Mô hình hóa biến động đường bờ và xâm thực bãi biển, đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận

Bài báo này trình bày kết quả tính toán các biến động đường bờ, xâm thực bãi biển khu vực đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận bằng mô mình LITPROF (thuộc bộ mô hình LITPACK) kết hợp với mô hình lan truyền sóng MIKE 21SW. Các kết quả nghiên cứu diễn biến đường bờ và xâm thực bãi biển sẽ phục vụ trực tiếp cho công tác quy hoạch, quản lý, khai thác và phát triển bền vững đảo Phú Quý trong tương lai

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MƠ HÌNH HĨA BI ẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ VÀ XÂM THỰC BÃI BIỂN, ĐẢO PHÚ QUÝ, TỈ NH BÌNH THUẬN TS Kiều Xuân Tuyển Viện KHTL Miền Trung Tây Nguyên PGS TS Trần Thanh Tùng Khoa Kỹ thuật Biển, Đại học Thủy lợi ThS Lê Đức Dũng Viện Nghiên cứu biển hải đảo Tóm tắt: Dọc lãnh hải miền Trung nước ta có nhiều đảo lớn nhỏ, đảo đóng vai trị quan trọng trị, an ninh quốc phòng, chủ quyền đất nước Trong năm gần đây, áp lực dân số gia tăng, với tác động ngày rõ rệt biến đổi khí hậu, đảo thường xun bị xói lở Bài báo trình bày kết tính toán biến động đường bờ, xâm thực bãi biển khu vực đảo Phú Q, tỉnh Bình Thuận mơ LITPROF (thuộc mơ hình LITPACK) kết hợp với mơ hình lan truyền sóng MIKE 21SW Các kết nghiên cứu diễn biến đường bờ xâm thực bãi biển phục vụ trực tiếp cho công tác quy hoạch, quản lý, khai thác phát triển bền vững đảo Phú Quý tương lai Từ khóa: đảo Phú Quý, LITPROF, biến động đường bờ, xâm thực bãi biển Summary: Along the territorial sea of Central Vietnam, many islands of various sizes are playing important roles in politics, security and national defense, and country sovereign In recent years, due to increasing population pressure, with more conspicuous effect of climate change, these islands are continually eroded This paper presents results of wave model and estimation of coastline change and beach erosion of Phu Quy island in Binh Thuan province using LITPROF and MIKE 21 SW model The research on coastline evolution and beach retreat provides meaningful results for planning, management, exploiting and sustainable development of Phu Quy island in the future Keywords: Phu Quy island, LITPROF, coastline change, beach erosion MỞ ĐẦU * Với chiều dài gần 2000 km bờ biển, chiếm 2/3 tổng chiều dài bờ biển Việt nam, biển miền Trung đảo ven bờ có đóng góp lớn cho phát triển kinh tế xã hội an ninh quốc phịng quốc gia nói chung miền Trung nói riêng Vị trí đảo ven bờ khu vực dân cư sinh sống trên đảo đóng vai trị Người phản biện: PGS.TS Trương Văn Bốn Ngày nhận bài: 16/9/2015 Ngày thông qua phản biện:6/10/2015 Ngày duyệt đăng: 02/12/2015 quan trọng trị, an ninh quốc phịng, chủ quyền đất nước Trước tác động ngày rõ rệt