Bài viết tập trung phân tích các bộ số liệu về địa hình của đoạn hạ lưu sông Tedori trong 58 năm và các hoạt động của con người trên đoạn sông đó, ước tính về diễn biến của tải lượng bùn cát từ hạ lưu sông Tedori cấp cho biển Ishikawa đã được thực hiện. Kết quả cho thấy, các hoạt động nạo vét lòng dẫn và KTC là nguyên nhân làm cho tải lượng bùn cát cấp cho biển Ishikawa giảm dần trong các giai đoạn từ năm 1950 đến năm 1991.
BÀI BÁO KHOA H C ƯỚC TÍNH TẢI LƯỢNG BÙN CÁT CỦA SÔNG TEDORI CẤP CHO BIỂN ISHIKAWA, NHẬT BẢN Đặng Minh Hải1 Tóm tắt: Trong thập kỷ gần đây, hoạt động khai thác cát sỏi (KTC) xây dựng đập (XDĐ) sông Tedori ảnh hưởng nghiêm trọng tới hình thái sơng biển Ishikawa, Nhật Bản Trong báo này, dựa vào số liệu địa hình đoạn hạ lưu sơng Tedori 58 năm hoạt động người đoạn sơng đó, ước tính diễn biến tải lượng bùn cát từ hạ lưu sông Tedori cấp cho biển Ishikawa thực Kết cho thấy, hoạt động nạo vét lòng dẫn KTC nguyên nhân làm cho tải lượng bùn cát cấp cho biển Ishikawa giảm dần giai đoạn từ năm 1950 đến năm 1991 Tải lượng bùn cát đạt giá trị nhỏ 0.72×105 m3/năm giai đoạn 1972–1991 Trong giai đoạn 1991-2007, đập Tedorigawa vận hành (năm 1981) với việc cấm hoàn toàn hoạt động KTC (năm 1991) nên tải lượng bùn cát khôi phục nhẹ tới trị số 1.02×105 m3/năm Tác động gián tiếp hoạt động KTC giai đoạn 0-7 km coi nguyên nhân gây nên tượng xói bờ biển Ishikawa xảy sau so với trình xói lòng dẫn đoạn hạ lưu sơng Tedori Từ khóa: Khai thác cát; xây dựng đập; sơng Tedori; biển Ishikawa; xói ĐẶT VẤN ĐỀ * Trong thập kỷ gần đây, tượng xói lở ngày gia tăng dọc theo bờ biển Nhật Bản Nguyên nhân chủ yếu tình trạng hoạt động người làm giảm lượng bùn cát từ sơng cấp cho biển Để tìm giải pháp hợp lý quản lý bùn cát sông biển liền kề, việc ước tính tải lượng bùn cát cấp cho biển từ sông chịu ảnh hưởng tác động người cần thiết Các hoạt động người nạo vét sông, KTC XDĐ làm gián đoạn đường vận chuyển bùn cát từ sông tới biển Syvitski & nnk (2005) ước tính hồ chứa làm giảm 1.4 × 109 tấn/năm bùn cát sơng cấp cho biển toàn cầu Liu & nnk (2008) ảnh hưởng hoạt động người tới việc giảm vận chuyển bùn cát 10 sông lớn Trung Quốc Trong nghiên cứu 169 sông chảy biển Mediterranean, Poulos & nnk (2002) tính tốn xây dựng đập giảm 35% cung cấp bùn cát so với trước Rinaldi & nnk ( 2005) cho hoạt động KTC Trường Đại học Thuỷ lợi KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MƠI TR sơng gây giảm lượng bùn cát từ sơng chảy biển gây xói bờ biển Ảnh hưởng hoạt động KTC XDĐ đến biến đổi hình thái sơng biển liền kề Nhật Bản nghiên cứu số lưu vực sông biển Nhật Bản Sato & nnk (2004) việc xây dựng đập Takashiba sông Samegawa đập Shitoki sông Shitoki với hoạt động KTC gần khu vực cửa sơng Samegawa gây xói bờ biển Nakoso Huang (2011) mối liên hệ xói bờ biển Enshunada hoạt động XDĐ KTC sông Tenryu Tương tự lưu vực sông-biển khác Nhật Bản, thập kỷ gần đây, hoạt động KTC XDĐ sông Tedori gây nên tượng xói bờ biển Ishikawa Đã có số nghiên cứu mối liên hệ hoạt động KTC XDĐ đến biến đổi hình thái sơng Tedori (Dang & nnk, 2014) biến đổi hình thái biển Ishikawa (Yuhi, 2008) Tuy nhiên, việc ước tính định lượng diễn biến tải lượng bùn cát từ sông Tedori cấp cho biển Ishikawa chưa thực NG - S 62 (9/2018) 59 Trong báo này, dựa vào số liệu địa hình đoạn hạ lưu sông Tedori 58 năm số liệu hoạt động người đoạn sơng đó, tác giả ước tính diễn biến tải lượng bùn cát từ hạ lưu sông Tedori cấp cho biển Ishikawa Thêm vào đó, nguyên nhân việc trễ pha q trình xói bờ biển Ishikawa xói lòng dẫn đoạn hạ lưu sơng Tedori phân tích ĐẶC ĐIỂM VÙNG NGHIÊN CỨU Sơng Tedori bắt nguồn từ núi Hakusan (có độ cao +2702 m mực nước biển) đổ biển Nhật Bản thị trấn Mikawa (hình 1) Sơng Tedori có diện tích lưu vực 809 km2 chiều dài 72 km Ba chi lưu sơng Tedori gồm sông Ushikubi, sông Dainichi sông Ozo Đoạn hạ lưu sông Tedori đề cập báo bắt đầu cửa sơng tới 16 km phía thượng lưu (hạ lưu đập Tedorigawa) Sông Tedori số sơng có độ dốc lớn Nhật Bản, độ dốc tương ứng tồn sơng đoạn hạ lưu 0.037 0.0069 Chiều rộng sông biến đổi từ 150 m đến 420 m Hình thái sơng Tedori sơng phân lạch Dựa vào đồng độ dốc, chiều rộng đường kính trung bình bùn cát đáy, tồn đoạn hạ lưu sông Tedori chia thành đoạn gồm: – km, – km, – 13 km 13 – 16 km Hình Vị trí vùng nghiên cứu (a), sơ đồ lưu vực nghiên cứu (b) hình thái biển Ishikawa (c) 60 Vùng nghiên cứu đặc trưng khí hậu gió mùa thổi từ biển Nhật Bản Lượng mưa trung bình khu vực 2600 mm/năm vùng đồng từ 3300 đến 3600 mm/năm khu vực miền núi Gần đây, sông Tedori bị ảnh hưởng nhiều tác động người nạo vét lòng dẫn, KTC, xây dựng đập kiểm sốt bùn cát XDĐ đa mục tiêu Những hoạt động làm gián đoạn đường vận chuyển bùn cát từ sông biển Từ năm 1910, gần 150 đập kiểm soát bùn cát xây dựng để kiểm sốt giám sát dòng bùn cát đoạn thượng lưu sông khu vực xung quanh núi Hakusan Lượng bùn cát bị giữ đập kiểm sốt bùn cát ước tính khoảng 9.2 × 106 m3 đến năm 1991 Để nâng cao khả vận chuyển dòng chảy sông Tedori, hoạt động nạo vét thực đoạn 0-4.8 km từ năm 1949 đến năm 1963 Lượng bùn cát đáy nạo vét khoảng 2.1× 106 m3 Đáng ý hoạt động KTC diễn mạnh mẽ phạm vi từ cửa sơng đến 15 km phía thượng lưu Trong giai đoạn 1962-1991, khoảng 7.8 × 106 m3 cát sỏi cấp phép khai thác Tuy nhiên, thể tích cát sỏi khai thác thực tế lớn nhiều so với trị số cấp phép Điều ảnh hưởng đáng kể tới thay đổi lòng dẫn trình vận chuyển bùn cát sơng Thêm vào đó, đập Tedorigawa bắt đầu vận hành năm 1981 số đập khác vận hành trước giữ lại tất tải lượng bùn cát đáy phần tải lượng bùn cát lơ lửng từ chi lưu Ushikubi Đến năm 2005, tổng lượng bùn cát bị giữ lại đập Tedorigawa khoảng 8.2×106 m3 Như vậy, hoạt động người giảm lượng lớn bùn cát hạ lưu sơng Tedori từ gây cân việc cung cấp vận chuyển bùn cát lưu vực tổng hợp sông Tedori – biển Ishikawa DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Dữ liệu Bộ liệu sử dụng báo cấp Cục Phát triển vùng Hokuriku, thuộc Bộ Đất đai, hạ tầng giao thông Nhật Bản (sau KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR NG - S 62 (9/2018) gọi HRDB), gồm có: • Số liệu địa hình lòng dẫn 81 mặt cắt ngang sơng (bố trí cách 200 m dọc theo đoạn 0-16 km) điều tra năm (1950, 1960, 1970, 1979, 1991 2007); • Thể tích cát sỏi cấp phép để khai đoạn hạ lưu sơng Tedori từ năm 1951 đến năm 1991; • Thể tích bùn cát nạo vét từ năm 1949 đến năm 1963 3.2 Tính tốn thay đổi thể tích bùn cát đáy xij, yij, zij: Tọa độ cao độ điểm thứ ij (m); : Cao độ trung bình lưới (m) Biển đổi bùn cát lòng dẫn ∆Vk năm thứ k thay đổi thể tích bùn cát lòng dẫn năm thứ k so với thể tích bùn cát lòng dẫn năm 1950 3.2 Tính tốn tải lượng bùn cát sơng Tedori cấp cho biển Ishikawa Để tính tốn tải lượng bùn cát đoạn hạ lưu sông Tedori cấp cho biển Ishikawa, phương trình cân bùn cát thiết lập sau: (3) Q r = Qv − (1 − ρ ) dV s − β Vcs Trong đó: Qv tải lượng bùn cát đến từ thượng lưu Theo Dang & nnk (2013) Qv = 0.28×106 Hình Sơ đồ tính tốn Đoạn hạ lưu sơng Tedori dài 16 km bao gồm 81 mặt cắt ngang đặt cách 200 m Chiều rộng mặt cắt ngang giới hạn mốc cố định đặt bờ sông chia thành 50 đoạn 51 điểm cố định Tọa độ cao trình lòng dẫn điểm cố định mặt cắt ngang nội suy từ hai điểm gần Thể tích bùn cát đáy lòng dẫn đoạn sông năm thứ k xác định sau: (1) (2) Trong đó: : Thể tích bùn cát đáy đoạn sông năm thứ k (m3); KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR m3/năm (trước năm 1981) Qv = 0.11×106 m3/năm (sau năm 1981) dVs tốc độ biến đổi thể tích bùn cát lòng dẫn (m3/năm); dVs giai đoạn xác định thơng qua phân tích hồi quy phi tuyến chuỗi giá trị ∆Vk giai đoạn Vcs thể tích cát sỏi cấp phép khai thác cho mục đích xây dựng giao thơng thủy đoạn sơng (m3/năm) ρ độ rỗng lòng dẫn, ρ = 0.25 β hệ số kể đến độ rỗng lòng dẫn lượng cát sỏi khai thác lớn lượng cấp phép Qr tải lượng bùn cát từ đoạn hạ lưu sông Tedori cấp cho biển Ishikawa (m3/năm) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Q trình biến đổi lòng dẫn đoạn hạ lưu sông Tedrori Cả đoạn sông 0-2 km, 2-7 km, 7-13 km 13-16 km đoạn hạ lưu sơng Tedori diễn q trình xói lòng dẫn giai đoạn 1950-2007 (hình 3) Từ năm 1950 đến năm 1991, ảnh hưởng hoạt động nạo vét lòng dẫn KTC (hình 5) nên q trình xói lòng dẫn diễn hầu hết đoạn sơng thời kỳ, ngoại trừ tượng bồi lòng dẫn xảy đoạn 0-2 km 2-7 km từ năm 1972 đến năm 1979 Trong giai đoạn 1962-1972, NG - S 62 (9/2018) 61 tốc độ xói lòng dẫn lớn với trị số 3.35×105 m3/năm xảy đoạn 2-7 km, tiếp đến tốc độ xói 2.94×105 m3/năm quan sát đoạn 7-13 km (hình 4) Có thể nguyên nhân tượng lượng bùn cát với trị số 3.14×105 m3 /năm 1.73×105 m3/năm tương ứng khai thác đoạn 2-7 km 7-13 km từ năm 1962 đến năm 1972 (hình 5) Mặc dù lượng cát sỏi khai thác đoạn 0-2 km 2-7 km giai đoạn 1972-1979 lớn so với lượng khai thác giai đoạn 1962-1972 