa các năm khá lớn, năm nhiều nước lượng nước của mùa lũ có thể gấp 10 lần lượng nước của mùa lũ năm ít nước (năm 1996 có

tổng lượng nước 3 tháng mùa lũ 3401 m3/s trong khi đó tổng lượng nước 3 tháng mùa

lũ của năm 1982 chỉ là 355 m3/s) Tháng có lượng dòng chảy lớn nhất là tháng XI với lượng dòng chảy trung bình tháng nhiều năm có thể đạt tới trên 30% lượng dòng chảy năm, lớn nhất là lượng dòng chảy tháng XI/1998 ở Sơn Giang (Sông Trà khúc) chiếm 49,2% lượng dòng chảy cả năm

Dòng chảy mặt trong mùa lũ biến động khá lớn, lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất và nhỏ nhất biến đổi từ hàng trăm đến hàng ngàn lần Ví dụ, tại trạm Sơn Giang trên sông Trà Khúc, t lệ này là 1314 lần, tại An Hoà trên sông An Lão, t lệ này là 4.356 lần và sông Côn là 5764 lần

Mùa khô kéo dài 8 – tháng bắt đầu từ tháng 1 đến cuối tháng 8, thậm chí đầu tháng

10 hàng năm và dòng chảy kiệt rất nhỏ dẫn tới tình trạng khô hạn phía hạ lưu gồm cả thành phố Quảng Ngãi khá nghiêm trọng

1.2.2.4 Thủy triều

Chế độ triều tại cửa sông Trà Khúc là bán nhật triều không đều, có biên độ triều trung bình khoảng 1,3 m, lớn nhất là 2 m Bờ biển Quảng Ngãi là bờ biển hở, không có đảo hay vịnh che chắn bên ngoài, chịu ảnh hưởng trực tiếp của Biển Đông Đặc điểm của sóng trong khu vực chịu sự chi phối mạnh mẽ của chế độ gió mùa, về mùa hè các sóng tây nam chiếm vai trò chủ đạo, còn về mùa đông là các sóng đông bắc Chiều cao sóng trung bình là 1,5 m, chiều cao sóng có nghĩa (Hs) lớn nhất quan trắc được trong bão tại Kỳ Hà, phía bắc của cửa sông Trà Khúc là 5,7 m [7]

1.2.2.5 Sóng

Chế độ sóng biển phụ thuộc chủ yếu vào chế độ gió Mùa gió Đông Bắc từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau hướng sóng thịnh hành là hướng Bắc, có khi Đông Bắc, độ cao sóng trung bình 0,75 - 1m, độ cao sóng lớn nhất 3,5 - 4m Sóng lừng trong mùa này tần suất xuất hiện khá lớn, chủ yếu theo hai hướng Đông Bắc và Đông Mùa gió Tây Nam, hướng sóng thịnh hành là hướng Tây Nam, độ cao sóng trung bình 0,75 - 1m Sóng lừng xuất hiện ở ngoài khơi chủ yếu theo hướng Tây Nam.Hình 1-2 thể hiện đặc trưng hoa sóng đại diện cho mùa Đông và mùa Hè tại khu vực nghiên cứu

Hoa sóng đại diện cho mùa Đông Hoa sóng đại diện cho mùa Hè Hình 1-2: Hoa sóng đặc trưng cho mùa Đông và mùa Hè tại Quảng Ngãi [8]

1.2.2.6 Dòng chảy biển

Dòng hải lưu vùng biển Quảng Ngãi chịu ảnh hưởng trội của biển, đó là hải lưu biển Đông, trong khi ảnh hưởng của dòng chảy từ trong sông ra chỉ tập trung vào các tháng mùa lũ và rất không đáng kể vào thời gian mùa khô (từ tháng 1 đến cuối tháng 8) Mùa gió Tây Nam, dòng ven bờ đi lên phía bắcvới vận tốc tầng mặt trung bình từ 30 – 40 cm/s, cực đại tới 75 cm/s Mùa gió Đông Bắc hướng dòng chảy ngược lại, nghĩa

là chảy từ phía bắc đi xuống ép sát gần bờ hơn với tốc độ lớn hơn, trung bình khoảng

