Nghiên cứu đánh giá sự biến đổi hình thái và đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông lam

Việc ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với phương pháp bản đồ và GIS trong nghiên cứu biến động vùng bờ biển và phát triển cửa sông đã được thực hiện vào những thập kỷ gần đây và đã c

Lời cảm ơn!

Lời đầu tiên, tác giả xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Trần Duy Kiều – Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, GS.TS Phạm Thị Hương Lan – Trường Đại học Thủy lợi đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn cho học viên hoàn thành được luận văn này

Tác giả trân trọng gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong Khoa Thủy văn và Tài nguyên nước – Trường Đại học Thủy lợi đã tận tình truyền đạt kiến thức, chỉ bảo cho học viên trong suốt thời gian học tập tại trường

Tác giả cũng gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể Lớp 24V21 – Niên khóa 2016-2018 – Trường Đại học Thủy lợi, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, cổ vũ, động

để học viên có thể hoàn thành tốt luận văn của mình

Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn đến nhóm cộng tác viên thực hiện đề tài

NCKH cấp Bộ “Nghiên cứu đánh giá sự thay đổi một số đặc trưng lưu vực sông

Lam phục vụ theo dõi, giám sát và phát triển bền vững nguồn nước”, mã số

TNMT.2016.05.28 đã cung cấp cơ sở dữ liệu, phương pháp luận và một số kết quả nghiên cứu để học viên có thể thực hiện được nội dung nghiên cứu của mình

Trân trọng!

Tác giả

Đinh Xuân Trường

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG iii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CỬA SÔNG VEN BIỂN 5 1.1 Một số khái niệm về vùng cửa sông ven biển 5

1.1.1 Khái niệm 5

1.1.2 Phân đoạn cửa sông 6

1.2 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề nghiên cứu 8

1.2.1 Trên thế giới 8

1.2.2 Ở Việt Nam 11

1.3 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 16

1.3.1 Đặc điểm điều kiện địa lý tự nhiên 16

1.3.2 Đặc điểm khí tượng – thủy văn 17

1.3.3 Đặc điểm thủy triều 19

1.4 Nhận xét chương 1 20

CHƯƠNG 2 SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Phương pháp nghiên cứu 22

2.1.1 Phương pháp viễn thám và GIS trong đánh giá biến đổi hình thái cửa sông ven biển sông Lam 22

2.1.2 Phương pháp phân tích, thống kê trong phân tích trường gió vùng cửa biển sông Lam 29

2.1.3 Phương pháp mô hình toán trong đánh giá đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam 32

2.2 Số liệu phục vụ nghiên cứu 39

2.2.1 Số liệu phục vụ đánh giá biến đổi hình thái cửa sông ven biển sông Lam 39

2.2.2 Số liệu phục vụ đánh giá đặc điểm thủy động lực cửa sông ven biển sông Lam 40

2.3 Nhận xét chương 2 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ SỰ BIẾN ĐỔI HÌNH THÁI VÀ ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG LỰC CỬA SÔNG VEN BIỂN SÔNG LAM 42

3.1 Đặc điểm hình thái cửa sông ven biển sông Lam 42

3.2 Đặc điểm trường gió vùng cửa sông ven biển sông Lam 52

3.2.1 Kết quả phân tích tốc độ gió 52

3.2.2 Kết quả phân tích hướng gió 54

3.3 Hiệu chỉnh và kiểm đinh mô hình thủy động lực 2 chiều 57

3.3.1 Điều kiện biên 57

3.3.2 Kịch bản tính toán 59

3.3.3 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định 60

3.4 Phân tích, đánh giá đặc điểm thủy động lực vùng ven biển sông Lam 63

3.4.1 Trường sóng khu vực cửa sông ven biển sông Lam 63

3.4.2 Trường dòng chảy khu vực cửa sông ven biển sông Lam 65

3.4.3 Đánh giá khả năng thoát lũ vùng cửa sông ven biển sông Lam 68

3.5 Nhận xét chương 3 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 78

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1: Một số đặc trưng bất đẳng triều chu kỳ nửa tháng vùng cửa sông ven biển

sông Lam[12] 20

Bảng 2-1: Dữ liệu ảnh Landsat cho cửa sông ven biển Lam 40

Bảng 2-2: Số liệu mặt cắt ngang sông 40

Bảng 3-1: Kết quả tính toán tốc độ gió theo một số tần suất thiết kế 54

Bảng 3-2: Đặc điểm điều kiện biên sử dụng trong mô hình MIKE 21 58

Bảng 3-3: Kịch bản nghiên cứu chế độ thủy động lực cửa biển sông Lam 59

Bảng 3-4: Phương án đánh giá khả năng thoát lũ cửa biển sông Lam 59

Bảng 3-5: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô phỏng mô hình MIKE 21 62

Bảng 3-6: Bộ thông số của mô hình MIKE 21 63

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1: Phân đoạn cửa sông theo địa hình cửa 7

Hình 1-2: Bản đồ hệ thống mạng lưới sông thuộc hệ thống sông Lam 16

Hình 1-3: Khu vực cửa sông ven biển sông Lam 17

Hình 2-1: Đặc trưng phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính 22

Hình 2-2: Lưới tính toán phi cấu trúc dạng 3 chiều 37

Hình 2-3: Số liệu mặt cắt và địa hình ngoài khơi vùng cửa sông ven biển sông Lam 41

Hình 3-1: Công cụ Landsat Toolbox phân tích hình thái cửa sông ven biển 42

Hình 3-2: Tính toán chỉ số NDVI 43

Hình 3-3: Phân tách đất và nước 44

Hình 3-4: Đường bờ cửa sông ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng 10 năm 1990 45

Hình 3-5: Đường bờ cửa sông ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng 10 năm 1995 46

Hình 3-6: Đường bờ cửa sông ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng 9 năm 2000 47

Hình 3-7: Đường bờ cửa sông ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng 10 năm 2005 48

Hình 3-8: Đường bờ cửa sông ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng 10 năm 2010 49

Hình 3-9: Đường bờ cửa sông ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng 10 năm 2015 50

Hình 3-10: Sự biến đổi hình thái cửa biển sông Lam qua các năm 51

Hình 3-11:Đường tần suất gió tại trạm Hòn Ngư 54

Hình 3-12: Hoa gió tại trạm Hòn Ngư 56

Hình 3-13: Lưới tính khu vực cửa sông ven biển sông Lam 57

Hình 3-14: Địa hình và điều kiện biên khu vực cửa sông ven biển sông Lam 57

Hình 3-15: Hằng số điều hòa khu vực nghiên cứu năm 2010 58

Hình 3-16: Hình thái và địa hình cửa biển sông Lam mùa lũ năm 1995 (PA1) 59

Hình 3-17: Hình thái và địa hình cửa biển sông Lam mùa lũ năm 2010 (PA2) 60

Hình 3-18: Hình thái và địa hình cửa biển sông Lam mùa lũ năm 2015 (PA3) 60

Hình 3-19: Quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Chợ Tràng (3 /2010) Hiệu chỉnh mô hình MIKE21 61

Hình 3-20: Quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Cửa Hội (3 /2010) Hiệu chỉnh mô hình MIKE21 61

Hình 3-21: Quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Chợ Tràng (10 /2010) Kiểm định mô hình MIKE21 61

Hình 3-22: Quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Cửa Hội (10 / 2010) Kiểm định mô hình MIKE21 62

Hình 3-23: Trường sóng khu vực cửa biển sông Lam với hướng gió 450 – thời kì triều cường 63

Hình 3-24: Trường sóng khu vực cửa biển sông Lam với hướng gió 1350 – thời kì triều cường 64

Hình 3-25: Trường sóng khu vực cửa biển sông Lam với hướng gió 450 – thời kì triều kém 64

Hình 3-26: Trường sóng khu vực cửa biển sông Lam với hướng gió 1350 – thời kì triều kém 65

Hình 3-27: Trường dòng chảy khu vực cửa biển sông Lam hướng gió NE - thời kì triều cường tháng 10 năm 2010 66

Hình 3-28: Trường dòng chảy khu vực cửa biển sông Lam hướng gió SE - thời kì triều cường tháng 10 năm 2010 67

Hình 3-29: Trường dòng chảy khu vực cửa biển sông Lam hướng gió NE - thời kì triều kém tháng 3 năm 2010 67

Hình 3-30: Trường dòng chảy khu vực cửa biển sông Lam hướng gió SE - thời kì triều kém tháng 3 năm 2010 68

Hình 3-31: Trường dòng chảy cửa sông ven biển sông Lam theo PA1 68

Hình 3-32: Trường dòng chảy cửa sông ven biển sông Lam theo PA2 69

Hình 3-33: Trường dòng chảy cửa sông ven biển sông Lam theo PA3 69

Hình 3-34: Trường vận tốc khu vực cửa sông ven biển sông Lam theo PA1 70

Hình 3-35: Trường vận tốc khu vực cửa sông ven biển sông Lam theo PA2 70

Hình 3-36: Trường vận tốc khu vực cửa sông ven biển sông Lam theo PA3 71

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BVI Brown vegetation index

DEM Digital elevation model

DVI Difference vegetion index

GIS Geographic Information System

LVI Light vegetation index

LST Land surface temperature

NDVI Normalized difference vegetation index

SMS Surface-water Modeling System

TREM Two-dimensional Rinereb Evolution Model

MỞ ĐẦU

Vùng cửa sông ven biển là vùng chịu sự tương tác giữa môi trường nước biển và nước ngọt, hình thành môi trường nước lợ (brackishwater) với sự pha trộn các tính chất của môi trường nước biển và nước ngọt nội địa Hoạt động thủy triều tác động lên vùng này hình thành các hệ sinh thái thủy sinh vô cùng đa dạng và phong phú, có ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất và phát triển kinh tế của vùng Vùng cửa sông ven biển là nơi tiếp nhận nguồn dinh dưỡng hữu cơ dồi dào bắt nguồn từ các con sông cũng như được bổ sung từ biển, là nguồn cung cấp thức ăn dồi dào để hỗ trợ cho sự sống của nhiều loại sinh vật khác nhau Thực tế, vùng cửa sông ven biển được coi là vùng có năng suất sinh học cao vào loại bậc nhất trên hành tinh

Các nghiên cứu vùng cửa sông ven biển nhằm tính toán diễn biến và phát triển hình thái chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các quá trình thủy thạch động lực bao gồm sóng, triều, dòng chảy, xâm nhập mặn v.v và quá trình vận chuyển bùn cát gây diễn biến hình thái Các vấn đề trên đều được thực hiện dựa trên số liệu quan trắc ngoài hiện trường, các nghiên cứu trên mô hình vật lý, mô hình toán

Mô hình toán là một công cụ có tính tiện ích rất lớn, chính vì vậy nó được rất nhiều quốc gia quan tâm phát triển và đã có nhiều mô hình có tính thương mại cao, được sử dụng khá phổ biến ở nhiều nước, cho các dự án quan trọng ở các quốc gia khác nhau Tuy nhiên, cũng phải nói rằng mô hình toán không phải là một công cụ vạn năng vì tính đúng sai của nó phụ thuộc rất nhiều vào độ tin cậy của các điều kiện biên, các tập hàm vào mà chúng ta phải có trước khi áp dụng chúng Chẳng hạn các mô hình thủy thạch động lực cần các số liệu mực nước, dòng chảy, sóng, bùn cát ở các biên cũng như các điểm trong hệ thống để hiệu chỉnh và kiểm định các thông số với độ chính xác cho phép khi mô phỏng Nhưng thực tế, các số liệu

mà chúng ta có vừa ngắn, lại không đồng bộ, độ chính xác không cao thì khó có thể khẳng định mô hình sẽ cho kết quả có thể chấp nhận được

Việc ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với phương pháp bản đồ và GIS trong nghiên cứu biến động vùng bờ biển và phát triển cửa sông đã được thực hiện vào những thập kỷ gần đây và đã có những đóng góp rất có ý nghĩa như: xác lập vị trí đường bờ biển, xây dựng bộ bản đồ hiện trạng và biến động đường bờ biển, thành lập bản đồ hiện trạng bồi tụ - xói lở cho dải ven biển, phân tích quá trình phát triển và biến động các cửa sông ven biển vùng đồng bằng, nghiên cứu sa bồi luồng tàu, quá trình bồi tụ - xói lở bờ biển, bồi lấp và dịch chuyển lòng dẫn cửa sông ở các vùng cửa sông ven biển ở nước ta

