Biến đổi bờ biển tỉnh thừa thiên huế dưới ảnh hưởng của nước biển dâng do biến đổi khí hậu

Với những đặc trưng địa hình như vậy, đới bờ biển tỉnh Thừa - Thiên Huế tiềm ẩn nhiều tai biến nguy hiểm, như lũ lụt, xói lở bờ sông, bờ biển…, và trong bối cảnh của sự biến đổi khí hậu

DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC BIỂN DÂNG

DO BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

PGS TS Nguyễn Hiệu, Đỗ Trung Hiếu

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN

Phạm Xuân Cảnh, Trần Phương Hà

Viện Tài nguyên, Môi trường và Phát triển bền vững tại Tp Huế,

Viện Hàn Lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam

1 Mở đầu

Địa hình đồng bằng ven biển Thừa Thiên - Huế có độ dốc chung rất nhỏ, nhiều nơi còn tồn tại các dải trũng giáp chân sườn đồi núi (nguyên là các thế hệ đầm phá cổ) Phía đông của đồng bằng thường được giới hạn với biển bởi đê cát thiên nhiên cao từ 5 - 8m đến vài chục mét, các cửa sông đều hẹp và thường lại bị thu lại đáng kể vào mùa khô bởi sự kéo dài của các doi cát biển Với những đặc trưng địa hình như vậy, đới bờ biển tỉnh Thừa - Thiên Huế tiềm ẩn nhiều tai biến nguy hiểm, như lũ lụt, xói lở bờ sông, bờ biển…, và trong bối cảnh của sự biến đổi khí hậu toàn cầu, các tai biến này có xu hướng gia tăng và diễn biến phức tạp hơn dưới tác động bởi

sự dâng lên của mực nước biển

Những nghiên cứu cổ địa mạo cho ta thấy, trong quá khứ mực nước biển

đã nhiều lần thay đổi ứng với các thời kỳ băng hà - gian băng Sự thay đổi đó còn để lại những dấu tích toàn diện của cảnh quan: địa hình, trầm tích, sinh vật,… trên phạm vi không chỉ ở những vùng băng hà và rìa băng hà mà là trên phạm vi toàn trái đất Phân tích về cổ địa mạo và các đặc trưng của địa hình, trầm tích cho thấy bức tranh tổng thể về sự biến đổi địa hình trong quá khứ và mối quan hệ với sự thay đổi mực nước đại dương trong quá khứ Việc

sử dụng chỉ số đánh giá tổn thương bờ biển (CVI) do mực nước biển dâng kết hợp với phân tích các quá trình động lực và ứng dụng công nghệ Viễn thám - GIS giúp ta có những cơ sở để đánh giá xu thế biến đổi địa hình đới bờ tỉnh Thừa Thiến Huế do ảnh hưởng của mực nước biển dâng làm cơ sở cho công tác quy hoạch và sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên

2 Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1 Các dữ liệu được sử dụng

- Các báo cáo về đặc điểm tự nhiên (địa chất, địa mạo, khí tượng, hải - thủy văn….), KTXH, các nghiên cứu liên quan tới bờ biển tỉnh Thừa Thiên Huế

- Các bản đồ địa hình, bản chuyên đề và hệ thống ảnh vệ tinh Landsat: + Dữ liệu bản đồ: các dữ liệu địa hình, hành chính, địa mạo, sử dụng đất tỉnh Thừa Thiên Huế của Dự án GIS Huế; bản đồ đẳng sâu với khoảng cao đều 5m do Bộ TN&MT cung cấp

+ Dữ liệu ảnh Viễn thám: Ảnh vệ tinh Landsat 5 TM (LT5) và Landsat

7 ETM khu vực Thừa Thiên Huế (path 125/row 48 và path 125/row 49) chụp các năm 1989, 1996, 2000, 2005 và 2010; được tải từ website của Cục Khảo sát

Địa chất Hoa Kỳ - USGS (bảng 1) có độ phân giải mặt đất là 30m

Bảng 1 Thông tin ảnh viễn thám sử dụng trong nghiên cứu

1

Zone 48N - path 125/ row 48

Zone 48N - path 125/ row 49

1989 Landsat 5 TM WGS84 USGS

2.2 Các phương pháp nghiên cứu

* Phương pháp nghiên cứu địa mạo

Theo những nghiên cứu cổ địa mạo, vào thời kỳ băng hà, khí hậu trái đất rất lạnh, mực nước đại dương bị hạ thấp xuống, theo như một số nghiên cứu thì mực thấp nhất có thể tới 110m (Markov & Xuetova, 1964)

sự hạ thấp này ảnh hưởng vừa trực tiếp vừa gián tiếp tới toàn bộ vỏ trái đất Ảnh hưởng trực tiếp là ở chỗ làm phơi ra những bộ phận lớn của thềm

lục địa, do vậy các đại lục và các đảo mở rộng vì có thêm diện tích đất nổi

mà chúng có hình thái khác Một số quần đảo hợp thành một đảo, một số đảo nhập vào các đại lục, một số đại lục rời rạc nối liền với nhau bởi những con đường cạn Ảnh hưởng trực tiếp là ở chỗ sự hạ thấp của mực nước đại dương thế giới có nghĩa là sự hạ thấp mực cơ sở xâm thực của các con sông

đổ ra đại dương gây ra sự tăng cường mạnh mẽ của hoạt động xâm thực theo chiều sâu, sự đào lòng của các con sông và nói chung là sự chia cắt địa hình đất nổi với một cường độ mạnh mẽ hơn

Còn trong các thời kỳ gian băng, các băng tan của băng hà rút lui quay trở lại đại dương nơi mà nó bắt nguồn từ nhiều nghìn năm về trước và làm mực nước đại dương tăng lên Các biển ven lục địa xuất hiện, các đại lục và các đảo bị phân rời, mực cơ sở xâm thực của các con sông được dâng cao, điều này dẫn đến giai đoạn phát triển yếu của địa hình Như vậy, dấu tích của các thời kỳ băng hà và gian băng còn để lại toàn diện trong những di tích của cảnh quan: địa hình, trầm tích, sinh vật,…trên phạm vị không chỉ

ở những vùng băng hà và rìa băng hà mà là trên phạm vi toàn trái đất Rõ ràng đây là một đặc điểm rất quan trọng đối với các nhà nghiên cứu kỷ Đệ

tứ nói riêng và địa chất cũng như cổ địa lý nói chung

Trên cơ sở đó, những nghiên cứu địa mạo về nguồn gốc và tuổi địa hình sẽ cho thấy bức tranh toàn cảnh về quá trình biến đổi của địa hình dưới tác động của quá trình thay đổi mực nước đại dương Hậu quả của dao động mực nước biển là gây ra sự biến động độ sâu ở bờ ngầm, làm cạn phần đáy ven bờ hoặc làm ngập phần lục địa ven bờ Nếu những dao động này xảy ra trong thời gian dài và có hướng chúng sẽ gây ra những hiện tượng biển tiến (mực nước biển dâng lên) hoặc biển thoái (mực nước biển hạ xuống) Thông qua những ảnh hưởng đến thủy - thạch động lực khu bờ, các dao động của mực nước biển có ý nghĩa địa mạo rất quan trọng trong quá trình tiến hóa đới bờ biển

Trong quá trình biển tiến, nước đại dương dần dần tràn ngập những miền đất ven biển rộng lớn, đương nhiên là những khu vực đất thấp ven biển, những đồng bằng tích tụ có nguồn gốc khác nhau (sông, hồ, băng hà…) bị tràn ngập nhiều nhất Các bề mặt hầu như nằm ngang, có độ nghiêng rất nhỏ về phía biển của những đồng bằng này đã bị các quá trình sóng làm biến đổi rất đáng kể Sóng bắt đầu tạo trắc diện sườn ngầm theo những điều kiện cân bằng động phù hợp với những quy luật thủy động

lực của khu vực biển nông Trong những điều kiện đó, trắc diện như vậy chỉ được thành tạo bằng cách bào mòn mạnh mẽ trầm tích bở rời và di chuyển khối vật liệu về phía bờ là chủ yếu Như vậy hiện tượng biển tiến sau băng hà đã gây ra sự phát triển cực kỳ rộng rãi quá trình di chuyển ngang của bồi tích mà biển thừa kế được từ thời kỳ biển thoái trước đó

* Phương pháp tính xu thế xói lở bờ biển

Định luật Bruun chỉ ra rằng, vật liệu bở rời bị xói lở từ bờ sẽ bị phát tán

ở ngoài khơi Khi mực nước dâng lên, các đợt sóng vỗ vào và làm xói các

bờ phía trên làm cho đường bờ lùi vào trong Quá trình xói lở đã cung cấp thêm vật liệu cho việc đắp cao lên cho các phần phía ngoài của trắc diện

Mô hình giả thiết rằng trắc diện ban đầu sẽ được tái lập về phía đất liền

nhưng ở một độ cao nằm trên vị trí mực nước biển ban đầu (hình 1)