70 cm/s, cực đại lên tới 150 cm/s

1.2.3 Tình hình xói lở, bồi lấp sông Trà Khúc

Quá trình biến động trong năm của cửa Đại khá phức tạp với các quá trình bồi, xói xen kẽ rất ngẫu nhiên cả về thời gian, cường độ và không gian

Diễn biến xói lở - bồi tụ - bồi lấp cửa sông trong thời gian năm từ 1965 đến 2000 được tóm tắt ở phần dưới đây

1.2.3.1 Giai đoạn năm 1965- 1980

Trong giai đoạn này bờ biển phía bắc thuộc địa phận xã Tịnh Khê bị xói lở, ngược lại phía bờ biển phía nam thuộc xã Nghĩa An được bồi tụ Đoạn lòng dẫn cửa sông Trà Khúc luôn biến động với xu thế mở rộng vào mùa lũ và thu hẹp vào mùa khô kiệt

1.2.3.2 Giai đoạn năm 1980-1995

Những tài liệu thu thập được trong giai đoạn năm 1980 – 1995 cho thấy, vùng bờ cửa Đại có nhiều biến động do hiện tượng dòng chủ lưu đổi hướng chảy trong sông Ở vùng ven biển từ cửa Đại đến cửa Lở bị xói lở mạnh liên tục, trong khi các khu vực ven biển khác ở phía bắc cửa Đại được bồi tụ nhẹ và ổn định hơn

1.2.3.3 Giai đoạn năm 1995- 1998

Ngoài cửa sông, bờ biển được bồi tụ ở cả hai phía bờ bắc và bờ nam với tốc độ bồi

tụ bên bờ bắc diễn ra mạnh hơn trên suốt dọc bờ biển dài hơn 6km, rộng từ 40- 60m thuộc địa phận các xã Tịnh Khê - Tịnh Kỳ

Hình 1-3: Đoạn bờ Phố An (xã Nghĩa An) bên cửa Đại bị xói trong đợt lũ năm 1999 Trong giai đoạn này, vùng ven biển cửa Đại tiếp tục biến động mạnh Về tổng thể,

bờ biển cửa Đại được bồi tụ và tương đối ổn định, ngoại trừ khu vực phía bắc cửa Lở

bị xói trên đoạn dài khoảng 600m, rộng trung bình 10- 30m và lớn nhất tới 80m, nhiều ngôi nhà của ngư dân xóm 1- thôn Phú Nghĩa- xã Nghĩa An (Hình 1-3) đã phá hu và phải di rời Lòng dẫn cửa sông Trà Khúc luôn thay đổi do sự dịch chuyển các dải cát bồi ở hai bờ lòng dẫn chính

1.2.3.4 Giai đoạn năm 1998- 2000

Xét tổng thể trong giai đoạn từ 1965-2000,khu vực cửa sông, ven biển cửa Đại luôn diễn ra quá trình bồi lấp, xói lở xen kẽ nhau Khu vực cửa sông và các doi cát ở cửa sông và trong sông được bồi lên, cửa sông bị thu hẹp lại vào thời kỳ mùa kiệt và những năm không có lũ lớn; Ngược lại, vào thời kỳ lũ, nhất là những năm có lũ lớn cửa sông sẽ được mở rộng, các doi cát trong và ngoài cửa bị xói mòn Bờ biển ở cả hai phía cửa Đại xảy ra quá trình bồi, xói xen kẽ tùy thuộc vào những thời kỳ khác nhau, tuy nhiên mức độ xói bồi không quá mạnh và bờ biển ở cả hai phía cửa Đại vẫn tương đối ổn định

1.2.3.5 Giai đoạn năm 2000 đến nay

Từ giai đoạn năm 2000 đến nay do tác động của con người mà điển hình ở đây là việc thực hiện quá trình nạo vét, tận thu cát nhiễm mặn dẫn đến phá vỡ thế cân bằng động

của khu vực, vốn được cấu tạo bằng cát bở rời Cùng với đó là những cơn bão liên tiếp kéo dài (bão số 8, 9, 10 và 11) kết hợp với triểu cường đổ bộ vào nên làm cho quá trình sạt lở, bồi lấp càng gia tăng Đặc biệt là những tháng cuối năm 2013 xảy ra hiện tượng sạt lở nghiêm trọng bờ biển và bồi lấp cửa sông Phú Thọ ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống người dân Tóm lại giai đoạn này cửa sông có xu thế bồi lắng về mùa khô

do dòng chảy kiệt trong sông bị dòng chảy triều lấn át hoàn toàn; và vào mùa mưa lũ cửa có xu thế mở rộng cửa và đẩy bùn cát ra ngoài biển