nước biển dâng, đảo khu vực miền Trung phải gánh chịu nhiều áp lực thiên tai, bên cạnh áp lực dân số, áp lực phát triển kinh tế xã hội Việc giữ ổn định đảo miền Trung đồng nghĩa với việc có biện pháp chủ động phịng tránh, giảm nhẹ tác động thiên tai Để giữ ổn định đảo cịn cần phải có nghiên cứu, dự báo tác động yếu tố thủy động lực bùn cát gây nhằm đưa phương án bảo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 29 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ vệ phù hợp, hiệu cho khu vực đảo Bài báo trình bày kết nghiên cứu mơ hình tốn phục vụ phân tích đánh giá xu biến động đường bờ xâm thực bãi biển tương lai xét đến tác động nước biển dâng Các kết nghiên cứu góp phần xây dựng luận khoa học quan trọng phục vụ nhiệm vụ tôn tạo, bảo vệ, khai thác phát triển kinh tế xã hội an ninh quốc phòng bền vững đảo tương lai Đông Bắc từ tháng XI đến tháng IV năm sau chiếm tần suất 65,5% GIỚI THIỆU KHU VỰC NGHIÊN CỨU Huyện đảo Phú Quý quần đảo với 10 đảo lớn nhỏ, đảo Phú Q hịn đảo lớn với diện tích tự nhiên khoảng 1.639,4ha Chiều dài theo hướng Bắc Nam, kéo dài từ thôn xã Long Hải đến xí nghiệp Hai Thắng xã Tam Thanh 7km chiều rộng theo hướng Đông Tây tức từ thôn xã Ngũ Phụng đến mỏm cực Đông xã Tam Thanh 4,5km Chế độ thuỷ triều: Tại khu vực đảo chuyển tiếp từ chế độ nhật triều khơng phía Bắc bán nhật triều khơng phía Nam, theo số liệu thực đo trạm Hải văn Phú Quý (1980-2012) mực trung bình nhiều năm 216cm, lớn 326cm, thấp 29cm Chế độ gió: Nằm vùng nhiệt đới gió mùa nên hàng năm đảo Phú Quý có hai mùa gió chính: gió mùa Tây Nam từ tháng V đến tháng X, chiếm tần suất 32,2% gió mùa Hình 1: Vị trí địa lý đảo Phú Q Chế độ sóng: Kết phân tích tổng hợp chế độ sóng 33 năm (từ năm 1980 đến năm 2012) [1] cho thấy: Các hướng sóng chủ đạo bao gồm: hướng sóng chiếm tỉ lệ cao hướng Đông Bắc, hướng Tây hướng Tây Nam Tần suất lặng sóng trung bình 20 năm 21,85% Theo [7] đảo Phú Q có diện tích 16,4km hàng năm không bồi đắp mở rộng mà liên tục từ năm 1978 đến tượng xâm thực bờ biển ngày diễn có cường độ mạnh dần vòng 10 năm trở lại Hiện nay, đảo có đoạn đường bị sạt lở với mức độ khác bảng Bảng 1: Thống kê đoạn bờ biển bị sạt lở đảo Phú Quí từ năm 1978 tới 2012 [7] S TT Khu vực Chiều dài(m) Đoạn lạch Ông Bền thôn Triều Dương Đoạn khu dân cư Hội An Đoạn đồn biên phịng 464 cũ, thơn xã Tam Thanh Đoạn chùa Thạch Lâm đến UBND huyện Đoạn tiếp giáp kè Bãi Lăng đến chùa Thạch Lâm Thôn 9, xã Long Hải Thôn 10, xã Long Hải Khu vực Nhà trẻ thôn 4, xã Tam Thanh 567 470 412 900 1000 1.050 1.100 400 (nguồn: Phòng nghiệp vụ kinh tế hạ tầng nơng thơn huyện Phú Q) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 29 - 2015 Tốc độ sạt lở(m/năm) 5 4 5 KHOA HỌC MƠ HÌNH HĨA CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC ĐẢO PHÚ QUÝ 3.1 Ph ạm vi nghiên cứu, miền tính lưới tính Để nghiên cứu biến động đường bờ xâm thực bãi biển khu vực đảo Phú Quý, nhóm nghiên cứu tiến hành mơ hình hóa q trình động lực biển mơ hình M ike 21 M iền tính, lưới tính (hình 2) mơ hình vùng biển thuộc đảo Phú Q, có kích thước 20km20km M iền tính, lưới tính xây dựng sở số liệu địa hình ven bờ tỷ lệ CƠNG NGHỆ 1:2000, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đo đạc tháng 12/2012 khuôn khổ đề tài KHCN cấp Nhà nước [1] thuộc chương trình KC.09/11-15 số liệu khu vực khơi Hải quân Việt Nam đo đạc, tỷ lệ 1:10.000 (Hình 3) Giới hạn miền tính mơ hình hệ tọa độ UTM giới hạn điểm đầu: Kinh độ: 722500; Vĩ độ: 1870600 giới hạn điểm cuối: Kinh độ: 736000; Vĩ độ: 1894600 Lưới tính thiết lập mơ hình lưới phi cấu trúc với 3450 lưới tính tốn (Hình 2) Hình 3: Địa hình đáy biển khu vực đảo Phú Q Hình 2: Miền tính, lưới tính mơ hình 3.2 S ố liệu sử dụng tính tốn Số liệu sử dụng tính tốn nghiên cứu chuỗi số liệu sóng, gió thực đo trạm Phú Quý (19802012) Chuỗi số liệu sóng, gió phân tích, tính tốn thành số liệu sóng, gió có lượng tương đương theo hướng [5] Các kết tính tốn lượng sóng, gió tương đương trình bày Bảng Bảng Bảng 2: Năng lượng sóng tương đương theo hướng trạm Phú Quý (1980-2012) Hướng Hs (m) Ts (s) tk (ngày) Hướng Hs (m) Ts (s) tk (ngày) NE 1,57 4,8 150,69 S 1,27 4,07 2,27 E 0,65 3,11 3,81 SW 1,54 4,76 62,01 SE 0,5 2,73 0,28 W 2.25 5.7 73,2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 29 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Bảng 3: Năng lượng gió tương đương theo hướng trạm Phú Quý (1980-2012) Hướng V(m/s) Tk(ngày) Hướng V(m/s) Tk(ngày) NE 5.75 181.43 S 2.08 5.7 E 2.77 15.54 SW 5.8 48.47 SE 2.25 3.96 W 8.00 98.55 Theo kết phân tích chuỗi số liệu sóng, gió quan trắc trạm Phú Quý (1980-2012) khu vực đảo chịu ảnh hưởng hướng sóng, gió Trong có hướng chủ đạo hướng Đông Bắc, hướng Tây Nam hướng Tây, đặc trưng cho hai mùa rõ rệt Đây hướng gây dòng chảy vận chuyển bùn cát đặc trưng năm khu vực 3.3 Kịch tính tốn Dưới tác động BĐKH NBD, mực nước biển dâng cao, tạo điều kiện cho biển tiến sâu vào đất liền Để đánh giá khả xâm thực bờ bãi biển khu vực đảo Phú Quý, nhóm nghiên cứu tính tốn dự báo diễn biến bờ đảo theo kịch nước biển dâng do Bộ Tài nguyên M ôi trường công bố năm 2012 [6] Nghiên cứu sử dụng số liệu nước dâng khu vực M ũi Kê Gà – M ũi Cà M au (là nơi gần với đảo Phú Quý nhất), với phương án phát thải cao Việc lựa chọn số liệu nước dâng theo phương án phát thải cao nhằm xem xét tới tác động bất lợi mà nước biển dâng gây cho khu vực đảo Phú Quý Các số liệu nước dâng khu vực M ũi Kê Gà – Mũi Cà M au, theo kịch phát thải cao trình bày Bảng Bảng 4: S ố liệu nước dâng khu vực Mũi Kê Gà – Mũi Cà Mau, phương án phát thải cao [6] Năm 