tượng bồi lòng dẫn lại xảy thời kỳ Việc xảy trận lũ lớn 2000 m3/s giai đoạn 1972-1979 cho mang lượng lớn bùn cát từ thượng lưu đoạn sông hạ lưu 0-2 km 2-7 km gây nên tượng bồi lòng dẫn Ngược lại với khuynh hướng xói lòng dẫn phổ biến trước năm 1991, giai đoạn 1991-2007, tượng bồi lòng dẫn quan sát đoạn 0-7 km 13-16 km tượng xói nhẹ tiếp tục xảy đoạn 7-13 km Sau năm 1991, KTC bị cấm hoàn tồn sơng Tedori nên hoạt động khơng ảnh hưởng trực tiếp tới diễn biến hình thái sơng Thay vào đó, tác động trực tiếp gián tiếp trình vận hành đập Tedorigawa (năm 1981) ảnh hưởng tới diễn biến hình thái đoạn sông đoạn hạ lưu sông Tedori Trong giai đoạn này, tải lượng bùn cát đáy từ sông Ozo cấp cho đoạn hạ lưu sông Tedori Việc giảm lưu lượng đỉnh lũ vận hành đập Tedorigawa làm giảm khả vận chuyển bùn cát làm cho thực vật sông phát triển mạnh Khi thực vật sông phát triển giảm ứng suất kéo dòng chảy lũ làm giảm khả vận chuyển bùn cát sơng biển Do đó, lượng bùn cát đáy cung cấp từ sông Ozo phần lớn bị giữ lại đoạn hạ lưu sông Tedori mà không vận chuyển hết biển Ishikawa gây nên khuynh hướng bồi lòng dẫn đoạn hạ lưu sơng Tedori 62 Hình Diễn biến lòng dẫn đoạn khác hạ lưu sông Tedori (so sánh với lòng dẫn năm 1950) KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR NG - S 62 (9/2018) Hình Tốc độ thay đổi thể tích bùn cát lòng dẫn hạ lưu sơng Tedori Hình Mức độ khai thác cát giai đoạn khác 4.2 Tải lượng bùn cát từ sông Tedori cấp cho biển Ishikawa Sông Tedori nguồn chủ yếu cung cấp bùn cát cho biển Ishikawa Hình mơ tả diễn biến tải lượng bùn cát từ sông Tedori cấp cho biển Ishikawa qua giai đoạn khác từ năm 1950 đến năm 2007 Kết cho thấy tải lượng bùn cát cấp cho biển Ishikawa giảm đáng kể qua giai đoạn đạt giá trị nhỏ vào giai đoạn 1972-1979 1979-1991 với tải lượng 0.72×105 m3/năm Việc giảm 71% tải lượng bùn cát từ sông gây nên tượng thiếu hụt bùn cát cung cấp cho biển Ishikawa Hình cho thấy tượng xói biển Ishikawa bắt đầu xảy từ năm 1972 diễn ngày nghiêm trọng sau đập Tedorigawa vào vận hành (năm 1981) Q trình xói biển Ishikawa diễn sau 20 năm so với q trình xói lòng dẫn đoạn hạ lưu sông Tedori (xảy từ năm 1950) KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR Nguyên nhân gây thời gian trễ q trình xói bờ biển so với q trình xói lòng dẫn hạ lưu sơng Tedori ảnh hưởng gián tiếp hoạt động KTC đoạn sông Trong giai đoạn 1950-1972, hoạt động KTC thực đoạn 0-7 km tạo hố khai thác lòng dẫn Miệng hố khai thác nơi độ dốc lòng dẫn sông thay đổi đột ngột Khi lưu lượng dòng chảy lớn (trong thời kỳ xảy trận lũ lớn 2500 m3/s - lưu lượng mang bùn cát biển) miệng hố khai thác bị xói cục làm cho phạm vi hố khai thác mở rộng dần phía thượng lưu hạ lưu Quá trình mở rộng hố khai thác cát đóng góp lượng đáng kể vào tải lượng bùn cát 2.49×105 m3/năm dòng chảy mang cung cấp cho biển Ishikawa Hiện tượng hố khai thác cát mở rộng phía thượng lưu hàng km quan sát (Scott, 