1.3 Tổng quan các nghiên cứu về cửa sông Trà Khúc

Nghiên cứu về sông Trà Khúc và Cửa Đại là một đề tài thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Các nghiên cứu đều tập trung làm rõ nguyên nhân gây xói lở-bồi lấp để đưa ra các giải pháp nhằm hạn chế tình trạng xói lở-bồi lấp

Trong nghiên cứu của mình và các cộng sự, Nguyễn Trọng Yêm [9] đã nghiên cứu điều tra đánh giá các tai biến xói lở, bồi lấp vùng ven biển tỉnh Quảng Ngãi Nhóm tác giả đã nghiên cứu đặc điểm địa chất và hoạt động địa động lực, đặc điểm địa mạo và các hoạt động nhân tạo, điều kiện khí tượng, khí hậu đồng bằng ven biển và động lực thủy văn sông ngòi, điều kiện thủy thạch động lực vùng ven bờ và các hoạt động nhân tạo ở vùng ven biển để đánh giá tình hình diễn biến xói lở-bồi lấp

Từ các nghiên cứu và kết luận nêu trên, nhóm tác giả đã đề xuất hai nhóm giải

pháp chính để xử lý các tai biến xói lở, bồi lấp ven biển Quảng Ngãi là nhóm giải pháp

công trình và nhóm giải pháp phi công trình

Nguyễn Thị Thảo Hương và cộng sự [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình xói lở, bồi lấp cửa sông đến quá trình thoát lũ và ngập lụt của sông Trà Khúc và sông

Vệ tỉnh Quảng Ngãi Nhóm tác giả đã chỉ ra rằng, trong các yếu tố có ảnh hưởng tới diễn biến cửa biển thì tác động của thủy triều và dòng triều có chu kỳ tác động ngắn nhất (gây biến đổi mực nước giờ và làm thay đổi hướng dòng chảy trong 1 chu kỳ triều), tác động của sóng thay đổi theo chế độ gió mùa; còn tác động của dòng chảy sông thay đổi giữa mùa mưa và mùa khô trong 1 năm Do mùa mưa thường ngắn (diễn

ra trong 4 tháng) và lũ không xuất hiện liên tục trong cả mùa mưa nên tác động này chỉ

có thể thấy rõ rệt nhất sau khi xảy ra lũ lớn trên sông thượng nguồn làm thay đổi

nguồn bùn cát từ sông đổ ra biển )

Để đánh giá hiện trạng sạt lở-bồi lấp khu vực nghiên cứu, nhóm tác giả đã sử dụng

tư liệu viễn thám SPOT4 (chụp năm 2008) kết hợp với khảo sát thực địa Kết quả cho thấy, trên toàn khu vực hạ lưu sông Trà Khúc và phụ lưu có19 điểm sạt lở, tổng chiều dài sạt lở 30 km, chiều dài mỗi điểm sạt lở bình quân từ 200 - 5.000 m, hướng dòng chảy cũng như lòng dẫn đều lệch hẳn về khu vực sạt lở, cấu trúc đất ven bờ sông các điểm sạt lở đa số có cấu tạo chủ yếu là sét pha cát hạt mịn, kết cấu yếu hoặc lớp sét lẫn sét pha dạng dẽo, bờ sông lại khá dốc có nhiều đoạn thẳng đứng, sau mỗi mùa mưa lũ

bờ sông bị sạt lở từng mảng với cương suất 2 - 6m/năm

Lê Văn Nghị, [8] đã sử dụng mô hình toán để đánh giá các quá trình thủy thạch động lực học Mục đích của việc sử dụng mô hình toán là để mô phỏng chế độ dòng chảy, tính toán chế độ động lực bồi xói khu vực nghiên cứu, tính toán với các giải pháp công trình để có cơ sở khoa học đánh giá diễn biến quá trình thủy thạch động lực học.Kết quả từ mô hình toán dùng để đánh giá nguyên nhân gây ra hiện tượng sạt lở bồi xói vùng cửa sông Cửa Đại, cho các kịch bản khác nhau Trên cơ sở đó, đề tài đã