2020 2030 2050 2085 2100 Kịch KB1 KB2 KB3 KB4 KB5 H (cm) nước biển dâng 14 30 75 99 3.4 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thủy động lực khu vực đảo Phú Q Hiệu chỉnh mơ hình: M hình thủy động lực khu vực đảo Phú Quý hiệu chỉnh số số liệu mực nước đo từ ngày 1/12/2012 đến 23 ngày 31/12/2012 khu vực cầu cảng thuộc xã Tam Thanh huyện Phú Quý có 0 toạ độ: N10 30’10’’E108 57’3,9’’ Các điều kiện biên ban đầu để tính tốn hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình mực nước dịng chảy bao gồm: biên mực nước, biên sóng biên gió Hình 4: Kết hiệu chỉnh mơ hình thủy động lực Các điều kiện biên, ban đầu tham số mô hình trình bày chi tiết [1] Kết hiệu chỉnh mực nước trình bày Hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 29 - 2015 KHOA HỌC Sai số mực nước tính tốn mơ hình mực nước đo đạc đánh giá thông qua số NASH 0.97 CƠNG NGHỆ để tính tốn diễn biến mặt cắt ngang vị trí đại diện Kiểm định mơ hình dịng chảy: để kiểm định mơ hình,các số liệu dịng chảy đo máy AWAC ngồi khơi đảo Phú Quý có tọa độ: 10°28'51"N; 108°58'15"E sử dụng Thời gian đo đạc từ 8h50’ ngày 18/12/2012 đến 7h10’ ngày 03/01/2013 Hình 6: Các mặt cắt tính tốn đại diện Hình 5: Kết kiểm định mơ hình thủy động lực Các điều kiện biên, điều kiện ban đầu tham số mơ nói Kết kiểm định dịng chảy trình bày Hình Dịng chảy tính tốn thực đo có tương đồng giá trị pha Về độ lớn vận tốc dịng chảy tính tốn thực đo phù hợp thời kỳ triều cường phù hợp thời kỳ triều ảnh hưởng ma sát đáy, nhiên tổng thể kết tính tốn dịng chảy mơ hình so với thực đo chấp nhận Vì sử dụng thơng số s au hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình dịng chảy để tính tốn cho kịch khác khu vực nghiên cứu TÍNH TỐN BIẾN ĐỘNG ĐƯỜNG BỜ KHU VỰC ĐẢO PHÚ Q Để mơ biến đổi hình dạng mặt cắt ngang bãi biển khu vực phía Bắc đảo Phú Quý, nghiên cứu sử dụng mơ hình LITPROF (thuộc mơ hình LITPACK) kết hợp với mơ hình lan truyền sóng M IKE 21SW Để thuận lợi việc mơ hình hóa đường bờ khu vực nghiên cứu, bờ biển phía bắc đảo (là khu vực hướng trực diện với biển Đông thường xuyên bị xói lở liên tục) chia thành đoạn theo kết cấu đường bờ đoạn (Hình 6) Đặc điểm kết cấu đường bờ đoạn bờ đảo mô tả vắn tắt đây: - Đoạn đường bờ D1-D2, D3-D4 đoạn bờ D5-D6 có cấu tạo đường bờ đá; - Đoạn đường bờ D2-D3 D4-D5 có cấu tạo đường bờ cát Như vậy, trừ đoạn bờ có cấu tạo đá biến động theo thời gian, đoạn bờ D2-D3 D4-D5 có cấu tạo cát thường xuyên bị biến động theo mùa N ghiên cứu lự a chọn mặt cắt ngang (M CN) đại diện cho đoạn bờ để xem xét biến động bãi biển theo thời gian Vị trí M CN đại diện thể hình Các M CN đại diện lấy tới độ sâu giới hạn vận chuyển bùn cát tính toán từ [1] (độ sâu -10m) chiều dài mặt cắt đại diện 1100m M ỗi M CN chia thành 110 lưới tính với kích thước ô lưới 