Hình 1 Mô hình Bruun mô phỏng di chuyển bar chắn [2]

Tỷ lệ xói lở đường bờ (R) được tính theo công thức sau:

R = L / (h + D) * s (m) Trong đó:

L = khoảng cách từ đường bờ tới điểm sâu nhất còn chịu tác động của sóng

h = chiều sâu của mặt nước hiện tại

D = chiều cao Dune cát

s = chiều cao đụn cát khi mực nước biển tăng

* Phương pháp đánh giá tổn thương bờ biển

Bài viết sử dụng phương pháp chỉ số tổn thương bờ biển CVI và công thức tính chỉ số CVI tương tự của Hammar-Klose và Theler (2000) với 6 biến số được xác định gồm: 1) Hình thái bờ, địa mạo 2) Độ dốc bờ biển 3)

Xu hướng biến đổi bờ biển 4) Chiều cao sóng trung bình 5) Tốc độ thay đổi mực nước biển trung bình 6) Mực triều trung bình Mỗi yếu tố được cho điểm từ 1 đến 5 tương ứng với từng mức độ tổn thương khác nhau: Rất thấp (1 điểm), Thấp (2 điểm), Trung bình (3 điểm), Cao (4 điểm), Rất cao (5 điểm)

Chỉ số CVI được tính toán trong đề tài dựa theo công thức của Thieler

và Hammar-Klose (2000) [7] Công thức tính chỉ số này như sau:

Trong đó:

Các biến liên quan đến địa chất

a: Địa mạo

b: Tốc độ xói/bồi bờ biển

c: Độ dốc bờ biển

Các biến liên quan đến biến đổi quá trình vật lý

d: Mực triều trung bình e: Độ cao sóng trung bình f: Sự thay đổi mực nước biển trung bình

3 Kết quả và thảo luận

Cũng giống với hầu hết dải địa hình vùng duyên hải miền Trung, địa hình đới bờ biển Thừa Thiên Huế đặc trưng bởi kiểu cấu trúc đê cát - đầm phá Từ tây sang đông, địa hình chuyển từ các thành tạo địa hình biển, sông - biển có độ cao 10-15m sang dải địa hình trũng thấp nằm ở phần trung tâm (thường được người dân địa phương gọi là dải cát nội đồng) và các đầm phá, tiếp đó là hệ thống các cồn cát nổi cao 5-8m, cuối cùng chuyển xuống bề mặt bãi biển hiện đại Với cấu trúc địa hình như vậy, xu thế biến đổi địa hình của đới bờ biển Thừa Thiên Huế trong thời gian tới là sự gia tăng xói lở bờ biển làm thu hẹp và dẫn tới phá huỷ các cồn cát ven biển, tăng độ sâu các đầm phá và mở rộng các vùng đất ngập nước, xói lở bờ

sông và gia tăng tình trạng ngập lụt (hình 2).

Với tính chất thấp trũng, độ nghiêng của địa hình không đáng kể, thêm vào đó là sự có mặt của hệ thống các đê cát ở phía biển và sự thu hẹp đáng kể của các cửa sông vào mùa khô, Huế giống như một túi đựng nước vào mùa mưa Lưu vực sông Hương là một trong những lưu vực sông điển hình của miền Trung, có phần thượng lưu dốc, gần như không có phần trung lưu Mùa mưa lũ, nước tràn rất nhanh về đồng bằng, khả năng tiêu thoát nước lại kém, nên Huế thực sự là nơi “chưa mưa đã ngập” Tính chất ngập lụt trở nên nghiêm trọng hơn khi mực nước biển dâng cao dần Sẽ có thêm nhiều vùng đất thấp bị chìm ngập dưới mực nước biển, thêm nhiều vùng đất mới bị ngập lũ và độ sâu ngập cũng gia tăng

Cho đến nay, các nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng do mực nước biển dâng ở các quốc gia ven biển, hầu hết trong tình trạng thiếu

dữ liệu chính xác và toàn diện để có thể đánh giá được sự tác động, cũng như khả năng thích ứng của hệ thống quản lý tài nguyên ở đới

bờ trong xu thế biến đổi của môi trường Nhiều nghiên cứu tiến hành đánh giá đơn giản theo tuyến tính, bằng cách dịch chuyển bờ biển theo hướng sâu vào đất liền với một khối lượng tương ứng với các kịch bản mực nước biển dâng cao Các nghiên cứu thường ít đề cập/đánh giá các quá trình phi tuyến tính phức tạp của đới bờ biển cũng như những biến đổi phức tạp theo thời gian của cảnh quan môi trường, đặc biệt là địa hình, ở đới bờ biển