đề xuất giải pháp chỉnh trị để đảm bảo ổn định cho vùng cửa sông

1.4 Kết luận

Đã có những công trình nghiên cứu đánh giá tình hình xói lở-bồi lấp của sông Trà Khúc và cửa Đại Nhưng đánh giá đã được sử dụng theo một số phương thức khác nhau như mô hình toán, điều tra thực địa, đánh giá thông qua địa tầng, để tìm ra nguyên nhân và đề xuất giải pháp nhằm nâng cao ổn định chống xói-bồi lấp

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, một hướng mới được nghiên cứu áp dụng để đánh giá diễn biến bờ biển và cửa Đại là công nghệ GIS Từ đây, sẽ áp dụng các mô hình toán để tính toán mô phỏng chế độ dòng chảy, hải văn nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu đề xuất giải pháp chỉnh trị có hiệu quả

CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU DIỄN BIẾN CỬA ĐẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM- GIS

Diễn biến tình trạng xói lở - bồi tụ- bồi lấp trong thời gian năm 1965- 2017 ở khu vực hai cửa sông lớn này tương đối phức tạp và đã được đề cập trong một số công trình nghiên cứu trước đây ( [6], [8], [9], [11]) Hiện nay việc ứng dụng công nghệ GIS và ảnh viễn thám để đưa ra kết quả về diễn biến đường bờ, bãi cát ngầm, thể hiện các quá trình xói lở, bồi tụ dịch chuyển luồng lạch cửa sông là rất hữu ích Các sự kiện như bồi/xói, bãi cát ngầm xảy ra tại các cửa sông là kết quả tương tác của nhiều yếu tố thủy động lực sông biển, có thể do các quá trình sóng, thủy triều, nguồn bùn cát từ sông ( [12], [13]) Trong phạm vi của luận văn, trình bày những kết quả về diễn biến cửa Đại sông Trà Khúc qua ảnh viễn thám trong từ năm 2013 đến năm 2016

Một trong những điểm quan trọng trong diễn biến hình thái cửa sông đó là sự chi phối của chế độ thủy động lực, bùn cát theo mùa, với mỗi dạng cửa sông được phân loại lại chịu sự chi phối ưu thế của một vài yếu tố động lực hay bùn cát khác nhau ( [14]) Cửa Đại thuộc tỉnh Quảng Ngãi thuộc dạng cửa sông phẳng có ngưỡng cát di động chắn cửa, quá trình mở rộng và thu hẹp theo lũ- kiệt, yếu tố động lực chi phối chính là dòng chảy sông trong mùa lũ và yếu tố sóng, dòng chảy triều trong mùa kiệt Những đặc điểm quan trọng kể trên sẽ được làm rõ trong nghiên cứu này thông qua phân tích diễn biến cửa theo ảnh vệ tinh đồng thời kết hợp xem xét đánh giá diễn biến thủy động lực tương ứng hiện tượng diễn ra

2.1 Phương pháp phân tích ảnh viễn thám

Để đánh giá một cách định lượng về diễn biến đường bờ, đã sử dụng phương pháp viễn thám và hệ thống thông tin địa lý Thực chất của phương pháp này là chồng ghép các chuỗi dữ liệu ảnh vệ tinh của các thời điểm khác nhau nhằm xác định vị trí đường bờ trong quá khứ và biến đổi bãi bồi theo thời gian Hệ thông tin địa lý giúp cho việc lưu trữ, cập nhật và xử lý các thông tin về diễn biến vùng ven biển cửa sông Phương pháp này cho phép nghiên cứu các vùng lãnh thổ rộng lớn, có tính đồng bộ, một cách khách quan về hiện trạng đường bờ, bãi bồi vùng ven biển cửa sông tại các thời điểm bay chụp ảnh viễn thám

Với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống, việc ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu biến động đường bờ trên thế giới đã đạt được hiệu quả lớn Cho đến nay, các phương pháp ứng dụng ảnh viễn thám đánh giá biến động đường bờ bao gồm phương pháp tổ hợp mày, phương pháp tỉ số ảnh G.Winasor, phương pháp tỉ số ảnh A.Alesheikh, phương pháp dựa trên bản đồ hiện trạng,

