Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN oo Nguyễn Viết Quỳnh TÍNH TỐN Q TRÌNH LAN TRUYỀN SĨNG TRONG RỪNG NGẬP MẶN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN oo Nguyễn Viết Quỳnh TÍNH TỐN Q TRÌNH LAN TRUYỀN SÓNG TRONG RỪNG NGẬP MẶN Chuyên ngành: Hải Dương học Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Minh Huấn HÀ NỘI – 2012 ii Mục lục Lời cảm ơn CHƢƠNG – Q TRÌNH TIÊU TÁN NĂNG LƢỢNG SĨNG .3 TRONG RỪNG NGẬP MẶN 1.1 Rừng ngập mặn .3 1.2 Lý thuyết sóng tuyến tính phổ sóng 1.2.1 Lý thuyết sóng tuyến tính 1.2.2 Năng lượng sóng phổ lượng sóng .8 1.3 Các phƣơng pháp xác định tiêu tán lƣợng sóng .9 1.3.1 Phương pháp sử dụng hệ số ma sát đáy 10 1.3.2 Phương pháp hình khối trụ 12 CHƢƠNG - MƠ HÌNH TÍNH TỐN VÀ DỰ BÁO SĨNG SWAN 15 2.1 Giới thiệu mơ hình SWAN 15 2.2 Bổ sung tiêu tán lƣợng sóng mơ hình SWAN 22 CHƢƠNG - ÁP DỤNG MƠ HÌNH SWAN TÍNH TỐN SUY GIẢM SĨNG DO RỪNG NGẬP MẶN TẠI KHU VỰC CỬA TRÀ LÝ – THÁI BÌNH 28 3.1 Đặc điểm địa hình, hải văn khu vực nghiên cứu 28 3.1.1 Đặc điểm địa hình lƣới tính 28 3.1.2 Chế độ sóng 31 Hình 3.3a Hoa gió trạm Hòn Dáu giai đoạn 1960 - 2010 33 3.1.3 Chế độ thuỷ triều khu vực nghiên cứu 34 3.1.4 Bão nước dâng bão 35 3.1.5 Đặc điểm rừng ngập mặn 37 3.2 Kiểm nghiệm mơ hình 38 3.2.1 Thiết lập đầu vào 38 3.2.2 Kết kiểm nghiệm mô hình 40 3.3 Áp dụng mơ hình cho vùng nghiên cứu 43 3.3.1 Thiết lập số liệu đầu vào cho mơ hình 43 3.3.2 Nhận xét kết mô chế độ sóng 44 Kết luận đề xuất 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………… ………………………… … 65 iii Mở đầu Rừng ngập mặn (RNM) phát triển chủ yếu tồn sinh trưởng khu vực bờ biển ngập nước Rừng ngập mặn giới rải rác chủ yếu khu vực nhiệt đới cận nhiệt đới chúng khơng chịu lạnh giá ( Taal, 1994) Trong khứ rừng ngập mặn xem vô dụng kết chúng bị biến nhanh chóng [3] Chỉ gần rừng ngập mặn nhận hệ sinh thái quan trọng, không vẻ đẹp mà cịn tầm quan trọng ổn định đường bờ biển môi trường nuôi dưỡng nhiều sinh vật biển Đặc biệt khu rừng ngập mặn gần bờ làm giảm độ cao sóng chí sóng thần Tháng năm 1996, bão số (Frankie) với sức gió 103 ÷ 117 km/giờ đổ vào huyện Thái Thụy (Thái Bình) nhờ có dải RNM bảo vệ nên đê biển nhiều bờ đầm khơng bị hư hỏng, lúc huyện Tiền Hải phá phần lớn RNM nên bờ đầm bị xói lở bị phá vỡ Năm 2005, vùng ven biển huyện Thái Thụy không nằm tâm bão số (Damrey) sóng cao sông Trà Lý làm sạt lở 650m đê nơi khơng có RNM thơn Tân Bồi, xã Thái Đơ lúc phần lớn tuyến đê có RNM xã khơng bị sạt lở thảm dày đặc làm giảm đáng kể cường độ sóng Trận sóng thần khủng khiếp Ấn Độ Dương tháng 12 năm 2004, Kathiresan and Rajendran (2005) cho thấy tầm quan trọng rừng ngập mặn việc làm suy giảm ảnh hưởng sóng thần.Ví dụ, Indonesia tâm sóng thần gần với đảo Simeuleu, nhiên số lượng người chết đặc biệt thấp diện khu rừng ngập mặn với mật độ dày đặc, phía đơng nam Ấn Độ, thiệt hại kinh tế người vùng có rừng ngập mặn rậm rạp Do tầm quan trọng to lớn chúng, rừng ngập mặn hệ sinh thái rừng ngập mặn trọng nghiên cứu thời gian gần hiểu biết chúng hạn chế Thiếu trầm trọng nghiên cứu động lực nghiên cứu tương tác trầm tích học thủy động học Đặc biệt, nghiên cứu q trình lan truyền sóng rừng ngập mặn không nhiều Trong bối cảnh vậy, lựa chọn “Tính tốn q trình lan truyền sóng rừng ngập