Đối với đới bờ biển tỉnh Thừa Thiên Huế, để thấy một cách trực quan không gian biến đổi địa hình khi mực biển tăng lên, bài viết đề xuất mô hình giả định về các mức biển dâng khác nhau dựa trên nền dữ liệu mô hình số độ cao chi tiết xây dựng từ bản đồ địa hình 1:10000, có bổ sung các điểm độ cao và các yếu tố vi địa hình [1] Kết hợp với phân tích lịch sử

Hình 2 Sơ đồ mô tả quá trình biến đổi của lagoon và các đê cát khi mực nước đại dương tăng lên (MSL1 mực nước biển trung bình, MSL2: mực nước biển dâng) [4]

phát triển địa hình và các quá trình động lực hiện tại có thể thấy rõ hơn quá trình biến đổi địa hình đới bờ biển, từ đó đưa ra những nhận định ban đầu về xu thế biến đổi của địa hình ở đới bờ biển trong tương lai Kết quả tính toán không gian ngập do mực nước biển dâng theo các kịch bản khác nhau được thể hiện trong bảng 2, hình 3

Bảng 2 Diện tích và phần trăm bị ngập khi nước biển dâng

Độ cao dâng lên của

mực nước biển (m) Diện tích ngập(km 2

) Phần trăm diện ngập so với VNC (%) Phần trăm diện ngập so với toàn tỉnh (%)

Hình 3 Sơ đồ phân cấp mức ngập đới bờ biển Thừa Thiên Huế

khi mực nước biển dâng lên 1m, 3m, 5m

Khi ngập ở mức 1m, toàn bộ các bãi bồi thấp và hầu hết diện tích của các thành tạo địa hình là bề mặt tích tụ đầm phá hiện đại đều bị ngập, làm

cho phần lớn diện tích đất thuộc huyện Phú Vang và Quảng Điền (gồm các xã Quảng Thái, Quảng Lợi, Quảng Phúc, Quảng An) bị ngập chìm và nhiễm mặn Đối với vùng trũng thấp, lại nằm trong điều kiện được che chắn bởi các đê cát, nên sự tác động của mực nước biển dâng là quá trình chìm ngập một cách từ từ Khi mực nước lũ đạt tới cấp 5m trừ các bậc thềm biển hoặc sông - biển hoặc các cồn cát do gió cải tạo, còn toàn bộ các bãi bồi, bề mặt tích tụ biển - vũng vịnh và các bề mặt tích tụ sông - biển đều bị ngập Với mức ngập này thì huyện Phú Vang và Quảng Điền, thành phố Huế gần như bị ngập chìm, hầu hết diện tích canh tác và hoa màu đều bị chìm ngập bởi nước biển

3.1 Tăng cường xói lở, bồi lấp

Cả lý thuyết và thực tiễn đều cho thấy năng lượng sóng là nguyên nhân trực tiếp của các quá trình địa mạo tham gia vào sự hình thành và biến đổi địa hình bờ biển Sự gia tăng của năng lượng sóng có thể bị ảnh hưởng bởi một số nhân tố như: sự gia tăng của gió mạnh (đặc biệt là bão),

sự tăng độ nghiêng của bãi, sự thiếu hụt lượng bồi tích đưa vào bờ Trong nghiên cứu này, chỉ tập trung phân tích ảnh hưởng của mực nước biển dâng đối với biến đổi địa hình

Sự dâng lên của mực nước biển, dù theo nguyên nhân nào (hạ lún mặt đất hay dâng lên chân tĩnh) cũng dẫn đến làm thay đổi độ nghiêng của trắc diện bãi biển, đặc biệt là phần trong của nó Khi độ nghiêng của trắc diện bãi tăng, năng lượng sóng tác động đến nó cũng tăng lên Vì thế, khả năng xói lở bờ cũng tăng, đặc biệt đối với các bờ cấu tạo bằng trầm tích bở rời

Tuy nhiên không phải bất kỳ vị trí nào cũng xảy ra xói lở như nhau khi mực nước biển tăng Điều này phụ thuộc vào độ nghiêng phần trong của bãi (thường ứng với điều kiện động lực thành tạo và kích thước hạt trầm tích) có thể chia ra các loại như sau: xói lở các vách bờ với độ nghiêng của trắc diện lớn hơn 0,01; xói lở bãi biển với độ nghiêng của trắc diện bãi trong khoảng từ <0,01 đến 0,001 (tuân thủ theo nguyên tắc của Bruun); xói lở các đoạn bờ delta bị mất nguồn trầm tích (bị bỏ rơi) với độ nghiêng từ <0,001 đến 0,0001 và biển lấn vào đất liền (làm mất đất), nhưng gây xói lở với độ nghiêng của trắc diện bãi <0,0001