Phương pháp tổ hợp màu: Đây là một trong những phương pháp đơn giản nhất dựa trên tổ hợp các kênh ảnh ở các dải phổ khác nhau để tạo sự tương phản ranh giới giữa đất liền và nước Trong phân tích, xử lý ảnh viễn thám, kỹ thuật đầu tiên được sử dụng

để tạo ranh giới đường bờ là tổ hợ màu Các phương pháp tổ hợp màu để xác định đường bờ thường sử dụng kênh ảnh ở dải sóng cận hồng ngoại (NIR) do ở bước sóng này, năng lượng bức xạ bị nước hấp thụ rất lớn Phương pháp tổ hợp màu tốt nhất để tạo sự tương phản rõ rệt giữa đất và nước là tổ hợp màu RGB (Red – Green – Blue) gồm 3 kênh ảnh: 5 (hồng ngoại trung bình, 4 (cận hồng ngoại), 3 (đỏ) Mặc dù rất đơn giản nhưng phương pháp tổ hợp màu cũng có nhược điểm lớn là không thể tự tách ranh giới giữa đất và nước

Phương pháp ti số ảnh Gathot Winasor: Một trong các phương pháp biến đổi số học ảnh được sử dụng nhiều nhất là phương pháp tỉ số ảnh Phương pháp tỉ số ảnh cho phép thể hiện những biến đổi nhỏ nhất trong đặc tính phổ của các vật thể, từ đó có thể giải đoán một cách chính xác các đối tượng trên Phương pháp tỉ số ảnh được dùng để tạo các chỉ số, các chỉ số này có thể là chỉ số thực vật, chỉ số khoáng sản, chỉ số biến đổi, Ưu điểm lớn nhất của việc dùng tỉ số trong nghiên cứu các đối tượng là sự đơn giản trong xử lý và kết quả giải đoán đảm bảo độ chính xác mà không mất nhiều thời gian tính toán như các phương pháp cổ điển (giải đoán ảnh bằng các thuật toán thông dụng ) Gathot Winasor và một số nhà khoa học đã đưa ra phương pháp xác định tự động ranh giới đất liền – nước vào năm 2001 Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng

ba kênh ảnh Landsat TM, ETM+ bao gồm: kênh 2 (xanh lục), kênh 4 (cận hồng ngoại), kênh 5 (hồng ngoại trung bình) để lập ảnh tỉ số Ảnh tỉ số kênh4/kênh2 được sử dụng để tách vùng bờ có thực vật, trong khi ảnh tỉ số kênh 5/kênh2 được sử dụng để tách vùng bờ không có thực vật Kết quả hai ảnh tỉ số trên sẽ bổ sung cho nhau để tạo

ranh giới hoàn chỉnh giữa nước và đất liền Trên ảnh thu được, nước có giá trị nhỏ hơn

1, giá trị còn lại thể hiện đất liền

Phương pháp tỉ số ảnh Alesheisk A: Bên cạnh phương pháp tỉ số ảnh của G Winasor, một phương pháp tỉ số khác trong xác định ranh giới đất liền – nước được sử dụng rộng rãi hiện nay là phương pháp tỉ số Aleshaikh A Phương pháp này được Alesheikh

và một số nhà khoa học khác đưa ra năm 2006, cũng sử dụng các kênh ảnh 2 (xanh lục), 4 (cận hồng ngoại), 5 (hồng ngoại giữa) như trong phương pháp của G Winasor Tuy nhiên, khác với phương pháp của G Winssor, để tách ranh giới nước – đất liền, trong phương pháp của Alesheikh sử dụng thêm việc xử lý ngưỡng ở kênh hồng ngoại giữa Nghiên cứu đặc tính phổ của nước cho thấy, ở các kênh ảnh thuộc dải sóng hồng ngoại, nước có khả năng hấp thụ phần lớn năng lượng bức xạ chiếu tới, do vậy ở dải sóng này, năng lượng phản xạ gần như bằng 0 Thực tế chỉ ra rằng, trong các kênh phổ của ảnh đa phổ Landsat TM, ETM+, kênh hồng ngoai giữa được sử dụng hiệu quả nhất trong xác định ranh giới giữa nước và đất liền Điều này được giải thích bởi ở kênh phổ hồng ngoại giữa, khả năng hấp thụ năng lượng của nước là rất lớn, kể cả nước đục (chưa lượng trầm tích lớn), trong khi khả năng phản xạ của thực vật và đất lại rất mạnh