Cho đến nay, nhiều vấn đề về qui luật diễn biến cửa sông, bờ biển, cơ chế của quá trình bồi tụ, xói lở vẫn chưa được giải quyết thoả đáng Chưa có được qui trình thống nhất trong khảo sát đo đạc dòng bồi tích và quá trình vận chuyển bùn cát vùng ven bờ biển, cửa sông Chưa có được qui trình công nghệ dự báo quá trình bồi

tụ, xói lở các vùng biển, cửa sông Nhiều giải pháp công trình đưa ra còn mang tính đơn lẻ, địa phương, nên khi áp dụng có thể giảm thiểu được xói lở, bồi tụ ở khu vực này thì lại xảy ra tai biến ở các vùng lân cận Vấn đề liên kết các nghiên cứu của các ngành khác nhau theo cách tiếp cận nhân quả chưa được quan tâm, còn bị giới hạn trong từng mục tiêu riêng biệt Mối quan hệ giữa các quá trình thủy động lực tại các cửa sông, ven biển với các hoạt động khai thác bề mặt lưu vực như chặt phá rừng, xây dựng hệ thống hồ thủy lợi, thủy điện, xây dựng hệ thống cơ sở hạ tầng chưa nghiên cứu chi tiết, thỏa đáng, đặc biệt là chưa xét đến tác động của biến đổi khí hậu tới biến động các cửa sông, ven biển Vì vậy, học viên đã lựa chọn đề tài

“Nghiên cứu đánh giá sự thay đổi hình thái và đặc điểm thủy động lực vùng cửa

sông ven biển sông Lam” để thực hiện nhằm góp phần cung cấp thêm cơ sở phương

pháp luận giúp các nhà quy hoạch, quản lý có nhũng giải pháp phù hợp trong việc khai thác, phát triển tiềm năng của khu vực cửa sông ven biển sông Lam nói riêng

và cửa sông ven biển nước ta nói chung

1 Mục tiêu

- Nghiên cứu đánh giá được sự thay đổi hình thái cửa sông ven biển sông Lam

từ việc giải đoán ảnh viễn thám;

- Nghiên cứu đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam và ảnh hưởng của nó đến thoát lũ

2 Cách tiếp cận

Với mục tiêu là đánh giá được sự thay đổi hình thái và đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam, mặt khác vùng cửa sông ven biển là nơi tranh chấp giữa nước mặn của biển và nước ngọt của sông trong lục địa, đó là sự thay đổi từ chế độ thủy văn sông sang chế độ thủy văn biển, chế độ nước ở cửa sông biến động kéo theo các đặc tính lý hóa, sinh học môi trường nước, dòng thủy thạch cũng biến động theo Vì vậy để giải quyết được bài toán đề ra, hướng tiếp cận được lựa chọn trong đề tài này bao gồm:

- Tiếp cận kế thừa: Đây là một trong những cách tiếp cận không thể thiếu của tất cả các công trình nghiên cứu nhằm nắm vững phương pháp và kết quả nghiên cứu của các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước trước đó Kế thừa các kết quả đã có, đồng thời cũng nắm bắt được thông tin để tiến hành phối hợp với các đơn

vị liên quan trong việc thực hiện các nội dung của luận văn

- Tiếp cận tổng hợp đa ngành: Cửa sông ven biển sông Lam là khu vực nhạy cảm, dễ bị tổn thương, thường xuyên chịu nhiều tác động bất lợi do dòng chảy, thủy triều, sóng và gió Do đó, để đưa ra được cơ sở khoa học nhằm xem xét sự biến đổi của hình thái và đặc điểm thủy động lực thì cần phải tiến hành theo hướng tiếp cận tổng hợp đa ngành

- Tiếp cận phương pháp và công nghệ mới: Để tránh những bất cập, giảm chi phí trong quá trình nghiên cứu thì cần thiết phải áp dụng các công cụ hiện đại đã có

và mới có nhằm nâng cao hiệu quả và đảm bảo độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu, cũng như tính khả thi, khả dụng của các giải pháp đề xuất

Hình A - Hướng tiếp cận của đề tài

3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế thừa: Phương pháp này được sử dụng nhằm phân tích và tổng hợp các nguồn tài liệu, số liệu thông tin có liên quan từ các đề tài đã thực hiện trước đây, từ đó đưa ra được phương pháp, công nghệ, các giải pháp thích hợp cho bài toán đặt ra

- Phương pháp thống kê, phân tích, tổng hợp: Được sử dụng để đánh giá đặc điểm, tính chất và xu thế biến đổi của đường bờ; đặc điểm trường gió và trường sóng; đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam

- Phương pháp viễn thám và GIS: Ứng dụng công nghệ giải đoán ảnh viễn thám

để phân tích xác định đường bờ cho khu vực cửa sông ven biển sông Lam giai đoạn

1990 - 2015, sau đó đánh giá sự thay đổi hình thái cho khu vực này Dữ liệu ảnh Landsat được thu thập từ Website: http://glovis.usgs.gov, bao gồm Landsat 4-5 (LT5), Landsat 7 (LE7), Landsat 8 (LC8) với Path = 126, Row = 47

- Phương pháp mô hình toán: Ứng dụng mô hình MIKE21 thiết lập mô hình thủy động lực 2 chiều để phân tích, đánh giá trường vận tốc, dòng chảy vùng cửa sông ven biển sông Lam Dựa trên số liệu mặt cắt thực đo khu vực hạ lưu sông Lam, số liệu địa hình vùng ven bờ khu vực cửa biển sông Lam, kết hợp với số liệu địa hình từ bản đồ DEM để xây dựng lưới địa hình tính toán cho khu vực nghiên cứu Sau đó lựa chọn một số kịch bản về trường gió và dòng chảy để nghiên cứu đánh giá đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam

4 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, nội dung luận văn được cấu trúc thành 3

chương như sau:

- Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về cửa sông ven biển

Trong chương này, luận văn tập trung đưa ra một số khái niệm về vùng cửa sông ven biển, những nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề nghiên cứu, tổng quan về khu vực cửa sông ven biển sông Lam

- Chương 2: Số liệu và phương pháp nghiên cứu

Những nội dung nghiên cứu trong chương 2 bao gồm: Nguồn số liệu ảnh Landsat cho khu vực của sông ven biển sông Lam; cơ sở khoa học giải đoán ảnh Landsat xác định đường bờ; các tham số chính của ảnh Landsat trong nghiên cứu biến đổi đường bờ; phương pháp và công nghệ phân tích, giải đoán ảnh Landsat để xác định đường bờ; phương pháp mô hình toán trong đánh giá đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển

- Chương 3: Kết quả đánh giá sự biển đổi hình thái và đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam

Trong chương 3, luận văn tập trung việc ứng dụng mô hình toán trong việc đánh giá đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam bao gồm những nội dung như: xây dựng các kịch bản tính toán theo đặc điểm trường gió, thủy triều với số liệu thực đo, đặc điểm hình thái cửa biển sông Lam từ kêt quả phân tích hình thái cửa sông ven biển sông Lam; hiệu chỉnh và kiểm đinh mô hình thủy động lực 2 chiều cho khu vực cửa sông ven biển sông Lam; kết quả đánh giá đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam theo các kịch bản nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CỬA SÔNG VEN BIỂN

1.1 Một số khái niệm về vùng cửa sông ven biển

1.1.1 Khái niệm

Theo các tác giả Nguyễn Văn Cư, Hoa Mạnh Hùng, Nguyễn Bá Quỳ [1] thì

thuật ngữ “cửa sông” được hiểu theo hai nghĩa:

Cửa sông là nơi sông đổ ra biển, ra hồ (hay kho nước) và cửa sông là đoạn cuối cùng của một con sông thông ra biển

Như vậy, cửa sông là vùng giao nhau giữa sông và biển, nó là một “tập mờ” giữa “trắng sông” và “đen biển”, nghĩa là các quá trình diễn biến dòng chảy trong

sông con người có thể kiểm soát được, trong khi các quá trình diễn ra ngoài biển thì

rất khó nắm bắt, chỉ có thể nhận thấy khi nó đã xảy ra

Cửa sông là nơi tranh chấp giữa nước mặn của biển và nước ngọt của sông trong lục địa, đó là sự thay đổi từ chế độ thủy văn sông sang chế độ thủy văn biển Chế độ dòng chảy ở cửa sông biến động kéo theo các đặc tính lý hóa, sinh học, môi trường nước, dòng thủy thạch cũng biến động theo Do vậy, giới hạn cửa sông thường được xác định bởi các dấu hiệu đặc điểm như sau:

- Giới hạn phía trong cửa sông: Là nơi hầu như không còn dao động của thủy triều ΔH = 0, nó là điểm kết thúc ảnh hưởng của biển vào trong sông

- Giới hạn phía ngoài cửa sông: là nơi dòng chảy lũ lịch sử của con sông đạt tới

Những đặc điểm cơ bản của cửa sông bao gồm:

- Chế độ thủy văn vùng cửa sông được hình thành dưới tác động tổng hợp của các quá trình sông - biển và chế độ hải văn biển (sóng gió ven bờ, dòng chảy, dao động mực nước )

- Ảnh hưởng của sông được thể hiện qua chế độ dòng nước và bùn cát, hiện tượng xói lòng dẫn xảy ra ở phần cửa sông phía trên và bùn cát được lắng đọng ở vùng biển phía trước cửa sông

- Ảnh hưởng của biển được thể hiện qua sự dao động của mực nước (thủy triều và nước dâng do gió, bão) gây dồn ứ nước sông, tạo thành dòng chảy ngược vào sông trong mùa kiệt và kéo theo quá trình truyền mặn vào sâu trong sông

Đặc trưng của vùng cửa sông còn là sự biến động rất lớn về độ mặn Mùa kiệt mặn xâm nhập vào sông sâu hơn; khi triều lên độ mặn cũng cao hơn khi triều rút hay nói cách khác sự biến động của độ mặn phụ thuộc vào mùa trong năm, pha

triều và hình dạng cửa sông, lòng sông

Hiện nay, việc phân định ranh giới vùng cửa sông còn nhiều ý kiến khác nhau, song đều thống nhất dựa trên 3 dấu hiệu cơ bản là: (i) điều kiện thủy văn, (ii) điều kiện thủy hóa và (iii) hình thái cửa sông Theo đánh giá của các nhà chuyên môn nghiên cứu về hóa học và sinh học thì vùng cửa sông có giới hạn trong sông ở nơi nước lợ có độ mặn từ 5% đến giới hạn ngoài khơi là nơi nước lợ biến đổi hoàn toàn thành nước biển có độ mặn từ 30†32% Như vậy, vùng cửa sông bao gồm phần cuối của dòng sông và một phần biển nông ven bờ

Các chuyên gia thủy văn cho rằng ranh giới phía trong sông của vùng cửa sông là nơi lòng dẫn chính bắt đầu phân nhánh, hoặc là nơi không có ảnh hưởng của thủy triều và nước dâng trong mùa kiệt và ranh giới ngoài phía biển là nơi có chế độ thủy hóa biến tính mạnh nhất trong mùa lũ (thường lấy gradient độ mặn vùng nước pha trộn làm chỉ tiêu đặc trưng)

Tuy nhiên, dù cách phân chia nào đi nữa thì ranh giới vùng cửa sông cũng là tương đối, bởi lẽ đường biên ảnh hưởng của thủy triều hay nước dâng và ranh giới vùng nước lợ còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố tự nhiên khác và cả các tác động của các hoạt động kinh tế xã hội

1.1.2 Phân đoạn cửa sông

Theo I.V Xamoilov, vùng cửa sông được chia thành ba đoạn: Đoạn thuộc sông (phía trên), cửa sông và vùng biển ven bờ trước cửa sông Ba đoạn của vùng cửa sông là một hệ thống nhất, nó tồn tại không chỉ có các đặc trưng hình thái khác nhau, mà chế độ thủy động lực và điều kiện cảnh quan tự nhiên cũng khác nhau

X.X.Baidin lại phân vùng cửa sông gồm 3 đoạn chính:

- Đoạn trong cửa sông: Đoạn này được chia làm hai dạng một nhánh sông và

nhiều nhánh sông Loại một nhánh, đặc trưng nhất là chiều dài của vùng ảnh hưởng nước dâng, thủy triều, xâm nhập mặn và vùng xuất hiện dòng chảy ngược Loại nhiều nhánh, trong đó thường có 1 đến 2 nhánh chính và nhiều nhánh phụ hoặc các lòng dẫn bị thoái hóa, hình thành các hồ móng ngựa, đầm lầy cửa sông

- Đoạn cửa sông (vùng ngưỡng cửa sông): Là nơi tranh chấp mạnh mẽ giữa

quá trình động lực sông - biển Đặc điểm đặc trưng nhất của cửa sông là sự hình thành và phát triển các val cát, bãi bồi ngầm (bar), doi cát, đảo chắn Đây là khu vực châu thổ phát triển mạnh nhất nên địa hình đáy và hình thái bờ luôn biến động

- Vùng biển nông trước cửa sông: Đoạn này còn được gọi là vùng thềm biển

nông trước cửa sông Theo thời gian phát triển của cửa sông, theo dấu hiệu hình thái đoạn cửa sông được phân thành hai dạng: dạng kín và dạng hở Dạng kín ứng với cửa sông đang phát triển ở giai đoạn đầu (giai đoạn lấp đầy vũng vịnh và hình thành

đồng bằng delta) Dạng hở ứng với cửa sông phát triển có quá trình trao đổi tự do giữa nước sông và nước biển và chịu ảnh hưởng mạnh của các yếu tố động lực biển (như dòng chảy ven bờ, sóng gió, thủy triều, nước dâng.) Vùng biển nông trước cửa sông bao gồm các khu vực chịu ảnh hưởng của các loại dòng chảy khác nhau: Dòng lũ, dòng triều, dòng trôi, dòng sóng vỗ bờ và vùng nước bị pha trộn mạnh Ranh giới phân chia các khu vực biển nông cửa sông cũng là tương đối, do chúng biến động tùy thuộc vào chế độ lực và điều kiện địa hình vùng biển nông ven bờ

Theo các phân chia và giới hạn của vùng cửa sông như đã trình bày ở trên cho thấy cửa sông có chế độ động lực đa dạng, rất phức tạp thể hiện mối tương tác các yếu tố từ khí quyển, thủy quyển, thạch quyển và sinh quyển Các quá trình động lực vùng cửa sông là quá trình tương tác giữa các yếu tố động lực từ hai khối nước mặn và nước ngọt, giữa dòng chảy sông và biển, giữa các yếu tố động lực sông - biển tới các thành tạo địa hình (quá trình tích tụ - mài mòn, vận chuyển bùn cát trong sông, vận chuyển bồi tích ven bờ, tạo thành bãi, kéo dài và phá hủy dòng dẫn cửa sông ) Do đó, việc nghiên cứu động lực vùng cửa sông phải đặt trên cơ sở nghiên cứu tổng hợp một cách hệ thống với nhiều chuyên môn, lĩnh vực khác nhau

Các cửa sông dù thuộc loại nào cũng đều được cấu tạo thành hai đoạn lấy mốc ngưỡng cạn (bãi chắn cửa) làm gianh giới phân chia:

a Cửa sông hình tam giác châu (Delta) b Cửa sông hình phễu (Estuary)

Trong đó: 1 là đoạn tiếp cận cửa; 2 là đoạn cửa sông; 3 là bãi biển ngoài cửa; 4 là bờ biển; 5 là đường viền bờ dốc

Hình 1-1: Phân đoạn cửa sông theo địa hình cửa

Theo quan điểm hệ thống, các yếu tố xác định cấu trúc động lực vùng cửa sông có liên quan hữu cơ với nhau, tương tác qua lại lẫn nhau trong một hệ thống thống nhất là vùng cửa sông Mối tương tác này thể hiện thông qua 3 nhóm yếu tố

cơ bản bao gồm nhóm các yếu tố nội động lực, nhóm các yếu tố thủy động lực tự nhiên và nhóm các yếu tố nhân sinh

1.2 Một số nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề nghiên cứu

1.2.1 Trên thế giới

Các nghiên cứu vùng cửa sông ven biển nhằm tính toán diễn biến và phát triển hình thái chủ yếu tập trung vào nghiên cứu các quá trình thủy thạch động lực bao gồm sóng, triều, dòng chảy, xâm nhập mặn v.v và quá trình vận chuyển bùn cát gây diễn biến hình thái Các vấn đề trên đều được thực hiện dựa trên số liệu quan trắc ngoài hiện trường, các nghiên cứu trên mô hình vật lý, mô hình toán

Những nghiên cứu thuộc lĩnh vực khoa học động lực học dòng sông, chuyển động bùn cát và vấn đề chỉnh trị sông như nghiên cứu xác định nguyên nhân, cơ chế, diễn biến lòng dẫn; Nghiên cứu đề xuất các giải pháp phòng chống giảm nhẹ các thiệt hại do xói lở bờ, bồi lắng lòng dẫn Những nghiên cứu này đã được quan tâm từ thế kỷ XIX, nhưng phát triển mạnh từ những năm thập kỷ 30 đến thập kỷ 60 thế kỷ thứ XX ở các nước Âu Mỹ Các nghiên cứu điển hình là nhà khoa học Pháp

Du Boys về chuyển động bùn cát, Barrede Saint - Venant về dòng không ổn định;

L Fargue về hình thái đoạn sông uốn khúc Vào những năm đầu của thế kỷ XX, các nhà khoa học của Liên Xô như Lotchin V.M, Bernadski N.M, Gontrarop V.N đã

có các công trình về vận chuyển bùn cát; các nhà khoa học Antunin S.T, Grisanin K.B, Kariukin S.N có nhiều nghiên cứu về chỉnh trị sông[1]

Vào những năm 60, các nhà khoa học ở Tây Âu đã có nhiều kết quả nghiên cứu về hình thái lòng dẫn như Meyer - Peter và Muller, Kennedly R.G Các nhà khoa học của Mỹ như Einstein H.A., Ven te Chow, Ning chien Đã có nhiều công trình nghiên cứu về dòng chảy và chuyển động bùn cát, trên cơ sở đó đánh giá được diễn biến lòng dẫn Ngoài những nghiên cứu cơ bản về diễn biến, bồi lắng, xói lở lòng dẫn, thời kỳ này có những tiến bộ vượt bậc về phương pháp và kỹ thuật tính toán cũng như các thiết bị đo đạc[1]

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học trên thế giới vẫn tiếp tục nghiên cứu về động lực học dòng sông và chỉnh trị sông, đặc biệt là ảnh hưởng của các công trình trên sông đến diễn biến, xói lở và bồi lắng lòng dẫn, điển hình là các nghiên cứu của Simons, Anbecson, De Vries Điển hình là các nghiên cứu về xói ở hạ du công trình của Antunin hay tính toán xói phổ biến theo phương pháp trạng thái ổn định tới hạn làm cơ sở khoa học cho việc phát triển các mô hình tính toán hình thái và dự báo xói lở lòng dẫn của Lê Vi

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của công trình xây dựng trên sông đến diễn biến lòng dẫn đã được các nhà khoa học như Tiền Ninh, Đậu Quốc Nhân, Lư Bảo Chấn (Trung Quốc), Hickin và Nauson, Vannon.(Mỹ) quan tâm Các nghiên cứu này xoay quanh vấn đề tính toán dự báo, đánh giá ổn định và đề xuất các giải pháp bảo

vệ bờ dựa trên cơ sở quan hệ dòng chảy và hình thái lòng sông dẫn tới sự thay đổi

chiều rộng lòng sông, cao trình đáy sông, ổn định của mái dốc với các điều kiện địa chất khác nhau

Các nghiên cứu về ảnh hưởng của xây dựng cầu trên sông đến diễn biến lòng dẫn được phát triển cả về mặt lư thuyết cũng như các ứng dụng trực tiếp Nhiều nghiên cứu có tính ứng dụng cao phục vụ cho việc lập dự án xây dựng một hoặc nhiều cầu trên sông như nghiên cứu mức độ dâng nước thượng lưu cầu của Bradley (1970); Neil (1973), Karaki (1974) hay nghiên cứu xói phổ biến do dòng chảy bị thu hẹp của Laursen(1960,1963), Komura (1966)

Các vấn đề về động lực vùng cửa sông ven biển đã được nghiên cứu từ rất sớm, điển hình là các công trình nghiên cứu của N.Ya Danilevxki (1869), I.V Xamoilov (1952), T Elliot (1977), A Volker (1966), Những công trình này chủ yếu tập trung nghiên cứu các diễn biến về động lực vùng cửa sông, ven biển và mối

sự liên hệ về động lực của các quá trình tương tác sông - biển, có xét đến tác động của con người[1]

Các công trình tiêu biểu nghiên cứu về động lực vận chuyển bùn cát, bồi tụ, xói lở tại vùng cửa sông ven biển là của các tác giả Bijker E.W (1971), Engelund F

và E Hansen (1972), Meyer-Peter E và R Muller (1948), Van Rijn L C (1993), Yang C T (1996)

Những năm gần đây, nhiều Viện nghiên cứu, các nhà khoa học trên thế giới phát triển các mô hình số trị thủy thạch động lực mà bắt đầu là các mô hình một chiều như MIKE11, HEC-RAS để mô phỏng các quá trình mang tính bình quân hóa trên mặt cắt Khi nhu cầu tính toán phân bố theo không gian của các yếu tố thủy thạch động lực không chỉ theo chiều dòng chảy, mà còn cần trên cả độ sâu thì các

mô hình 2D, 3D cũng lần lượt ra đời chẳng hạn như mô hình DELFT3D (Hà Lan), MECCA (Mỹ), Đây có thể xem là một bước tiến dài của khoa học công nghệ trong việc mô phỏng và xây dựng bức tranh đầy đủ hơn về sự biến đổi thủy động lực, hình thái của lòng dẫn, bờ bãi sông biển cũng như dự báo sự biến đổi của nó ở các hạn vừa và dài[1]

Khi các mô hình số trị thủy động đã được hiệu chỉnh và kiểm định có đủ độ tin cậy và mức độ ổn định cao thì nó sẽ là công cụ mạnh giúp chúng ta biết được sự thay đổi của các quá trình thủy thạch động lực theo các kịch bản khác nhau và giúp cho các nhà ra quyết định có những thông tin chính xác hơn trong việc quyết định giải quyết các vấn đề rất phức tạp và biến động lại chịu nhiều các yếu tố tác động như các cửa sông và dải ven biển

Ở Mỹ có một chương trình nghiên cứu rất lớn về động lực các cửa sông, lạch triều và luồng lạch (CTRP) đã được tiến hành trong nhiều năm nay Quá trình vận chuyển bùn cát mà 26 trong số 58 cửa sông của Mỹ đã xây dựng được hệ thống kè

hướng dòng, ngăn cát chống sa bồi luồng vào cửa sông và xói lở 2 bên bờ liền kề cửa sông Ở Anh đã triển khai chương trình nghiên cứu tương tác sông - biển với mục đích đánh giá và dự báo biến động luồng lạch vào cảng cửa sông nối với biển Một số nước EU và Ucraina đã nghiên cứu để khơi thông luồng vào cửa sông Dunai Một số cảng nằm sâu trong vùng cửa sông ở các nước như Hà Lan, Nga, Nhật, các nhà khoa học đã mô phỏng với các kịch bản khác nhau để đánh giá quá trình sa bồi luồng và đề xuất các giải pháp duy tu, nạo vét hợp lư đảm bảo cho các loại tàu có trọng tải lớn ra vào theo kế hoạch định trước Trong đó, tại Nhật Bản 72 trong số 139 cửa sông có luồng tàu được xây dựng đê chắn cát Ở cửa sông Dunai, người ta đã xây dựng 2 đê chắn cát song song ở 2 phía luồng, kéo dài bar chắn cửa đến độ sâu 6,5m, cắt các đoạn sông quá cong và nạo vét duy trì độ sâu luồng và chống bồi lấp luồng tàu vào cảng cửa sông

Jean - Francois Desprast et al., (2010) đã sử dụng công cụ viễn thám và GIS

để cảnh báo mối hiểm họa cho người dân sống ở vùng ven bờ biển do sóng thần, mực nước biển dâng và xói lở để giúp cho các nhà quản lý hoạch định kế hoạch sử dụng đất đai và phát triển khu dân cư ven bờ biển

Những vấn đề về diễn biến hình thái, chế độ thủy động lực vùng cửa sông ven biển đã được nghiên cứu từ rất sớm và đã có những thành tựu đáng khích lệ trên thế giới bao gồm:

- Phân đoạn, phân loại cửa sông

- Sự hình thành và phát triển bar chắn cửa sông

- Nghiên cứu biến đổi lòng dẫn

- Bồi lắng luồng vùng cửa sông

- Vận chuyển bùn cát trong các đoạn cửa sông

- Quan hệ hình thái trong các đoạn cửa sông

- Xâm nhập mặn

- Ngập lụt vùng cửa sông và ven bờ biển

- Mô hình hóa các hiện tượng thủy thạch động lực và vận chuyển bùn cát (trường sóng, thủy triều, dòng chảy, bùn cát )

Mô hình toán là một công cụ có tính tiện ích rất lớn, chính vì vậy nó được rất nhiều quốc gia quan tâm phát triển và đã có nhiều mô hình có tính thương mại cao, được sử dụng khá phổ biến ở nhiều nước, cho các dự án quan trọng ở các quốc gia khác nhau Tuy nhiên, cũng phải nói rằng mô hình toán không phải là một công cụ vạn năng vì tính đúng sai của nó phụ thuộc rất nhiều vào độ tin cậy của các điều kiện biên, các tập hàm vào mà chúng ta phải có trước khi áp dụng chúng

Chẳng hạn các mô hình thủy thạch động lực cần các số liệu mực nước, dòng chảy, sóng, bùn cát ở các biên cũng như các điểm trong hệ thống để hiệu chỉnh và kiểm định các thông số với độ chính xác cho phép khi mô phỏng Nhưng thực tế, các số liệu mà chúng ta có vừa ngắn, lại không đồng bộ, độ chính xác không cao thì khó có thể khẳng định mô hình sẽ cho kết quả có thể chấp nhận được

Việc ứng dụng các mô hình 2D hoặc 3D cũng còn gặp những trở ngại như khối lượng tính toán quá lớn, trong khi tốc độ tính toán của các máy tính thông thường hiện nay chưa đủ lớn dẫn tới thời gian mô phỏng quá dài Chẳng hạn việc

mô phỏng trường dòng chảy thực 3 chiều cho một năm cần thời gian chạy máy tới 6

- 7 tháng với các máy tính có dung lượng bộ nhớ và tốc độ tính toán thông dụng như hiện nay Điều này không đáp ứng các nhu cầu của thực tế, đặc biệt là bài toán

dự báo khi mà kết quả chạy ra đã lạc hậu về mặt thời gian

Mặt khác, về bản chất vật lý, mỗi yếu tố trong tập các thông số thủy động lực vừa mang tính địa đới phụ thuộc vào vùng địa lý, khí hậu, ví như ở Việt Nam hết mùa lũ lại sang mùa cạn, vừa chịu tác động của các yếu tố phi địa đới hay còn gọi là các yếu tố địa phương Chẳng hạn cũng là lũ, nhưng lũ năm nay khác lũ năm sau cả

về thời điểm xuất hiện, độ lớn và hình dạng Do vậy, nếu chỉ sử dụng một công cụ riêng rẽ sẽ rất khó có những kết luận chính xác và việc sử dụng đồng thời nhiều công cụ khác nhau, kiểm tra, so sánh dựa trên nguyên nhân và kết quả và được thực hiện với nhiều nghiên cứu khác nhau mới hy vọng phát hiện các qui luật và mới có các kết quả gần nhất với thực tế phản ánh đúng bản chất của hiện tượng

1.2.2 Ở Việt Nam

Công cuộc nghiên cứu vùng cửa sông ven biển nước ta gắn liền với lịch sử dựng nước và giữ nước, chinh phục dòng sông, quai đê lấn biển, khai khẩn đất đai miền Duyên hải, được bắt đầu từ triều đại phong kiến nhà Trần (Trần Thái Tông - 1248) Đến thời Lê (1708), đê biển đã được tu bổ và phát triển trên quy mô từng dải chạy dọc ven biển từ cửa sông này sang cửa sông khác Đê thời Lê được người dân nâng cấp dần và quy mô lớn hơn thời Trần, nhiều đoạn được bảo vệ bằng kè đá Nhà Nguyễn vẫn duy trì và phát triển các chính sách về đê điều, trị thủy mở rộng đất đai của các vương triều trước, nhưng có bổ sung và được nâng cao lên mọi mặt Vào đầu thế kỷ XIX, đáng chú ư nhất là công cuộc khai khẩn nổi tiếng do Nguyễn Công Trứ lãnh đạo (năm 1828-1830) ở vùng ven biển cửa sông Hồng và lập ra hai huyện mới là Tiền Hải (tỉnh Thái Bình) và huyện Kim Sơn (tỉnh Ninh Bình) Cho đến nay bài học công cuộc khai khẩn này vẫn còn nguyên giá trị khoa học và thực tiễn Những công trình đắp đê và củng cố các tuyến đê ngăn lũ, đê bao, xây cống ngăn mặn ở ven biển đồng bằng sông Hồng được tiến hành trong suốt các triều đại phong kiến trước đây và vẫn được tiếp tục cho đến ngày nay Những công trình đó

rất có giá trị để nghiên cứu lịch sử diễn biến vùng cửa sông[1]

Những năm 60 của thế kỷ XX, ở miền Bắc Việt Nam đã có một số các công trình phòng chống lũ lụt, chống bồi lắng cửa lấy nước phục vụ cấp nước tưới ruộng Các nghiên cứu ban đầu được tiến hành trong các phòng thí nghiệm như phòng thí nghiệm của Viện Khoa học Thủy lợi, của trường Đại học Xây dựng Các nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước về diễn biến lòng dẫn chủ yếu tập trung giải quyết các vấn đề thực tế, xây dựng cơ sở khoa học và phương pháp luận phù hợp với điều kiện Việt Nam dựa trên các phương pháp, công nghệ do các nhà khoa học trên thế giới đã phát triển[1]

Các công trình nghiên cứu điển hình cho các sông miền Bắc phải kể đến các tác giả như Vũ Tất Uyên, Lưu Công Đào, Nguyễn Văn Cư, Lê Ngọc Bích, Hoàng Hữu Văn, Trịnh Việt An, Nguyễn Bá Quỳ, Đỗ Tất Túc, Phạm Thị Hương Lan

Trong khoảng 20 năm trở lại đây, các tác giả Lê Ngọc Bích, Lương Phương Hậu, Nguyễn Ân Niên, Nguyễn Sinh Huy, Hoàng Văn Huân, Lê Mạnh Hùng, Lê Xuân Thuyên… có nhiều đóng góp nghiên cứu về thủy động lực và diễn biến sông ngòi vùng đồng bằng sông Cửu Long[1]

Các tác giả Ngô Đình Tuấn, Đỗ Tất Túc, Lương Phương Hậu, Nguyễn Văn Tuần, Trần Văn Túc đã có nhiều nghiên cứu về diễn biến cửa sông, ven biển, biến hình lòng dẫn các sông miền Trung

Các công trình nghiên cứu dự báo xói lở bờ của tác giả Lê Ngọc Túy; nghiên cứu dự báo xói sâu phổ biến ở hạ du các công trình thủy điện Hòa Bình, Sơn La của các tác giả Lưu Công Đào, Lê Ngọc Bích, Hoàng Hữu Văn, Vũ Tất Uyên là những công trình rất có ư nghĩa khoa học và thực tiễn

Nhận thức rõ tầm quan trọng của vấn đề xói lở, bồi tụ bờ biển, cửa sông, sau ngày hòa bình lập lại, công tác nghiên cứu, chỉnh trị và khai thác vùng cửa sông ở nước ta được nhà nước hết sức coi trọng Có nhiều công trình thuộc chương trình biển, các đề tài độc lập cấp Nhà nước, đề tài cấp Bộ, đề tài của các địa phương và các ngành đã được thực hiện đã đề cập khá toàn diện đến các vấn đề như thoát lũ, xâm nhập mặn, giao thông thủy, quai đê lấn biển, phòng chống sạt lở bờ sông, bờ biển, bồi lấp cửa sông v.v Một số công trình tiêu biểu đã được triển khai như sau:

- Nghiên cứu thuỷ động lực, trầm tích vịnh Bắc bộ, chương trình khảo sát hỗn hợp Việt - Trung (1959 - 1961)

- Nghiên cứu động lực các vùng cửa sông Việt Nam, thuộc đề tài KT-02-01 do Viện Địa Lý, Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam thực hiện

- Nghiên cứu động lực vùng cửa sông ven biển thuộc đề tài KC-09-05 (2001- 2005) do Viện Địa Lý, Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam chủ trì

- Những công trình có giá trị khoa học nghiên cứu dòng chảy và nước dâng trong bão và động lực các vùng cửa sông Việt Nam phải kể đến Nguyễn Văn Cư (1979, 1990) Tác giả Nguyễn Ngọc Thụy (1985, 1995) có các công trình nghiên cứu về chế độ thủy triều biển đông và Việt Nam Các tác giả Nguyễn Bá Quỳ (1994), Nguyễn Thị Thảo Hương (2000), Nguyễn Bá Uân (2002), Lê Đình Mầu (2006), Nghiêm Tiến Lam (2009), Trần Thanh Tùng (2011) có các nghiên cứu về thủy động lực cửa sông, diễn biến hình thái và quá trình đóng mở các cửa sông miền Trung[1]

- Đề tài khoa học cấp nhà nước “Nghiên cứu dự báo xói lở, bồi lắng và các

giải pháp phòng chống trên hệ thống sông ở ĐBSCL” thực hiện năm 2001-2004 do

Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam thực hiện đã sử dụng mô hình MIKE, kết hợp với phương pháp viễn thám và GIS để xác định nguyên nhân, cơ chế xói lở, các nhân tố ảnh hưởng đến xói lở và xác định vị trí, quy mô, tốc độ xói lở bờ sông; xác định các vùng trọng điểm xói lở, bồi tụ cũng như các giải pháp phòng tránh[1]

- Đề tài nhà nước KC-08-29 “Nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ

để ổn định lòng dẫn hạ du hệ thống sông Đồng Nai - Sài Gòn phục vụ phát triển kinh tế xã hội vùng Đông Nam bộ” do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam chủ trì

thực hiện trong 2 năm (2004-2005) đã xác định được tình trạng diễn biến các sông thuộc hệ thống Đồng Nai - Sài gòn, xác định các trọng điểm xói lở và từ kết quả nghiên cứu khoa học đã xây dựng dự án qui hoạch chỉnh trị sông Đồng Nai, khu vực thành phố Biên Hòa và đã xây dựng được 1.500m kè bảo vệ bờ sông Đồng Nai khu vực trung tâm thành phố Biên Hòa Đề tài cũng kiến nghị 8 giải pháp ổn định lòng dẫn hạ du sông Đồng Nai - Sài Gòn, đặc biệt kiến nghị ứng dụng công nghệ mới thi công kè bảo vệ bờ sông Mương Chuối, huyện Nhà Bè, TP Hồ Chí Minh; kè khu vực thành phố Biên Hòa trên sông Đồng Nai-Sài Gòn[1]

- Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ 2005-2007 “Nghiên cứu diễn biến lòng

dẫn và khả năng thoát lũ khi xây dựng cầu qua sông Hồng khu vực Hà Nội bằng mô hình MIKE21C” do PGS.TS.Nguyễn Ngọc Quỳnh làm chủ nhiệm đã đánh giá được

ảnh hưởng của cầu tới phân bố lưu lượng trên bãi sông và lòng chính; ảnh hưởng của cầu tới ổn định lòng dẫn và dự báo được diễn biến tổng thể lòng dẫn đoạn sông Hồng qua Hà Nội

- Nghiên cứu về ô nhiễm vùng ven bờ có các tác giả Lê Phước Trình (1993), Nguyễn Tác An (1994), Phạm Văn Ninh (1995), Nguyễn Xuân Dục (1995), Lưu Văn Diệu (2000) Các công trình của các tác giả đề cập tới nguy cơ ô nhiễm do sự

cố tràn dầu, do sông tải ra biển, biến động môi trường biển và xử lý ô nhiễm môi trường biển ven bờ