Xói lở bãi là trường hợp rất phổ biến ở Việt Nam Độ nghiêng phần

trên của bãi trong trường hợp này nằm trong khoảng từ <0.01 đến 0,001

Đây là giá trị độ nghiêng rất phổ biến trên bãi biển các tỉnh miền Trung Một số nghiên cứu cho thấy rằng sau khi so sánh bản đồ UTM tỷ lệ 1:50000 được thành lập năm 1965 với tài liệu khảo sát từ cuối những năm

90 của thế kỷ trước cho đến nay cho thấy, độ nghiêng phần bãi trên trắc diện bãi biển ở các tỉnh từ Quảng Bình đến Thừa Thiên Huế đã tăng lên

từ 0,001 lên 0,002 Trong trường hợp này, điểm sóng vỡ sẽ vào gần bờ hơn

và với năng lượng cao hơn Các quan sát thực tế cũng như mô hình thực nghiệm đều cho thấy, phía trong điểm sóng vỡ, vật liệu được di chuyển

về phía bờ nhiều hơn và thô hơn so với sự di chuyển về phía ngoài điểm này Nếu thời gian xói lở xảy ra lâu dài, chiều rộng bãi càng bị thu hẹp và thậm chí các cồn cát tiền tiêu cũng bị chọc thủng, không có khả năng hồi phục và đồng bằng phía sau tiếp tục bị nhiễm mặn Trên những đoạn bờ thấp có độ nghiêng quá nhỏ (nhỏ hơn 0,0001) xói lở không xảy ra mà bị nước biển tràn ngập một cách thụ động Xói lở không xảy ra do đáy biển

có độ nghiêng quá nhỏ, năng lượng sóng từ ngoài khơi truyền vào đã bị triệt tiêu dần dần cho đến lúc bằng 0 Kết quả cuối cùng dẫn đến mất đất

và gọi là mất đất do biển lấn [5]

Mực nước biển và các vật liệu bồi tích được cho là những nguyên nhân chính quyết định tới sự phát triển của các bar chắn Khi mực nước tăng lên mà lượng bồi tích không đổi hoặc giảm đi thì các bar sẽ xói lở tuân theo định luật Bruun Nhưng nếu như một lượng lớn vật liệu bở rời được cung cấp thêm bởi phù sa sông thì bar chắn sẽ ổn định hơn hoặc được bồi đắp cao hơn Tuy nhiên, trong sự phát triển của các bar chắn có rất nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng tới như điều kiện địa chất địa phương, tốc độ biến đổi mực nước biển hay thậm chí là các yếu tố sinh thái Vì vậy, mỗi một khu vực lại có sự phát triển của các bar chắn một cách riêng

Trên cơ sở dữ liệu các điểm độ cao chi tiết và bản đồ hình tỉ lệ 1/10

000, thực hiện đo đạc và tính toán với sự phân chia thành 3 khu vực chính

(hình 4) Trong đó, lấy độ sâu trung bình mà sóng biển bắt đầu tác động

đến đáy đối với khu vực miền Trung là đường đẳng sâu 30m

Các kết quả tính toán cho thấy rằng khu vực cửa biển Thuận An (bảng

3, 4, 5) có độ cao trung bình rất thấp khoảng trên dưới 2m và mức độ xói

mòn mạnh nhất so với các khu vực khác Mặt khác, có thể suy ra được rằng mức độ xói lở đối với các dải cát ven biển Thừa Thiên Huế được tính toán thuần túy theo công thức của Bruun là khoảng từ 300 - 500m khi mực nước biển dâng lên 1m Con số này còn có thể tăng lên nữa bởi xu hướng biến đổi khí hậu toàn cầu đang làm cho trái đất ấm lên, và lượng băng tan ngày càng nhanh và nhiều hơn

Bảng 3 Mức độ xói lở trung bình khu vực I khi mực nước biển dâng lên 1m

L (m) h(m) s(m) D(m) Chiều rộng bờ b(m) R(m) Tỉ lệ xói lở(b/R)

Hình 4 Sơ đồ khu vực phân tích mức độ xói lở bờ biển Thừa Thiên Huế