10m Thời gian mô cho M CN năm Các số liệu sóng, gió sử dụng tính tốn diễn biến bãi biển lư ợng sóng, gió tương đương trình bày Bảng Bảng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 29 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 7: Kết biến đổi địa hình đáy MC1 theo kịch mơ Diễn biến M CN1: Kết mô biến đổi hình dạng M C1 trình bày hình Biến đổi hình dạng M CN phân thành vùng rõ rệt Vùng thứ 1, từ mép bờ tới độ sâu -2m, có chiều rộng khoảng 320m, vùng bãi biển bị hạ thấp xói lở với mức độ hạ thấp lớn lên tới -0.7 m Vùng thứ 2, kéo dài từ độ sâu -2 đến độ sâu -6, có chiều rộng khoảng 260m, vùng thành tạo cồn ngầm, với chiều rộng cồn ngầm dao động từ 60 đến 90m cao từ 0.7 đến 2m Từ độ sâu -6 đến khơi, mặt cắt ngang không thay đổi Kết mô cho thấy xảy tượng nước biển dâng khoảng 14cm, sau khoảng 15 năm (KB2, năm 2030), bãi biển khu vực phía bắc đảo gần hết bãi bị xói lở hạ thấp Các giải pháp bảo vệ bờ đảo tương lai cần phải xem xét tới tượng Diễn biến M CN2: M ặt cắt ngang số có độ dốc bãi biển khơng đồng Căn vào độ dốc diễn biến bãi biển, chia MNC số thành vùng hình Vùng giới hạn từ độ sâu -2 đến độ sâu -10 vùng biến động mạnh nơi thành tạo cồn ngầm, với độ cao cồn ngầm dao động từ đến m Vùng giới hạn từ độ sâu -2 đến độ s âu -1, tượng hạ thấp mặt bãi chiếm ưu thế, mức độ hạ thấp mặt bãi nhỏ so với M CN 1, khoảng -0.2 đến 0.35 m Vùng có chiều rộng khoảng 150 m, tương đối ổn định, khơng có tượng bồi, xói Vùng giới hạn từ độ sâu -0.5 đến +1 vùng hình thành cồn ngầm thứ cấp, với chiều cao cồn ngầm vào khoảng 0.3m So với M CN 1, M CN có có biến động bãi mức độ hạ thấp bãi nhỏ so với M CN Tuy nhiên, vùng sườn bãi, từ độ s âu -2 đến -10 nơi có biến động bãi lớn Kết tính tốn cho thấy độ sâu vận chuyển bùn cát M CN số lớn -10m Vấn đề cần lưu ý tính tốn biến động bãi cho nghiên cứu Hình 8: Kết biến đổi địa hình đáy MC2 theo kịch mô TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 29 - 2015 KHOA HỌC TÍNH TỐN XÂM THỰC BÃI BIỂN ĐẢO PHÚ QUÝ CÔNG NGHỆ thực diễn hai phía với chiều rộng bãi biển bị xâm thực lên tới 8.5 m Các tính tốn dự báo xâm thực bãi biển thực sở kế thừa mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát, diễn biến bờ đảo M IKE 21FM hiệu chỉnh kiểm định đề tài KHCN cấp Nhà nước thuộc chương trình KC.09/11-15 (kết chi tiết xem [1]) Các kết tính tốn xâm thực đảo mơ hình M IKE21 FM kịch mơ trình bày chi tiết Bảng Kết mô xâm thực đảo kịch 2, mực nước biển dâng thêm 14cm minh họa Hình Những vùng có địa hình thấp phía tây phía bắc đảo nơi bị xâm thực mạnh, tạo điều kiện thuận lợi cho sóng biển tiến sâu vào đất liền Kết tính tốn KB2 cho thấy tổng diện tích khu vực đảo bị xâm thực 0,74Km Khu vực phía Bắc đảo, thuộc xã Long Hải nơi xảy xâm thực nhiều nhất, tượng xâm Hình 6: Xâm thực