- Nghiên cứu các hệ sinh thái rừng ngập mặn có các tác giả Phan Nguyên

Hồng (1970, 1991); Nguyễn Hoàng Trí (1998) Các nghiên cứu đề cập tới vai trò của rừng ngập mặn, phân bố thảm thực vật ở ven biển Việt Nam và vai trò của các giải pháp mềm tới việc bảo vệ các công trình cơ sở hạ tầng ven biển, các thành phố

và các khu kinh tế xây dựng dọc theo dải ven biển

a Công nghệ viễn thám và GIS trong nghiên cứu biến đổi đường bờ

Việc ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với phương pháp bản đồ và GIS trong nghiên cứu biến động vùng bờ biển và phát triển cửa sông đã được thực hiện vào những thập kỷ gần đây và đã có những đóng góp rất có ý nghĩa

- Tác giả Tô Quang Thịnh (1990) đã chủ trì một đề tài trong chương trình KHCN 48B-07- 02-01 lần đầu tiên sử dụng các ảnh viễn thám qua các thời điểm khác nhau và các công nghệ tiên tiến để xác lập vị trí đường bờ biển vào các năm

lệ lớn 1:25.000 và 1:50.000

- Phạm Quang Sơn (2004) đã sử dụng các loại ảnh viễn thám, các loại bản đồ địa hình và các tư liệu khác để phân tích quá trình phát triển và biến động các cửa sông thuộc vùng ven biển đồng bằng sông Hồng trong chuỗi thời gian 90 năm (từ năm 1921 đến 2001)

- Ngoài ra còn một số công trình của các tác giả Nguyễn Văn Cư (2008, 2010), Trịnh Việt An (2006) đã sử dụng phương pháp viễn thám và GIS trong nghiên cứu sa bồi luồng tàu, quá trình bồi tụ - xói lở bờ biển, bồi lấp và dịch chuyển lòng dẫn cửa sông ở các vùng cửa sông ven biển ở nước ta

b Mô hình toán trong nghiên cứu đặc điểm thủy động lực cửa sông, ven biển

Số lượng các nghiên cứu diễn biến cửa sông, ven biển có sử dụng mô hình toán khá nhiều và được bắt đầu từ khoảng giữa thập niên 80 của thế kỷ XX Tuy nhiên, sự hoàn thiện của mô hình cũng như mức độ chính xác của các mô phỏng tốt dần theo thời gian Ở giai đoạn đầu, do mô hình chưa hoàn chỉnh, thêm vào đó các

số liệu đầu vào rất ít, ngắn và không đồng bộ nên các kết quả còn hạn chế Đến những năm gần đây, các mô hình toán ngày càng hoàn thiện, máy tính tốc độ ngày một nhanh hơn, các số liệu hiệu chỉnh và kiểm định gồm tài liệu thực đo và từ các phòng thí nghiệm nhiều hơn, chính xác hơn, phân bố tốt hơn theo không thời gian

đã khẳng định mô hình số là một công cụ thực sự mạnh, hữu hiệu trong nghiên cứu diễn biến cửa sông, ven biển Các nghiên cứu tiêu biểu theo hướng mô hình toán có thể kể đến:

- Nhóm Bùi Hồng Long (Viện Hải dương học Nha Trang) nghiên cứu thủy động lực và bùn cát vùng Phan Rí, Hàm Tiến, Phước Thế (Bình Thuận);

- Nhóm của Lê Ngọc Bích, Lương Phương Hậu nghiên cứu vùng cảng Nhà

Bè, Cần Giờ (TP Hồ Chí Minh), Gò Công (Tiền Giang) nhằm cung cấp các thông

số kỹ thuật phục vụ xây dựng phương án thiết kế và thi công đê, kè chống xói lở

- Nhóm của Nguyễn Mạnh Hùng, Viện Cơ học đã ứng dụng các mô hình thủy thạch động lực mô phỏng bùn cát và biến đổi địa hình đáy vùng ven bờ, biến động đường bờ biển dưới tác động của sóng, mực nước, dòng chảy ngoài biển và bùn cát cung cấp từ trong sông cho các khu vực cửa Lạch Huyện, cửa Nam Triệu (Hải Phòng), vùng biển Hải Hậu (Nam Định), vùng bờ biển Cảnh Dương (Quảng Bình),

Hồ Tàu, cửa Định An (Trà Vinh), Gành Hào (Bạc Liêu)

- Nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia

Hà Nội gồm Nguyễn Thọ Sáo, Đinh Văn Ưu nghiên cứu các quá trình động lực học của lớp gần đáy, chính xác hóa các hệ số trong các công thức bán kinh nghiệm của các tác giả nước ngoài để tính vận chuyển bùn cát ven bờ biển nước ta

- Nhóm nghiên cứu của công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Cảng, đường thủy (TEDI Port) mô phỏng chế độ sóng và dòng chảy khu vực Nam Đình Vũ (Hải Phòng), diễn biến hình thái cửa Định An, lan truyền sóng phục vụ thiết kế kè chắn cát cảng Dung Quất (Quảng Ngãi), kè Mũi Né (Bình Thuận), kè biển Vũng Tàu (Bà Rịa, Vũng Tàu), Nha Trang (Khánh Hòa)

- Trong chương trình KC-08 giai đoạn 2006 - 2010 có đề tài KC-08-07 do Trường Đại học Thủy lợi chủ trì thực hiện đã ứng dụng bộ mô hình MIKE-21, SEDTRA, STWAVE - WABED, DELFT-3D, GENESIS để mô phỏng trường sóng, dòng chảy và vận chuyển bùn cát, dự báo sa bồi luồng tàu, biến động đường

bờ biển, cửa sông Đề tài đã lý giải các nguyên nhân, cơ chế gây bồi lắng luồng tàu, bồi lấp và dịch chuyển lòng dẫn cửa sông các tỉnh ven biển miền Trung nước ta

và đề xuất các giải pháp khắc phục, giảm thiểu và ổn định cửa sông trong vùng nghiên cứu

Các chương trình, đề tài, đề án nghiên cứu kể trên đã thu được nhiều kết quả

có giá trị về mặt khoa học và thực tiễn góp phần không nhỏ vào việc chỉnh trị cửa sông, bờ biển giảm nhẹ thiên tai xói lở, bồi tụ

Song do giới hạn về kinh phí cũng như thiết bị nghiên cứu của mỗi đề tài nên

sự gắn kết giữa các vùng còn hạn chế, nhiều vấn đề về qui luật diễn biến cửa sông,

bờ biển, cơ chế của quá trình bồi tụ, xói lở vẫn chưa được giải quyết thoả đáng Cho đến nay chúng ta chưa có được qui trình thống nhất trong khảo sát đo đạc dòng bồi tích và quá trình vận chuyển bùn cát vùng ven bờ biển, cửa sông Chưa có được qui trình công nghệ dự báo quá trình bồi tụ, xói lở các vùng biển, cửa sông Nhiều giải pháp công trình đưa ra còn mang tính cục bộ, địa phương, nên khi áp dụng có thể giảm thiểu được xói lở, bồi tụ ở khu vực này thì lại xảy ra tai biến ở các vùng lân cận Vấn đề liên kết các nghiên cứu của các ngành khác nhau theo cách tiếp cận nhân quả chưa được quan tâm, còn bị giới hạn trong các mục tiêu ngành Mối quan

hệ giữa các quá trình thủy động lực tại các cửa sông, ven biển với các hoạt động khai thác bề mặt lưu vực như chặt phá rừng, xây dựng hệ thống hồ thủy lợi, thủy điện, xây dựng hệ thống cơ sở hạ tầng chưa nghiên cứu chi tiết, thỏa đáng, đặc biệt

là chưa xét đến tác động của biến đổi khí hậu tới biến động các cửa sông, ven biển

1.3.1 Đặc điểm điều kiện địa lý tự nhiên

Sông Lam là một trong 9 hệ thống sông lớn của Việt Nam, có tọa độ từ

103045‟ † 105010‟ kinh độ Đông và từ 18015‟† 20010‟ vĩ độ Bắc Dòng chính sông Lam bắt nguồn từ tỉnh Xiêng Khoảng của Lào, có chiều dài 531 km, diện tích lưu vực 27.200 km2, trên lãnh thổ Việt Nam là 17.900 km2 (chiếm khoảng 66%) Từ Trường Xá đến Biển Đông gọi là hạ lưu sông Lam (khu vực cửa sông ven biển) [5]

Hình 1-2: Bản đồ hệ thống mạng lưới sông thuộc hệ thống sông Lam

Khu vực cửa sông ven biển sông Lam nằm ở vĩ độ 18040‟ đến 18050‟ vĩ Bắc,

105045‟ đến 105050‟ kinh Đông, bao gồm các xã: Hùng Dũng, Hưng Hòa, Hưng Lộc, Nghi Đức, Nghi Thái, Phúc Thọ, Nghi Phong, Nghi Xuân, Nghi Thạch, Nghi Thu, Nghi Hương, Nghi Hòa, Nghi Hải, Xuân Hội, Xuân Trường, Xuân Đan, Xuân Phổ, Xuân Hải thuộc các huyện ven biển là Hưng Nguyên, thành phố Vinh, Nghi

Lộ và Nghi Xuân [7]

Hình 1-3: Khu vực cửa sông ven biển sông Lam

1.3.2 Đặc điểm khí tượng – thủy văn

Trên lưu vực sông Lam, một số trạm khí tượng thuỷ văn được xây dựng khá sớm vào đầu thập niên 20 của thế kỷ trước, nhưng trong thời kỳ kháng chiến chống Pháp (1946-1954) hầu hết các trạm này phải ngừng hoạt động Từ sau năm 1955, nhất là vào các thập niên 60 và 70, hàng loạt trạm khí tượng thuỷ văn đã được xây dựng, tính đến nay có 12 trạm khí tượng, 100 trạm đo mưa và 37 trạm thuỷ văn đã

và đang hoạt động thuộc lưới trạm khí tượng thuỷ văn do Bộ Tài Nguyên và Môi Trường quản lý Phần hạ lưu sông Lam có 3 trạm đo mực nước là: Chợ Tràng, Bến

Thủy và Cửa Hội; 01 trạm đo mưa là trạm Vinh Các trạm này vẫn đang hoạt động

kể từ khi được thành lập tới bây giờ [6]

Khu vực cửa sông ven biển sông Lam thuộc hệ thống sông Cả nằm trong vùng Bắc Trung Bộ mùa đông lạnh, nắng tương đối ít, có mưa phùn, có năm xảy ra sương muối ở một số vùng trong lưu vực Mùa hè chịu ảnh hưởng của gió tây khô nóng, nhiệt độ cao, mưa nhiều vào nửa cuối năm Lượng bức xạ tổng cộng trung bình năm khoảng (100-120) kcal/cm2, cân bằng bức xạ trung bình năm khoảng (65-80) kcal/cm2 Số giờ nắng trung bình năm từ dưới 1.500 giờ ở vùng núi phía tây tỉnh Nghệ An đến trên 1.800 giờ ở vùng đồng bằng ven biển [5]

Nhiệt độ không khí trung bình năm từ dưới 20oC ở vùng núi đến hơn 24oC ở vùng đồng bằng Nhiệt độ cũng biến đổi theo mùa; nhiệt độ trung bình tháng dưới

20oC (1719)oC trong các tháng XII, I, II, tăng lên (1925)oC trong các tháng

III-IV, X-XI và trên 25oC (2529,5)oC trong các tháng V-IX, cao nhất vào 2 tháng VII Nhiệt độ tối cao tuyệt đối có thể trên 40oC (42,7oC tại Tương Dương, 40,9oC tại thành phố Vinh, thường xuất hiện những ngày có gió mùa tây nam mạnh do tác dụng "phơn" của dãy Trường Sơn Nhiệt độ tối thấp tuyệt đối có thể dưới 5oC ở đồng bằng ven biển, (dưới 3o

VI-C ở miền núi và trung du, -0,2oC tại Tây Hiếu, 0,3oC tại Quỳ Hợp) [5]

Độ ẩm tương đối trung bình năm của không khí khoảng (8088)% Lượng mây tổng quan trung bình năm trên 8/10 bầu trời ở vùng núi và (7,58)/10 bầu trời

ở vùng trung du và đồng bằng

Tốc độ gió trung bình năm biến đổi trong phạm vi tương đối lớn từ 0,5 m/s tại Quỳ Châu đến 3,8 m/s tại Hòn Ngư Tốc độ gió mạnh nhất dưới 20 m/s ở vùng đồi núi khuất gió đến hơn 40 m/s ở vùng đồng bằng ven biển (56 m/s tại Hòn Ngư)

Số ngày có gió tây khô nóng trong năm có thể tới (1523) ngày [5]