Trong phương pháp này trước tiên, cần xác định giá trị ngưỡng trên kênh ảnh 5 (hồng ngoại giữa) để phân biệt giữa nước và đất liền Việc xác định giá trị ngưỡng tương đối phức tạp và khó khăn do giá trị này phụ thuộc vào từng khu vực nhất định, không có một giá trị cụ thể cho tất cả các khu vực khác Giá trị ngưỡng để xác định ranh giới nước – đất liền được xác định dựa vào phân tích histogram Bên cạnh đó, trong phương pháp này sử dụng ảnh tỉ số kênh 2/kênh 4 để phân loại đất và nước, ảnh tỉ số kênh 2/kênh 5 dùng để tách vùng bờ không có thực vật Trên các ảnh tỉ số này, vùng nước là các vùng có giá trị lớn hơn 1, nhứng pixel có giá trị nhỏ hơn 1 thuộc đất liền Rành giới nước – đất liền ở các ảnh tỉ số này có độ chính xác cao trong trường hợp bờ biển không có thực vật bảo phủ Ngược lại, trong trường hợp bờ biển có thực vật bao phủ có thể xảy ra nhầm lẫn trong xác định ranh giới Để nâng cao độ chính xác, hai ảnh tỉ số này được tích hợp để tạo ra một ảnh tỉ số mới nhằm bổ sung thông tin cho

nhau Ảnh thu được sau bước này sẽ được lọc nhiễu nhằm loại bỏ các đối tượng không cần thiết trên ảnh Kết quả cuối cùng được vector hóa để tạo bản đồ đường bờ

Hình 2-1 Mô hình xây dựng bản đồ đường bờ theo phương pháp tỉ số ảnh A

Hình 2-2 Mô hình xác định biến động đường bờ bằng phương pháp chập ảnh đa

Vì những lý do trên, ở đây đã sử dụng phương pháp này để đánh giá biến động bờ biển theo thời gian

2.2 Cơ sở dữ liệu

2.2.1 ở dữ liệu ảnh vệ tinh

Luận văn này sử dụng các ảnh vệ tinh Landsat từ 2013-2016, chiết xuất các ảnh vệ tinh ví dụ như Hình 2-3, Bảng thông tin thuộc tính ảnh vệ tinh như Bảng 2-1, qua phân tích giải đoán để xác định đường bờ qua các thời kỳ (Bảng 2-2) Các ảnh sử dụng do Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ Quốc gia NASA của Mỹ cung cấp Vệ tinh Landsat bay

ở độ cao 705 km, góc nghiêng so với mặt phẳng xích đạo là 98,20, chu kỳ bay lặp 16 ngày, chiều rộng dải quét là 185 km, kích thước ảnh 185 km x 172 km, thời gian bay qua Việt Nam khoảng 10 giờ 30 phút Trong công trình này đường mép nước được xác định theo mép triều thấp nhất tại thời điểm chụp ảnh

Hình 2-3 Ảnh vệ tinh Cửa Đại chụp ngày 07/02/2017Bảng 2-1.Thông tin thuộc tính bình đồ ảnh vệ tinh

STT Tên ảnh vệ tinh Độ phân giải

(m) Thời gian chụp Độ mây phủ

STT Tên ảnh vệ tinh Độ phân giải

(m) Thời gian chụp Độ mây phủ

Bảng 2-2: Bộ ảnh sử dụng nghiên cứu diễn biến cửa sông, bờ biển

TT Thời gian H Triều Q Trà Khúc

Ảnh Landsat chụp tại Việt Nam vào thời gian khoảng 3h- 3h30 phút Múi giờ GMT Quy đổi ra giờ Việt Nam khoảng 10h-10h30 phút

Mùa mưa lũ: Nằm trong các tháng 9,

10, 11, 12 Riêng tháng 10&11 và đầu tháng 12 thường gắn với dông, bão

2.2.2 Các tài liệu s d ng khác

Bảng 2-3 và Bảng 2-4 thể hiện số cơn bão ảnh hưởng trung bình đến khu vực cửa Đại và số đợt gió mùa Đông Bắc trung bình các tháng trong năm tại khu vực nghiên cứu