mặn” tên đề tài nghiên cứu Bố cục luận văn gồm chương phần kết luận: Chương 1: Quá trình tiêu tán lượng sóng rừng ngập mặn Chương 2: Mơ hình tính tốn dự báo sóng SWAN Chương 3: Áp dụng mơ hình SWAN tính tốn suy giảm lượng sóng rừng ngập mặn khu vực cửa Trà Lý – Thái Bình Kết luận kiến nghị CHƢƠNG – QUÁ TRÌNH TIÊU TÁN NĂNG LƢỢNG SÓNG TRONG RỪNG NGẬP MẶN 1.1 Rừng ngập mặn [4,6] Rừng ngập mặn (RNM) rừng có loại đặc biệt, thường mọc ranh giới phần đất tiếp giáp bờ biển biển, vùng nhiệt đới cận nhiệt đới RNM thường phát triển vùng triều, mực nước biển trung bình mực nước triều lớn Phía ngồi biển rừng ngập mặn thường vùng đất bùn, với độ dốc khoảng 1:1000 Phía sau RNM đê biển, đầm muối khu vực dân cư sinh sống Phía RNM mọc song song với đường bờ biển với nhiều lồi khác Hình 1.1 Cấu trúc rừng ngập mặn 0 Trên giới RNM giới hạn từ vĩ độ 30 N 30 S Phía bắc giới hạn 0 Nhật Bản (31 22’N Bermuda (32 20’N)) Phía nam giới hạn New Zealand 0 (38 03’S) Australia (38 45’) bờ phía tây Nam phi (32 59’) (theo Spalding 1997) RNM thường mở rộng phía bờ biển ấm phía đơng Châu Mĩ Châu Phi phía bờ biển lạnh phía tây Sự khác biệt xảy phân bố dịng chảy nóng, lạnh đại dương Nguồn gốc rừng ngập mặn ven biển Việt Nam, theo nhiều tác giả, trung tâm hình thành ngập mặn Indonesia Malaysia (Cương, 1964, Chapman, 1975) từ phát tán nơi khác Theo Phan Nguyên Hồng vận chuyển nguồn giống vào Việt Nam chủ yếu dòng chảy đại dương dòng chảy ven bờ Gió mùa Tây Nam vào mùa hè đưa dịng chảy mang giống từ phía Nam lên, đến vĩ độ 12 dịng chảy chuyển hướng khơi nên số lồi khơng phát tán bờ biển phía Bắc Chính số lồi phong phú phía Nam khơng có mặt phía Bắc Phân bố rừng ngập mặn vùng ven biển Việt Nam, dựa vào yếu tố địa lý, RNM Việt nam chia làm khu vực (theo Phan Nguyên Hồng, 1999) sau: - Khu vực 1: Ven biển Đông bắc, từ mũi Ngọc đến mũi Đồ Sơn Đặc điểm quần xã RNM hệ thực vật gồm lồi ưa mặn chịu muối giỏi, khơng có lồi ưa lợ Thành phần lồi nghèo Miền Nam (24 loài) Hầu hết loài ngập mặn đước vòi, vẹt dù, trang, sú lại gặp Nam Bộ - Khu vực 2: Ven biển đồng Bắc bộ, từ mũi Đồ Sơn đến mũi Lạch Trường Quần xa ̃cây ngâpp̣ măṇ gồm lồi ưa nước lơ p̣, đólồi ưu thếnhất bần chua , trang Dưới tán bần làsúvàô rô , tạo thành tầng bụi ; môṭsố nơi sú ô rô phát triển thành đám - Khu vực 3: Ven biển Trung bộ, từ mũi Lạch Trường đến mũi Vũng Tàu Do địa hình trống trải sóng lớn, bờ dốc, nên nói chung khơng có RNM dọc bờ biển, trừ bờ biển hẹp phía tây bán đảo nhỏ Nam Trung Bộ Phía cửa sông, ngập mặn mọc tự nhiên, phân bố khơng ảnh hưởng địa hình tác động cát bay - Khu vực 4: Ven biển Nam bộ, từ mũi Vũng Tàu đến mũi Nải – Hà Tiên Điều kiện sinh thái thuận lợi cho RNM sinh trưởng phát triển mạnh, thành phần ưa mặn chiếm ưu thế, chủ yếu đước, vẹt, sú, dà Dọc triền sơng phía trong, quần thể mấm lưỡi địng phát triển với lồi dây leo cốc kèn Sâu vào nội địa dừa nước mọc tự nhiên hay trồng thành bãi Hình 1.2 Phân bố rừng ngập mặn đầm phá vùng biển Việt nam (nguồn:Phân viện Hải Dương học Hà Nội ) 1.2 Lý thuyết sóng tuyến tính phổ sóng [6] 1.2.1 Lý thuyết sóng tuyến tính Sóng miêu tả cách tổng qt lý thuyết sóng tuyến tính hay lý thuyết sóng Airy (Airy, 1845) Trong đó: - Độ sâu nước số - Chuyển động sóng hai chiều - Sóng chuyển động dạng định bất biến