1973) Đến giai đoạn 1972 -1979, khơng xảy trận lũ có lưu lượng lớn 2500 m3/s hoạt động khai thác cát kiểm sốt chặt chẽ nên lòng dẫn đoạn sơng 0-2 km 2-7 km có khuynh hướng bồi tụ (hình 3c) Điều có nghĩa lượng bùn cát sinh xói lòng dẫn đoạn thượng lưu giữ lại đoạn km thay vận chuyển biển Ishikawa Vì vậy, tải lượng bùn cát mà sông Tedori cấp cho biển Ishikawa 0.72×105 m3/năm giai đoạn 1972-1979 NG - S 62 (9/2018) Hình Tải lượng bùn cát từ sơng Tedori cấp cho biển Ishikawa 63 Hình Diễn biến hình thái biển Ishikawa (Yuhi & nnk, 2009) KẾT LUẬN Hiểu rõ chế ảnh hưởng hoạt động sông đến diễn biến tải lượng bùn cát cung cấp cho biển liền kề có vai trò quan trọng việc quản lý bền vững sông biển Trong báo này, dựa vào số liệu địa hình đoạn hạ lưu sông Tedori 58 năm hoạt động người đoạn sơng đó, diễn biến tải lượng bùn cát từ hạ lưu sông Tedori cấp cho biển Ishikawa mối liên hệ với hoạt động KTC XDĐ làm sáng tỏ Kết cho thấy hoạt động KTC nguyên nhân làm cho tải lượng bùn cát cấp cho biển Ishikawa giảm dần giai đoạn từ năm 1950 đến năm 1991 Tải lượng bùn cát từ sông đạt giá trị nhỏ 0.72×105 m3/năm giai đoạn 1972-1979 1979- 1991 Từ năm 1991, hoạt động KTC đoạn hạ lưu sông Tedori bị cấm việc vận hành đập Tedorigawa (từ năm 1981) nên tải lượng bùn cát cấp cho biển Ishikawa tăng nhẹ tới trị số 1.02×105 m3/năm Tác động gián tiếp hoạt động KTC giai đoạn 0-7 km coi nguyên nhân gây nên tượng xói bờ biển Ishikawa xảy sau so với q trình xói lòng dẫn đoạn hạ lưu sông Tedori LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS.Yuhi Masatoshi PGS.Shynia Umeda Đại học Tổng hợp Kanazawa, Nhật Bản hướng dẫn tác giả thực số công việc tiền đề để phát triển nội dung báo TÀI LIỆU THAM KHẢO Dang, M H., Umeda, S., and Yuhi, M (2014), “Long-term riverbed response of lower Tedori River, Japan, to sediment extraction and dam construction”, Environmental Earth Sciences,72(8), 2971–2983 Dang, M H., Yuhi, M., and Umeda, S (2013), “Human impact on morphology and sediment budget in the Tedori River , Japan”, Advances in River Sediment Research, 289–297 Huang, G (2011), “Time lag between reduction of sediment supply and coastal erosion”, International Journal of Sediment Research, 26(1), 27-35 Liu, C., Sui, J., and Wang, Z.-Y (2008), “Sediment load reduction in Chinese rivers”, International Journal of Sediment Research, 23(1), 44–55 Poulos, S E., and Collins, M B (2002), “Fluviatile sediment fluxes to the Mediterranean Sea: a quantitative approach and the influence of dams”, Geological Society, London, Special Publications, 191(1), 227 LP-245 Rinaldi, M., Wyzga, B., and Surian, N (2005), “Sediment mining in alluvial channels: Physical effects and management perspectives”, River Research and Applications, 21(7), 805–828 Sato, S., Kajimura, T., Abe, M., and Isobe, M (2004), “Sand Movement and Long-Term Beach Evolution in a Fluvial System Composed of the Samegawa River and the