Cũng như chế độ mưa ở miền Bắc lượng mưa trung bình năm trên khu vực dao động từ 1100  2500 mm Tại các trung tâm mưa lớn như thượng nguồn sông Hiếu, lưu vực sông La, lưu vực sông Giăng, lượng mưa trung bình năm đạt 2000 

2400 mm Trung tâm mưa nhỏ dọc theo dòng chính sông Cả, tại Cửa Rào, Mường Xén đạt 1.100  1.400 mm Vùng đồng bằng hạ du sông Cả có lượng mưa trung bình năm từ 1700  1800 mm Lượng mưa mùa mưa chiếm khoảng (5590)% lượng mưa năm, trong đó lượng mưa của 3 tháng liên tục lớn nhất chiếm (4570)% và xuất hiện và các tháng VIII-X hay IX-XI ở lưu vực sông La Lượng mưa mùa khô chiếm

có (1045)% lượng mưa năm, trong đó 3 tháng lượng mưa nhỏ nhất chỉ chiếm (1,510)% lượng mưa năm và xuất hiện vào các tháng XII, I-II hay I-III, II-IV [5]

Mùa lũ hàng năm xuất hiện vào các tháng VI, VII-X, XI trên dòng chính sông Cả và các sông nhánh ở phía trung, thượng lưu, các tháng VIII-XI các sông nhánh phía hữu ngạn trung lưu sông Cả, các tháng IX-XI, XII trên các sông nhánh ở phía hữu ngạn hạ lưu sông Cả Lượng dòng chảy mùa lũ chiếm khoảng (55-75)% lượng dòng chảy năm; 3 tháng liên tục có lượng dòng chảy lớn nhất thường xuất hiện vào các tháng VII-IX, VIII-X và IX-XI; 3 tháng liên tục có lượng dòng chảy nhỏ nhất thường xuất hiện vào các tháng II-IV hay III-V, lượng dòng chảy của 3 tháng này chỉ chiếm (4,5-9,5)% lượng dòng chảy năm [6]

Giá trị mô đun dòng chảy trung bình của các đặc trưng dòng chảy cạn (Qc), dòng chảy trung bình 3 tháng nhỏ nhất (Q3tháng min), dòng chảy trung bình tháng nhỏ nhất (Qtháng min) và dòng chảy nhỏ nhất (Qmin) trong lưu vực sông Cả tương ứng khoảng (4-45) l/s.km2, (6-35) l/s.km2, (5-30) l/s.km2 và (1,5-15)l/s.km2[6]

1.3.3 Đặc điểm thủy triều

Tính chất, đặc điểm và diễn biến của thủy triều vùng biển Nghệ An chịu sự tác động của nhiều nhân tố (vị trí địa lư, địa hình đáy biển, điều kiện thiên văn và một số nhân tố khác) Trong đó, nhân tố quan trọng nhất tác động mạnh mẽ đến đặc điểm, tính chất của thủy triều là vị trí cũng như địa hình đáy biển Nằm trong vịnh Bắc Bộ - một vịnh lớn, kín và phức tạp của nước ta, lại kết hợp thêm một số yếu tố địa hình của vùng thềm lục địa Nghệ An đã tạo điều kiện cho quá trình cộng hưởng của các sóng triều khi truyền vào đây

Dưới sự tác động của các nhân tố trên, thủy triều vùng biển Nghệ An mang những đặc điểm của chế độ triều hỗn hợp Với hệ số đặc trưng thủy triều H=3,58 m, thủy triều vùng biển Nghệ An được đánh giá là có chế độ nhật triều không đều Trong tháng có khoảng 10-13 ngày thủy triều có 2 lần nước lên và 2 lần nước xuống Biên độ triều ở đây khá lớn (2,5 -3 m vào kỳ nước cường) và giảm dần từ Bắc vào Nam Nơi có biên độ lớn nhất là vùng vịnh Diễn Châu Khi đi vào các cửa sông, biên độ triều cũng có những thay đổi đáng kể [9]

1.3.3.1 Diễn biến thủy triều theo chu kỳ ngày

Diễn biến của thủy triều theo chu kỳ ngày được thể hiện ở sự chênh lệch giữa thời gian triều dâng và thời gian triều rút rất lớn (5 giờ trở lên ) Như ở Cửa Hội là 6 giờ 12 phút, còn ở vịnh Diễn Châu thì chênh nhau 5giờ 37 phút

Tuy nhiên sự chênh lệch này có sự phân hóa theo không gian

- Sự chênh lệch này lớn nhất ở các vùng cửa sông (sông Thơi: 6 giờ 22 phút )

- Sự chênh lệch này nhỏ khi ra ngoài khõi , ở những vùng biển thoáng Ở Hòn Ngư, sự chênh lệch chỉ còn 3 giờ 14 phút, Hòn Mát là 3 giờ 43 phút

Nguyên nhân chủ yếu của sự phân hóa là do điều kiện địa hình đáy biển ảnh hưởng đến tốc độ của dòng triều

1.3.3.2 Biến thiên theo chu kỳ nửa tháng (chu kỳ tuần trăng)

Biến thiên theo chu kỳ nửa tháng của thủy triều vùng biển Nghệ An được thể hiện rõ nét ở biên độ thủy triều giữa kỳ nước cường và kỳ nước kém Trong thời kỳ nước cường, biên độ triều dao động rất lớn (có thể thay đổi 0,3 -0,4 m trong vòng 1 giờ) Ngược lại trong kỳ nước kém biên độ dao động rất nhỏ, có khi gần đứng

Trong tháng không phải triều sóc vọng và triều trực thế lúc nào cũng diễn ra đồng thời với lúc sóc vọng và lúc trực thế Mà thông thường là diễn ra sau lúc sóc vọng và lúc trực thế khoảng 2-3 ngày

Ngoài ra, các bất đẳng triều theo mùa cũng thể hiện trong diễn biến triều ở đây Trong năm, biên độ triều đạt cực đại vào những tháng 9,10,11, 12 với giá trị có thể lên tới 3,2 m và giảm xuống cực tiểu 0,0m vào những tháng gần với thời kỳ xuân phân (21/3) và thu phân (21/9) [9]

Bảng 1-1: Một số đặc trưng bất đẳng triều chu kỳ nửa tháng

vùng cửa sông ven biển sông Lam[12]

Đơn vị: m

TT Tên Trạm

Độ cao trung bình

Mực nước TB tháng

Nước lớn cao nhất

Nước ròng thấp nhất

Nước lớn sóc vọng

Nước lớn trực thể

Nước ròng sóc vọng

Nước ròng trực thể

2

1.3.3.3 Qui luât biến thiên của thuỷ triều theo chu kỳ nhiều năm

Qui luật này thường được biểu hiện theo chu kỳ 19 năm Biên độ triều cực đại lên tới 3,5 m và cực tiểu khoảng 1,5 m trong chu kỳ này Ở vùng nhật triều chiếm ưu thế thì biên độ triều cực đại có thể gấp 1,45 lần so với biên độ trung bình của thủy triều đại dưong thế giới, và cực tiểu thì bằng 0,56 lần

Ngoài các qui luật biến thiên trên thì thủy triều vùng biển Nghệ An còn thể hiện qui luật biến thiên theo mùa Như vậy có thể thấy thủy triều vùng biển Nghệ

An diễn biến khá phức tạp và mang nhiều nét của thủy triều vùng biển Việt Nam

Công việc chỉnh trị, ổn định vùng cửa sông ven biển từ việc nghiên cứu đặc điểm thủy động lực, diễn biến hình thái luôn là vấn đề then chốt, được đặt ra

nghiên cứu rất chi tiết, đầy đủ cả về quy mô không gian lẫn thời gian Nhiều nghiên cứu lớn trên thế giới đã được thực hiện như các nước ở Âu Mỹ hoặc Tây Âu Còn đối với nước ta, công tác này đã được đặt ra ngay từ khi dựng nước, và cho đến bây giờ vẫn luôn là trọng tâm, trọng điểm, được đưa ra nghiên cứu ở nhiều đề tài, dự án, thực hiện ở nhiều cấp độ khác nhau

Cửa sông ven biển sông Lam là khu vực có chế độ triều khá phức tạp, không những thế chế độ dòng chảy trong sông cũng phân hóa rất lớn giữa mùa lũ và mùa cạn Đặc biệt dòng chảy lũ khu vực sông Lam diễn biến không có quy luật nhất định, do vậy vào mùa lũ, chế độ thủy động lực vùng cửa sông ảnh hưởng rất lớn đến vấn đề thoát lũ ở khu vực vày Về mùa cạn, khi mà hiện nay vấn đề hạn hán đang xảy ra ở nhiều nơi thì chế độ chế độ thủy động lực vùng cửa sông lại tác động rất lớn đến xâm nhập mặn Do vậy, vấn đề nghiên cứu diễn biến hình thái, đặc điểm thủy động lực khu vực cửa sông ven biển sông Lam là vô cùng cần thiết Đây cũng

là nội dung chính của luận văn muốn đề cập Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần vào việc bổ sung thêm những luận cứ khoa học cho việc phát triển bền vững khu vực cửa sông ven biển như cửa sông ven biển sông Lam

CHƯƠNG 2 SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.1 Phương pháp viễn thám và GIS trong đánh giá biến đổi hình thái cửa

sông ven biển sông Lam

2.1.1.1 Cơ sở khoa học giải đoán ảnh Landsat xác định đường bờ

Các đối tượng tự nhiên này hấp thụ, phản xạ sóng điện từ với cường độ và theo những cách khác nhau, được gọi là các đặc trưng phổ Các đặc trưng này chứa đựng các thông tin quan trọng cho phép nhóm các thành tạo tự nhiên đó thành các loại đối tượng có đặc trưng phản xạ phổ giống nhau Điều này rất có ích cho quá trình giải đoán ảnh vệ tinh vì thế mà các đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu quả các thông tin thu được

Hình 2-1: Đặc trưng phổ phản xạ của một số đối tượng tự nhiên chính

Đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện chiếu sáng, môi trường khí quyển và bề mặt đối tượng, đặc biệt là bản thân các đối tượng đó (độ ẩm, lớp nền - bề mặt nhám, thực vật, chất mùn, cấu trúc

bề mặt, ) Đối với các đối tượng khác nhau sẽ có khả năng phản xạ phổ khác nhau, với mỗi đối tượng sự phản xạ, hấp thụ lại thay đổi theo bước sóng

Phương pháp viễn thám dựa chủ yếu trên nguyên lư này để nhận biết, phát hiện các đối tượng, hiện tượng trong tự nhiên Các thông tin về đặc trưng phổ phản

xạ của các đối tượng tự nhiên sẽ giúp các nhà chuyên môn lựa chọn các phép xử lư ảnh để có được kênh tối ưu, chứa nhiều thông tin về đối tượng nghiên cứu, đây chính là cơ sở để phân tích nghiên cứu các tính chất của đối tượng và tiến tới phân loại chúng

a Đặc trưng phản xạ phổ của lớp phủ thực vật

Bức xạ Mặt trời khi tới bề mặt lá cây, phần trong vùng sóng đỏ (red) và xanh

lơ (blue) bị chất diệp lục hấp thụ phục vụ cho quá trình quang hợp, vùng sóng lục (green) và vùng hồng ngoại sẽ phản xạ khi gặp nhiều chất diệp lục của lá (khi thực vật khoẻ mạnh) Khi thực vật yếu, diệp lục tố giảm đi thì khả năng phản xạ vùng sóng đỏ trội hơn nên lá cây có màu vàng (tổ hợp màu green – red ) hoặc đỏ hẳn trong điều kiện khí hậu lạnh[18]

Sự khác nhau về đặc trưng phản xạ phổ của thực vật phụ thuộc vào các yếu

tố cấu tạo trong và ngoài của cây (hàm lượng sắc tố diệp lục, cấu tạo mô bì, thành phần và cấu tạo biểu bì, hình thái lá…), thời kỳ sinh trưởng (tuổi cây, giai đoạn sinh trưởng…) và tác động ngoại cảnh (điều kiện sinh trưởng, điều kiện chiếu sáng, thời tiết, vị trí địa lý…) Tuy vậy, đặc trưng phổ phản xạ của lớp phủ thực vật vẫn mang những đặc điểm chung: Phản xạ ở vùng sóng hông ngoại gần (λ > 0,720µm), hấp thụ mạnh vở vùng sóng đỏ (λ = 0,680 – 0,270 µm)

b Đặc trưng phản xạ phổ của nước

Khả năng phản xạ phổ của nước cũng thay đổi theo bước sóng của bức xạ chiếu tới và thành phần vật chất có trong nước Nước chỉ phản xạ mạnh ở vùng sóng của tia xanh lơ (blue) và yếu dần khi sang vùng tia xanh lục (green), triệt tiêu ở cuối dải sóng đỏ Ngoài ra nó còn phụ thuộc vào bề mặt và trạng thái của nước