Bảng 2-3 Số cơn bão đổ bộ và ảnh hưởng (trung bình từ 1956-2000) [16]

Tháng

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm Cơn bão

Đổ bộ 0 0.02 0.02 0 0 0.02 0.11 0.07 0.04 0 0.28 Ảnh hưởng (TT) 0 0.02 0.02 0.11 0 0.11 0.22 0.33 0.24 0.02 1.04 Ảnh hưởng (GT) 0.02 0.06 0.08 0.32 0.16 0.16 0.56 0.96 0.8 0.12 3.24

Bảng 2-4 Số đợt gió mùa Đông Bắc(trung bình từ 1956-2000) [16]

- Sử dụng phần mềm ENVI để chỉnh sửa, cắt ảnh và số hóa đường bờ khu vực nghiên cứu

- Biên tập bản đồ bằng phần mềm Mapinfo

2.4 Kết quả đánh giá diễn biến xói bồi

Cửa Đại - tỉnh Quảng Ngãi thuộc dạng cửa sông phẳng có ngưỡng cát di động chắn cửa, quá trình mở rộng và thu hẹp theo lũ- kiệt, yếu tố động lực chi phối chính là dòng chảy sông trong mùa lũ và yếu tố sóng, dòng chảy triều trong mùa kiệt ([6], [11]) Diễn biến cửa sông có tính quy luật rõ rệt; các diễn biến khác thường chỉ là cực đoan

và ngắn hạn

2.4.1 Diễn biến trong mùa khô

Trong nghiên cứu này việc phân tích được tiến hành bằng cách sử dụng kết hợp ảnh vệ tinh vào các thời gian trong mùa khô, số liệu thủy văn và bùn cát là số liệu dòng chảy

và trầm tích lơ lửng tại trạm Sơn Giang, số liệu hải văn là số liệu sóng và dòng chảy khảo sát vào tháng 7/2016

a) b) Hình 2-4 Hình chụp ảnh vệ tinh Cửa Đại mùa khô: a) 06/01/2014; b) 29/07/2014 Diễn biến cửa sông từ 6/1/2014 đến 29/7/2014 (Hình 2-5) cho thấy cửa sông có biến động theo xu thế thu hẹp cửa, theo phương Đông- Tây thì cửa sông có hướng dịch chuyển về phía Đông (về phía sông), theo phương Bắc- Nam thì cửa sông có hướng dịch chuyển về phía Nam (theo hướng dòng dọc bờ từ Bắc vào Nam) Như vậy xu thế này thể hiện quy luật ảnh hưởng chủ đạo bởi yếu tố sóng và dòng chảy ven bờ Trong thời gian này dòng chảy tại trạm Sơn Giang khoảng trên 200 m3

/s

Hình 2-5 a) Diễn biến cửa Đại mùa khô từ 6/1/2014 đến 29/7/2014

Trong khoảng thời gian từ tháng 4 đến đầu tháng 7, hầu như cửa sông và bờ biển ít thay đổi hoặc có chuyển dịch, nhưng không có đột biến

Kết quả cho thấy vào mùa khô, dòng chảy trong sông kém ,ưu thế sóng và dòng triều chủ đạo gây hiện tượng đưa bùn cát vào trong cửa, các doi cát ở cửa phát triển kéo dài

và làm thu hẹp cửa, nếu 2-3 năm liên tiếp không có lũ sông thì khả năng lấp của rất lớn

Kết quả nghiên cứu cho thấy diễn biến cửa trong nội mùa không biến động mạnh mà

sự biến động được diễn ra mạnh mẽ khi chuyển mùa Qua các số liệu cho thấy quá trình mở rộng cửa xảy ra khi có dòng chảy lũ từ trong sông Quá trình chuyển tiếp từ mùa khô khi mũi cát chắn cửa làm thu hẹp phần lớn cửa ra của dòng chảy sông thì đã được mở rộng sau khi chuyển sang mùa mưa, năm 2016 có một đợt dòng chảy khoảng 700m3/s (Hình 2-6, Hình 2-7) Quá trình thu hẹp cửa khi từ mùa mưa chuyển sang mùa khô cũng thể hiện trong phân tích này cho thấy từ 11/2015 chuyển đến 7/2016

mũi cát bị chia cắt do mở cửa trong lũ đã được nối liền trở lại chắn cửa (Hình 2-8, Hình 2-9)