Nakoso Coast”, Coastal Engineering Journal, 46(2), 219–241 Scott, K M (1973), “Scour and Fill in Tujunga Wash - A Fanhead Valley in Urban Southern California - 1969”, U.S Geological Survey Professional Paper, 732(B), B1 B29 64 KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR NG - S 62 (9/2018) Syvitski, J P M., Vörösmarty, C J., Kettner, A J., and Green, P (2005), “Impact of Humans on the Flux of Terrestrial Sediment to the Global Coastal Ocean”, Science, 308(5720), 376 LP-380 Yuhi, M (2008), “Impact of Anthropogenic Modifications of a River Basin on Neighboring Coasts: Case Study”, Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 134(6), 336–344 Yuhi, M., Umeda, S., and Hayakawa, K (2009), “Regional analysis on the decadal variation of sediment volume in an integrated watershed composed of the Tedori River and the Ishikawa Coast, JAPAN”, Journal of Coastal Research, Vol.II, 1701-1705 Abstract: ESTIMATION OF SEDIMENT SUPPLY OF TEDORI RIVER TO ISHIKAWA COAST, JAPAN In recent decades, sand and gravel mining and dam constructions conducted in the Tedori River have affected seriously morphology of both river and Ishikawa coast, Japan This paper aims to estimate temporal variation in sediment supply of the lower Tedori river to Ishikawa coast using a dataset consisting of river topography and related human intervention over the period of 58 years The results indicate that dredging activity and sand and gravel mining induced a decrease in sediment supply to the Ishikawa coast in the period of 1950 -1991 The sediment supply reached the lowest value at 0.72×105 m3/yr during the period 1972 – 1991 Due to totally prohibited sand and gravel mining in 1991 together with Tedorigawa dam operation in 1981, the sediment supply slightly recovered to 1.02×105 m3/yr in the period of 1991 – 2007 Time lag between erosion occurred in the Ishikawa coast and that occurred in the lower Tedori river was attributed to the indirect effect of sand and gravel mining conducted in the reach of 0-7km upstream far from the river mouth Keywords: Sand and gravel mining, dam constructions, Tedori river, Ishikawa coast, sediment supply Ngày nhận bài: 31/7/2018 Ngày chấp nhận đăng: 30/8/2018 KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR NG - S 62 (9/2018) 65 ... sơng Tedori Hình Mức độ khai thác cát giai đoạn khác 4.2 Tải lượng bùn cát từ sông Tedori cấp cho biển Ishikawa Sông Tedori nguồn chủ yếu cung cấp bùn cát cho biển Ishikawa Hình mô tả diễn biến tải. .. chuyển biển Ishikawa Vì vậy, tải lượng bùn cát mà sơng Tedori cấp cho biển Ishikawa 0.72×105 m3/năm giai đoạn 1972-1979 NG - S 62 (9/2018) Hình Tải lượng bùn cát từ sông Tedori cấp cho biển Ishikawa... Ishikawa Để tính tốn tải lượng bùn cát đoạn hạ lưu sông Tedori cấp cho biển Ishikawa, phương trình cân bùn cát thiết lập sau: (3) Q r = Qv − (1 − ρ ) dV s − β Vcs Trong đó: Qv tải lượng bùn cát đến