Phần lớn năng lượng bức xạ Mặt trời chiếu tới bị nước hấp thụ cho quá trình làm tăng nhiệt độ nước Năng lượng phản xạ của nước bao gồm năng lượng phản xạ trên bề mặt và phần năng lượng phản xạ sau khi tán xạ với các vật chất lơ lửng trong nước Vì vậy, năng lượng phản xạ của các loại nước khác nhau là rất khác nhau, đặc biệt là nước trong và nước đục Nhìn chung khả năng phản xạ của nước là thấp và giảm dần theo chiều tăng của bước sóng Bức xạ Mặt trời hầu như bị hấp thụ hoàn toàn ở sóng hồng ngoại và cận hồng ngoại Nước đục phản xạ mạnh hơn nước trong, đặc biệt ở vùng sóng đỏ do ảnh hưởng tán xạ của các vật chất lơ lửng Việc sử dụng các ảnh chụp trong kênh sóng dài cho ta giải đoán các đối tượng nước

Ví dụ, các đường bờ nước sẽ được giải đoán dễ dàng trên kênh hồng ngoại và cận hồng ngoại[18]

c Đặc trưng phản xạ phổ của đất

Đường biểu diễn đặc trưng các phản xạ phổ của lớp phủ thổ nhưỡng có dạng tăng dần từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại một cách đơn điệu, ít có những cực đại và cực tiểu một cách rõ ràng Lý do chính là các yếu tố của đất phức tạp và không rõ ràng như ở thực vật Khả năng phản xạ phổ phụ thuộc chủ yếu vào bản chất lý hoá của đất, hàm lượng hữu cơ, độ ẩm, cấu trúc (tỷ lệ cát, bột và sét), trạng thái, bề mặt,

thành phần cơ giới của đất Điều này làm cho đường cong biến động nhiều quanh một giá trị trung bình Tuy nhiên, quy luật chung là giá trị phổ của đất tăng dần về phía có bước sóng dài[18]

d Đặc trưng phổ phản xạ của đá

Đá có cấu tạo khối, khô có dạng đường cong phổ phản xạ tương tự như của đất song giá trị tuyệt đối thường cao hơn Tuy nhiên, cũng như đối với đất, sự biến động của giá trị phổ phản xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố của đá: Mức độ chứa nước, cấu trúc, cấu tạo, thành phần khoáng vật, tình trạng bề mặt[18],…

Tóm lại, phổ phản xạ là thông tin quan trọng nhất mà viễn thám thu được về các đối tượng Dựa vào đặc điểm phổ phản xạ (cường độ, dạng đường cong ở các dải sóng khác nhau) có thể phân tích, so sánh và nhận diện các đối tượng trên bề mặt Thông tin về phổ là thông tin đầu tiên, là tiền đề cho các phương pháp phân tích ảnh trong viễn thám, đặc biệt là xử lư số

2.1.1.2 Các tham số chính của ảnh Landsat trong nghiên cứu biến đổi đường bờ

a Chỉ số thực vật NDVI

Chỉ số thực vật NDVI (Normalized Diffirence Vegetation Index) là hệ số lớp phủ thực vật chênh lệch chuẩn hóa giữa hệ số phản xạ bề mặt ở dải sóng thị phổ và hồng ngoại [15]

NDVI là một tham số quan trọng trong nông nghiệp, giám sát lượng mưa, đánh giá tác động của thời tiết tính toán sinh khối, năng suất mùa vụ và sản lượng đồng cỏ, những điều kiện hạn hán và xác định mức sống của thực vật NDVI là tỉ số giữa hiệu số giá trị phản xạ phổ bề mặt ở kênh hồng ngoại (NIR) và kênh đỏ (RED) trên tổng của chúng Chỉ số NDVI đối với ảnh Landsat được xác định bằng công

thức (1) dưới đây: (Sandholt I., Rasmussen K., Anderson J., 2002)

Trong đó IR là giá trị bức xạ của bước sóng cận hồng ngoại (Near infrared),

R là giá trị bức xạ của bước sóng nhìn thấy (Visible)

Trị số của biểu thức xác định NDVI thuộc đoạn [-1,1]

Để xác định độ phát xạ trên cơ sở chỉ số NDVI yêu cầu phải biết trước độ phát xạ của đất và thực vật Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước khi xác định độ phát xạ của đất và thực vật đã lấy số liệu phát xạ có sẵn thông qua kết quả đo đạc thực nghiệm trên các mẫu đại diện Điều này sẽ dẫn đến sai số do ở mỗi khu vực khác nhau sẽ có các bề mặt với đặc trưng vật lí khác nhau Cần phải có cách khắc phục vấn đề này

Chỉ số thực vật được dùng rất rộng rãi để xác định mật độ phân bố của thảm thực vật, đánh giá trạng thái sinh trưởng và phát triển của cây trồng, làm cơ sở số liệu để dự báo sâu bệnh, hạn hán, diện tích năng suất và sản lượng cây trồng…

b Tỷ số chỉ số thực vật RVI

RVI [15] thường dùng để xác định chỉ số diện tích lá, sinh khối khô của lá và hàm lượng chất diệp lục trong lá Vì vậy chỉ số RVI được dùng để đánh giá mức độ che phủ và phân biệt các lớp thảm thực vật khác nhau nhất là những thảm thực vật

có độ che phủ cao

c Chỉ số thực vật sai khác DVI

Hay còn gọi là chỉ số thực vật môi trường EVI (environmental vegetion index),

chỉ số thực vật cây trồng CVI (crop vegetion index) [15]

d Chỉ số màu xanh thực vật GVI

GVI=1.6225CH2– 2.2978CH1 + 11.0656 (2-4) Trong đó CH2 và CH1 là quang phổ của các bước sóng cận hồng ngoại và bước sóng nhìn thấy của vệ tinh NOAA/AVHRR Hệ số GVI [15] có ưu điểm là giảm được mức tối thiểu sự ảnh hưởng của đất đai đến chỉ số thực vật

thám thực vật rất phong phú vì vậy hoàn toàn có khả năng sử dụng các thông tin viễn thám để giải quyết nhiều vấn đề khác nhau trong sản xuất nông nghiệp

h Chỉ số thực vật tăng cường

EVI [15]: là ảnh chỉ số thực vật tăng cường (Enhance Vegetation Index), ảnh EVI được tăng cường từ ảnh NDVI (Normalized Difference Vegetation Index)

EVI = 2,5 * (NIR - RED) / [NIR + 6 * RED - 7,5 * BLUE + 1] (2-8)

(Nguồn: Islam S A., et al, 2009)

Trong đó: NIR là phản xạ phổ của kênh hồng ngoại gần; RED là phản xạ phổ của kênh đỏ; BLUE là phản xạ phổ của kênh xanh da trời

Các chỉ số thực vật được phân tách từ các kênh nhìn thấy, cận hồng ngoại, hồng ngoại và dãy đỏ là các tham số trung gian mà từ đó có thể thấy được các đặc tính khác nhau của thảm thực vật như: sinh khối, chỉ số diện tích lá, khả năng quang hợp các sản phẩm sinh khối theo mùa Những đặc tính đó có liên quan và phụ thuộc rất nhiều vào dạng thực vật bao phủ và thời tiết, đặc tính sinh lý, sinh hóa và sâu bệnh (Dương Văn Khảm et al., 2007)

Chỉ số thực vật là một chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá khả năng hiện diện của nước, sự tồn tại của nước đồng thời cùng với thảm thực vật và các đối tượng khác Tuy nhiên, để có được kết quả chính xác nhất về sự hiện diện của nước cũng như đánh giá tốt hơn về tình hình ngập lũ cần có sự kết hợp của nhiều chỉ tiêu khác nhau

EVI được phát triển dựa trên nền tảng của NDVI là chỉ số thực vật thay thế

để giải quyết một số hạn chế của chỉ số NDVI (Brian và Stephen, 2010):

- Giảm hiệu ứng của khí quyển và ảnh hưởng nền tán

- Tối ưu hóa các tín hiệu thực vật màu xanh lá với độ nhạy được cải thiện ở các cấp độ sinh khối cao

i Chỉ số nước bề mặt lớp phủ

Chỉ số nước bề mặt lớp phủ (Land Surface Water Index – LSWI [ ]): là chỉ

số biểu thị mức độ thay đổi hàm lượng nước của lớp phủ bề mặt, là một trong những chỉ số để đánh giá mức độ hạn hán của lớp phủ thực vật nói chung và cây trồng nói riêng

LSWI = (NIR - SWIR) / (NIR + SWIR) (2-9)

(Nguồn: Islam S A., et al, 2009)

Trong đó: NIR là phản xạ phổ của kênh hồng ngoại gần; SWIR là phản xạ phổ của kênh hồng ngoại ngắn

Theo Sun et al., (2009), kênh phổ SWIR nhạy cảm với hàm lượng nước trong

lá và ẩm độ đất Vì vậy kênh phổ SWIR được sử dụng để phát triển các chỉ số nhạy cảm với nước kết hợp với NIR giống như chỉ số khác biệt nước (NDWI) Tuy nhiên, kênh 6 nhạy cảm hơn đối với ẩm độ đất so với kênh 5 trong quang phổ hồng ngoại gần Do đó LSWI được sử dụng để phát hiện ẩm độ đất tốt hơn so với NDWI

j Chỉ số nhiêt độ mặt đất LST

Theo Trần Thị Vân và ctv.(2009) để tính nhiệt độ bề mặt, giá trị số nguyên

của ảnh Landsat được chuyển về giá trị thực của bức xạ điện từ (Wm-2 μm-1) Đối với ảnh Landsat, giá trị bức xạ được xác định như sau:

Lx = Ml Qcal + Al (2-10) Trong đó: Ml, Al - hệ số chuyển đổi, được cung cấp trong file metadata ảnh Landsat; Qcal - giá trị số của kênh ảnh

Giá trị bức xạ phổ được tính ở bước trên được dùng để tính nhiệt độ sáng (brightness temperature) theo công thức:

(2-11)

Trong đó: Các hệ số K1, K2 được cung cấp trong file Metadata ảnh Landsat

Nhiệt độ sáng sẽ được hiệu chỉnh trên cơ sở độ phát xạ bề mặt để xác định nhiệt độ bề mặt theo công thức:

(2-12)

Trong đó: λ là giá trị bước sóng trung tâm kênh hồng ngoại nhiệt; ρ=h.c/p là

hằng số Stefan - Boltzmann (1,38.10-23 J/K); h là hằng số Plank (6,626.10-34 J.sec );

c là vận tốc ánh sáng (2,998*108

m/s); ε là độ phát xạ bề mặt (surface emissivity)

2.1.1.3 Phương pháp xác định đường bờ từ ảnh Landsat

Công nghệ viễn thám và GIS là một công cụ hữu hiệu và sử dụng khá phổ biến hiện nay giúp cho các nhà khoa học, đặc biệt là các nhà địa lý, nghiên cứu, điều tra tài nguyên xác định, đo đạc hoặc phân tích các tính chất của các đối tượng hoặc hiện tượng từ một khoảng cách xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp tới đối tượng nhằm nắm bắt thông tin nhanh chóng và đồng bộ trên diện rộng Dữ liệu viễn thám khi xử lý trong tổ hợp với hệ thống thông tin địa lý sẽ là nguồn tư liệu khách quan mang tính kế thừa và đổi mới liên tục trong bản đồ số, thực sự trở thành những

tư liệu đáng tin cậy cho các nhà chuyên môn tham khảo trong nhiều lĩnh vực

Giải đoán ảnh được xây dựng dựa trên thuật toán cơ sở là các điều kiện vật liệu về các yếu tố hấp thụ của đất, nước và không khí, để phân loại các tham số chất lượng nước trong ảnh Các tham số cảm biến và phân loại ánh sáng quang học, chuyển hóa nguồn năng lượng bức xạ sẽ được tự động cập nhật thông qua các giải tần thu phát sóng điện từ Tính toán chuyển hóa năng lượng bức xạ được dựa trên

cơ sở mô hình phần tử hữu hạn Phân tích giải đoán ảnh được dựa trên hệ thống kiểm soát chất lượng từ tệp dữ liệu ảnh nguồn đến tệp dữ liệu ảnh đã xử lý