bờ đảo khu vực đảo Phú Quý, KB2 Bảng 5: Tổng hợp kết tính tốn xâm thực đảo Phú Q cho kịch Kịch KB1 KB2 KB3 KB4 KB5 Tổng diện tích xâm thực (Km2) 0.74 0.745 0.754 0.80 0.81 Khoảng cách xâm thực lớn (m) 5.8 8.5 15.8 29.4 47.5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết nghiên cứu cho thấy xu biến động đường bờ xâm thực bãi biển khu vực đảo Phú Quý ngày gia tăng tác động nước biển dâng Đối với xu biến động đường bờ, nư ớc biển dâng cao mực nư ớc tiến s âu vào phía đất liền t ạo điều kiện cho yếu tố tác động từ biển vào vùng ven bờ gia tăng dẫn đến xói lở gia tăng bãi phía trước bị hạ thấp Đối với xâm thực bãi biển, diện tích xâm thực khoảng cách xâm thực tiến sâu vào đất liền phụ thuộc vào kịch nước biển dâng địa hình khu vực chịu tác động Đối với khu vực có địa hình thấp, thoải cấu tạo cát ảnh hư ởng xâm thực xói lở lớn Như theo kết nghiên cứu nước biển dâng kết hợp với sóng s ẽ làm gần toàn bãi biển khu vực nghiên cứu đảo Phú Q uý Vấn đề xói lở gia tăng có bão kết hợp triều cường nước biển dâng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 29 - 2015 CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tuyển K.X., Tùng T.T., Dũng L.Đ., 2015, Báo cáo chun đề “Tính tốn dự báo tình hình xâm thực biển sạt lở bờ đảo Phú Quý”, Đề tài KHCN cấp Nhà nước “Nghiên cứu đánh giá biến động cực trị yếu tố KTTV biển, tác động chúng tới môi trường, phát triển KTXH đề xuất giải pháp phịng tránh cho đảo đơng dân cư thuộc vùng biển miền Trung (chủ yếu đảo Lý Sơn, đảo Phú Quý)” KC.09.15/11-15 Bộ KHCN 2015 [2] DHI Softwave 2007 Mike 21 Flow Model FM,Hydrodynamic Module DHI [3] DHI Softwave 2007 Mike LITPACK- LITPROF User Manual DHI [4] Fugro Oceanor 2006 Calibrated wave parameters off Cap Mia in Vietnam [5] Tùng T.T., Dũng L.Đ., 2012, Nghiên cứu xác định lượng sóng ven bờ cho dải ven biển miền Trung Việt Nam Tạp chí KHKT Thuỷ lợi Môi trường, số 39 , tháng 12/2012, pp46-53 [6] Bộ Tài nguyên M ôi trường, 2012 Kịch BĐKH, nước biển dâng cho Việt Nam Hà Nội [7] Phịng nghiệp vụ kinh tế hạ tầng nơng thơn huyện Phú Quý, 2014 Báo cáo trạng xâm thực, xói lở bờ đảo Phú Quý TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 29 - 2015 ... biến động đường bờ xâm thực bãi biển khu vực đảo Phú Quý, nhóm nghiên cứu tiến hành mơ hình hóa q trình động lực biển mơ hình M ike 21 M iền tính, lưới tính (hình 2) mơ hình vùng biển thuộc đảo. .. xảy xâm thực nhiều nhất, tượng xâm Hình 6: Xâm thực bờ đảo khu vực đảo Phú Quý, KB2 Bảng 5: Tổng hợp kết tính tốn xâm thực đảo Phú Q cho kịch Kịch KB1 KB2 KB3 KB4 KB5 Tổng diện tích xâm thực. .. cấu đường bờ đoạn (Hình 6) Đặc điểm kết cấu đường bờ đoạn bờ đảo mô tả vắn tắt đây: - Đoạn đường bờ D1-D2, D3-D4 đoạn bờ D5-D6 có cấu tạo đường bờ đá; - Đoạn đường bờ D2-D3 D4-D5 có cấu tạo đường