Hình 2-6 Hình chụp ảnh vệ tinh Cửa Đại a) 11/7/2016 b) 20/10/2016

Hình 2-7 Quá trình chuyển tiếp từ mùa khô sang mùa mưa

Hình 2-8 Hình chụp ảnh vệ tinh Cửa Đại a) 25/12/2015 b) 13/02/2016

Hình 2-9 Quá trình chuyển tiếp từ mùa mưa sang mùa khô

2.4.2 Diễn biến tron mùa m a

Để đánh giá được diễn biến theo mùa tại cửa sông, trong nghiên cứu đã chập đường bờ theo các thời gian khác nhau để xem xét diễn biến của nó, đồng thời đối chiếu với diễn biến dòng chảy và bùn cát ở thượng lưu để đánh giá nguyên nhân chính

Tại cửa Đại: Thời gian tiếp theo (tháng 11) phần mũi cát phía Bắc bị chia cắt thành hai phần, một phần là mũi cát gắn liền bờ Bắc và có hình dạng tròng ở đầu, một phần chia cắt thành một gò nổi chắn cửa và có dạng nhọn ở hai đầu theo xu thế hướng

từ sông ra biển Đối chiếu với dòng chảy trong thời kỳ này cho thấy đây là thời gian ảnh hưởng mạnh của dòng chảy sông khi mà từ tháng 7 đến tháng 11 có 3 lần dòng chảy mạnh từ trong sông Trong thời gian mùa mưa (tháng 11- 12) diễn biến cửa không thay đổi mạnh mẽ như thời gian chuyển tiếp từ mùa khô sang mùa mưa đã phân tích ở trên, tuy nhiên việc ảnh hưởng của dòng chảy sông vẫn còn thể hiện theo quy luật của nó mà biểu hiện là hình dạng mũi cát có xu thế điều chỉnh hướng từ sông ra biển (Hình 2-10, Hình 2-11)

Hình 2-10 Hình chụp ảnh vệ tinh Cửa Đại

Diễn biến cửa sông có sự liên quan chặt chẽ bởi yếu tố địa chất và các yếu tố thủy động lực tại khu vực Trong nghiên cứu này không xem xét về vấn đề địa chất nền mà đánh giá trên nguyên nhân động lực chính

Kết quả nghiên cứu cho thấy diễn biến cửa trong nội mùa không biến động mạnh mà

sự biến động được diễn ra mạnh mẽ khi chuyển mùa Nguyên nhân chính gây ra biến động trong mùa mưa là dòng chảy sông và nguồn bùn cát trong sông, trong mùa này

xu thế chuyển hướng theo trình từ mùa trước mùa mưa đến hết mùa mưa là xu thế biến thiên hình thái cửa sông từ dạng mũi cát chắn cửa đến mở rộng cửa và duy trì cửa trong toàn mùa mưa đảm bảo thoát lũ tự nhiên

Hình 2-11 Diễn biến cửa Đại vào mùa mưa

2.4.3 Diễn biến trong mùa bão

Bão có thể làm ảnh hưởng mạnh tới diễn biến bồi/xói cửa Đại [8], có thể làm bồi lấp cửa sông và sạt lở nghiêm trọng khu vực cửa sông

Để xem xét ảnh hưởng của bão diễn biến khu vực cửa sông, trong nghiên cứu đã thu thập và phân tích đường bờ của cơn bão Nari các thời gian có số liệu ảnh vệ tinh ngay trước bão và ngay sau thời gian bão đổ bộ Tuy nhiên trong quá trình chụp ảnh vệ tinh

do ngay trước và sau bão việc ảnh hưởng bởi mây mù khiến ảnh vệ tinh không dùng để giải đoán đường bờ được mà chỉ thu được ảnh khoảng thời gian trước và sau này là hai mốc cách nhau khoảng một đến vài tháng Cụ thể về cơn bão như sau

Năm 2013, khu vực bị ảnh hưởng bởi bão Nari (Hình 2-11, Bảng 2-3)

Hình 2-12 Đường đi bão Nari 2013 Bảng 2-5 Thông số bão Nari 2013

Year Month Day Hour Lat Long Pressure (hPa) Wind