Trong giải đoán ảnh viễn thám, phương pháp tổ hợp màu để xác định đường

bờ thường sử dụng kênh ảnh ở dải sáng cận hồng ngoại (NIR) và hồng ngoại giữa (MIR)

Các thực nghiệm đã chỉ ra rằng băng ảnh màu xanh lá cây (green) có bước sóng từ 0,52 -T- 0,6 pm, tương ứng với băng 2 trên ảnh Landsat, nhạy cảm với sự khác biệt độ đục nước cộng với trầm tích và các hợp chất ô nhiễm Môi trường nước hấp thụ mạnh bức xạ cận hồng ngoại (NIR), do đó trên ảnh vệ tinh Landsat, băng 4 (0,76 -T- 0,90pm) là những băng rất quan trọng trong việc định vị và xác định phạm

vi của nước, phân biệt giữa đất khô và ẩm, cung cấp thông tin về đầm lầy ven biển, đất ngập nước và vùng ngập lũ Trên ảnh vệ tinh Landsat, băng 5 (1,55 -T- 1,75pm) cho thấy một sự tương phản mạnh mẽ giữa đất và mặt nước do sự hấp thụ cao bức

xạ hồng ngoại trung giữa nước và đất, đồng thời phản xạ mạnh của lớp phủ thực vật

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: hồng ngoại trung bình (MIR), cận hồng ngoại (NIR), đỏ (RED) Đối với ảnh Landsat 5 TM và 7 ETM+ các kênh ảnh này tương ứng với kênh 5, kênh 4 và kênh 2; trong khi đó với ảnh Landsat 8 sử dụng các kênh 6, kênh 5 và kênh 3

Các bước tiến hành giải đoán ảnh Landsat để phân tích đường bờ:

- Tiền xử lý ảnh: Ảnh vệ tinh Landsat có độ phân giải không gian là 30m (kênh đa phổ) và 15m (kênh Panchromatic - P) Để sử dụng, các ảnh này cần được hiệu chỉnh hình học và nắn chỉnh về cùng hệ quy chiếu với bản đồ địa hình vùng nghiên cứu Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:10.000 ở vùng nghiên cứu đã được sử dụng để nắn ảnh Landsat với độ chính xác 0,5 pixel Sau đó các ảnh vệ tinh của các thời điểm còn lại được nắn với ảnh Landsat đã được nắn chỉnh hình học

- Phân tích ảnh:

+ Bước đầu tiên trong nghiên cứu, biểu đồ ngưỡng được sử dụng trên băng cận hồng ngoại (NIR) để tách giữa đất và nước Trên ảnh vệ tinh lúc này giá trị

nước được cho là "1" và các giá trị đất là "0", đó là một ảnh nhị phân Ảnh này được đặt tên là "Ảnh 1"

+ Bước thứ hai, phương pháp ảnh tỷ số được sử dụng với băng xanh lá cây/băng cận hồng ngoại (green/NIR) và băng xanh lá cây/hồng ngoại trung (green/MIR) Tỷ lệ của Green/NIR là rất cần thiết để tách đất từ thực vật, tỷ

lệ green/MIR để tách thảm thực vật và đất không sử dụng Các giá trị pixel của nước sẽ lớn hơn 1 Hai ảnh từ tỷ số trên sẽ được tích hợp để tạo thành hình ảnh mới có tên là "Ảnh 2"

+ Bước 3: Phép nhân giữa “Ảnh 1” và “Ảnh 2” sẽ tạo ra ảnh thứ ba có tên là

"Ảnh 3" Một số điểm ảnh không thuộc tính sẽ được loại bỏ bằng các phép lọc và cho hình ảnh đường bờ nước cuối cùng

2.1.2 Phương pháp phân tích, thống kê trong phân tích trường gió vùng cửa

biển sông Lam

Công thức xác định được giá trị tần suất xuất hiện trong các khoảng từ xi-1 đến xi Giá trị hàm mật độ từ mẫu thực nghiệm tính theo công thức:

n

m )

P

(2-13) Trong đó: mi số lần xuất hiện trong mỗi khoảng; n là tổng số số liệu

Sử dụng công thức xác định giá trị trung bình:





1 i i

x n

1 x

(2-14) Trong đó: x là giá trị trung bình; xi là giá trị thứ i; n: là tổng số số liệu

2.1.2.1 Phân tích cực trị đối với tốc độ gió

Để nghiên cứu các biến cố cực đoan, người ta chọn ra một chuỗi các giá trị lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) từ các tập số liệu quan trắc của biến đang xét Với quan điểm cho rằng số liệu cực hạn chỉ lấy một năm một số hạng sẽ là một chuỗi có phân

bố đặc biệt và Fisher cùng Tippett (1928) đã chứng minh rằng khi số phần tử được chọn đủ lớn thì phân bố đó sẽ hội tụ về 1 trong 3 dạng của phân bố cực hạn, tương ứng gọi là loại 1, 2 và 3 Gumbel nghiên cứu sâu hơn cho phân bố giá trị cực trị loại

1 (gọi tắt là EV1) Frechet cho phân bố giá trị cực trị loại 2 (gọi tắt là EV2) và Weibull cho phân bố giá trị cực trị loại 3 (gọi tắt là EV3) Cả 3 dạng trên là trường hợp riêng của phân bố giá trị cực trị tổng quát (GEV) với hàm phân bố xác suất như sau [19]:

dV V f v F

V





(2-18) Hàm S(V) được định nghĩa là thời gian mà V>=V tức là:

S(V)=1 - F(V) = P (V>=V) (2-19) Vận tốc trung bình có thể tìm được từ biểu thức:







0 Vf(V)dV V

(2-20)

Và lệch sai tiêu chuẩn  bằng:

dV V f V

V ) ( )

0 2

  





(2-21) Phân bố Weibull: Đặc tính của phân bố Weibull biểu thị bởi hai nhân tử đặc tính: nhân tử k (không thứ nguyên) và nhân tử thang độ c (m/s) Nhân tử k đặc trưng cho dạng đường cong phân bố Nhân tử c đặc trưng cho thang độ của trục toạ độ gọi

F( ) 1 exp

(2-22) Hàm phân bố tần suất mật độ vận tốc f(V):

V c

k dV

dF V

V k V

k k

V

V k k

V

V V

k V

V

V V

V

V V

V V

(2-29) Hàm k(1+1/k) có thể được tính gần đúng bằng hàm Gamma G hoặc tra từ số tay toán học G = 0.2869 1/k + 0.6880 k0.1

2.1.2.2 Tính toán vẽ hoa gió

Để tính toán vẽ hoa gió, tiến hành phân tích xử lý số liệu đã thu thập được của tốc độ gió theo 8 hướng chủ đạo tại trạm Hòn Ngư Sử dụng ngôn ngữ lập trình FORTRAN để kiết xuất số liệu đầu vào cho phần mềm WRPLOT của Nhật [17] Chương trình kiết xuất số liệu như sau:

Character input*20, WindWRP*20,WindM(12)*20

Do j = 1, sntt(M0,Y0)

Do l =1,4

Do k =1,16 If(HG(sn,i,j,l).eq.CSH(k))

HW = k

Enddo

= 0

Enddo Enddo

13 Format( '* Rows with * at the begining of the

line are recognized')

Else t=1 Endif Enddo Enddo Enddo Enddo

3 Format('HonNgu', 4x, I4, 3(4x, I2), 4x, I3, 4x, I2)

Do j = 1, sntt(M0,Y0)

Do l =1,4

Do k =1,16 If(HG(sn,i,j,l).eq.CSH(k))

HW = k

Enddo Write(1,3) Y(n), M(i), D(j), Time(t), GOC(HW), Wind(n,i,j,l)

If (Time(t).lt.24) then t=t+1

Else t=1 Endif Enddo Enddo Enddo

Close(1) Enddo

2.1.3 Phương pháp mô hình toán trong đánh giá đặc điểm thủy động lực vùng

cửa sông ven biển sông Lam

2.1.3.1 Tổng quan một số mô hình thủy động lực 2 chiều

Việc nghiên cứu đặc điểm thủy động lực, diễn biến xói lở lòng sông, diễn biễn hình thái cửa sông cen biển đã được tiến hành ở nhiều nơi trên thế giới Nhiều phương pháp và mô hình biến dạng lòng sông đã được xây dựng, góp phần giải quyết những bài toán thực tế đặt ra

Đã có tương đối nhiều nghiên cứu về tính toán biến hình lòng sông và biến động đường bờ, cũng như xây dựng các công trình chống xói lở bờ sông và bờ biển Trên cơ sở hệ phương trình động lực dòng chảy và cân bằng bùn cát người ta đã xây dựng các sơ đồ sai phân để tính toán diễn biến lòng sông Velikanov và Grixanhin (Nga, 1965) đưa ra phương pháp biến hình giúp cho việc giải quyết bài toán xói lở được dễ dàng và chính xác hơn Sau đó một loạt các mô hình ra đời, dùng riêng cho diễn biến lòng sông, cũng như dùng chung cho xói lở bờ sông và bờ biển Đó là mô hình GENESIS của Trung tâm nghiên cứu công nghệ bờ biển Hải quân Mỹ (1989), UNIBEST của Viện thuỷ công Hà Lan (1990), LITPACK của Viện Thuỷ lực Đan Mạch (1991), SAND94 của Viện Thuỷ công Ba Lan (1994), mô hình 2 chiều biến dạng đáy sông của Phòng thí nghiệm thuỷ lực và Trường Đại học kỹ thuật Deft Hà Lan hoặc mô hình miêu tả hiệu ứng xói ngang MIKE21, và mô hình SMS của Anh

Một cách chặt chẽ, hầu hết các dòng chảy thực tế trong sông ngòi đều là các dòng chảy với các đặc trưng thủy lực của nó biến đổi theo cả 3 chiều Tuy nhiên, khi độ rộng của dòng chảy lớn hơn rất nhiều so với độ sâu thì biến đổi của các đặc trưng đó theo chiều thẳng đứng trở nên không đáng kể do có sự xáo trộn mạnh mẽ gây nên bởi các ứng suất ma sát ở đáy Trong các trường hợp đó, mô hình dòng chảy 2 chiều (2D) sử dụng hệ phương trình nước nông (shallow water equations) hay hệ phương trình trung bình theo độ sâu (depth-averaged equations) được xem là

đủ để mô tả các đặc trưng dòng chảy

Hệ phương trình depth-averaged lần đầu tiên được Kuipers và Vreugdenhill giới thiệu năm 1973 viết trên hệ tọa độ Đề các Tuy nhiên, khi áp dụng hệ phương trình này để tính toán các dòng chảy trong sông ngòi tự nhiên, khó khăn đã xuất hiện khi sử dụng các điều kiện biên cho các đoạn sông cong hoặc có biên phức tạp Ban đầu một giải pháp sử dụng xấp xỉ "stair stepped" đã được thử nghiệm (Vreugdenhill và Wijbenga, 1982), nhưng qua các ứng dụng, nó vẫn bộc lộ những hạn chế do độ thô của lưới tính ở gần các biên, hoặc tăng thời gian tính toán cùng

bộ nhớ của máy tính nếu muốn tăng độ phân giải của lưới

Thompson (1980) là một trong những người đầu tiên giới thiệu hệ tọa độ cong phù hợp biên để giải quyết hạn chế này Theo đó, trước hết hệ phương trình depth-averaged viết trên hệ tọa độ Đề các được biến đổi sang hệ tọa độ mới với 2 trục tọa độ (ζ, η) Giải hệ phương trình này trên lưới cong đã xây dựng cho phép ta

có một bức tranh chi tiết hơn về các đặc trưng dòng chảy trong sông, đặc biệt là trong các đoạn sông cong hoặc có biên phức tạp

T Nagata (1999) đã viết phiên bản đầu tiên của mô hình này tại River System Engineering Laboratory, Kyoto University Phiên bản này cũng đã được sửa chữa và nâng cấp bởi Giáo sư Takashi Hosoda và các cộng sự ở cùng phòng nghiên cứu sau khi Nagata qua đời (2000) Phiên bản này sau đó đã được sử dụng như là