theo thời gian - Chất lỏng không nén - Nhớt, rối sức căng bề mặt bỏ qua - Chiều cao sóng (H) nhỏ so với chiều dài sóng (L) độ sâu (d) Phương trình điều chỉnh vận tốc vị  (Young, (1999)), 2 x Điều kiện biên động lực bề mặt:  z  t Điều kiện biên đáy:  z Hình 3.17a Trường độ cao sóng lưới tinh mực nước 0.5 m có RNM mật độ cây/m Hình 3.17b Trường độ cao sóng lưới tinh mực nước 1.86 m có RNM mật độ cây/m 57 Hình 3.17c Trường độ cao sóng lưới tinh mực nước 3.5m có RNM mật độ cây/m Tuy nhiên, độ cao sóng giảm mạnh vào rừng ngập mặn có mật độ lớn Với mật độ rừng cây/m , mực nước 3.5 m độ cao sóng giảm từ 0.75 m ngồi bìa rừng cịn 0.006 m vào bờ Khi số vùng nghiên cứu tăng lên, tức mật độ tăng đường kính thân ngập mặn tăng lên độ cao sóng giảm nhiều Xu hướng biến đổi độ cao sóng vào RNM thay đổi mật độ với mực nước khác tương tự với RNM với mật độ 0.5 cây/m2, tức mực nước 1.86 m làm giảm sóng nhiều ảnh hưởng vòm đến tiêu tán lượng sóng Trong mực nước 3.5 m, khơng cịn ảnh hưởng RNM đến tiêu tán lớp nước phía vịm nên suy giảm sóng nhỏ hơn, xem hình 3.18a,b,c; 3.19a,b,c 58 (m) Hs Hs (m) Hình 3.18a Biến đổi độ cao sóng vào RNM theo mật độ khác Hình 3.18b Biến đổi độ cao sóng vào RNM theo mật độ khác (m) Hs Hình 3.18c Biến đổi độ cao sóng vào RNM theo mật độ khác mực nước 3.5 m 59 (/500m) - HL)/Hs = (Hs R R = (Hs - HL)/Hs (/1000m) Hình 3.19a Suy giảm sóng vào RNM với mật độ khác HL)/- (/1500m) Hs Hình 3.19b Suy giảm sóng vào RNM với mật độ khác = (Hs R Hình 3.19c Suy giảm sóng vào RNM với mật độ khác vị trí 1500 m cách bìa rừng 60 - HL)/Hs (/2000m) (Hs R= Hình 3.19d Suy giảm sóng vào RNM với mật độ khác vị trí 2000 m cách bìa rừng Sự thay đổi mật độ rõ ràng ảnh hưởng đến suy giảm độ cao sóng vùng nghiên cứu Xem xét mối quan hệ R Nv , R = (Hkhơng RNM – Hcó RNM)/ Hkhơng RNM, Nv mật độ RNM Tại vị trí 1500 m, mực nước 3.5 m, mật độ rừng 0.5 cây/m độ cao sóng giảm 79 % so với khơng có RNM Mật độ rừng 2 cây/m , tức mật độ tăng thêm 0.5 cây/m , độ cao sóng giảm thêm 10% 2 so với khơng có RNM Mật độ rừng 1.82 cây/m , tức Nv =1.32 cây/m , độ 2 cao sóng giảm thêm 5% Khi mật độ rừng cây/m , Nv = 2.5 cây/m , độ cao 2 sóng giảm thêm 3% Khi mật độ rừng cây/m , tức Nv = 3.5 cây/m , độ cao sóng giảm thêm 1% Khi mật độ rừng cây/m độ cao sóng giảm thêm 1% Nhận thấy Nv tăng R tăng, nhiên mật độ RNM lớn cây/m độ cao sóng giảm thêm khơng đáng kể Xu hướng diễn tương tự cho mực nước 0.5 m 1.86 m, rõ ràng sóng vào gần bờ (xem hình 3.20a,b,c,d đây) 61 Ảnh hư RNM 0.9 0.8 RNM)/H khơng 0.7 0.6 - H có 0.5 RNM 0.4 không 0.2 R = (H 0.3 0.1 0 0.5 Hình 3.20a Ảnh hưởng mật độ đến suy giảm sóng Ảnh hưởng mật độ đ khơngRNM 0.9 0.8 có RNM)/H 0.7 0.6 -H 0.5 RNM 0.4 (H không 0.3 R= 0.2 0.1 0 Hình 3.20b Ảnh hưởng mật độ đến suy giảm sóng Ảnh h - Hcó RNM)/H khơng RNM 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 RNM 0.7 không 0.65 R=(H 0.6 0.55 0.5 Hình 3.20c Ảnh hưởng mật độ đến suy giảm sóng vị trí 1500 m cách bìa rừng 62 RNM khơng /H RNM) - H có RNM khơng = (H R Hình 3.20d Ảnh hưởng mật độ đến suy giảm sóng vị trí 2000 m cách bìa rừng Như ảnh hưởng mật độ RNM đến suy giảm sóng rõ ràng, mật độ tăng tốc độ suy giảm sóng (r) tăng hay độ cao sóng giảm Với mục đích lựa chọn mật độ ổn định cho khu vực nghiên cứu, đảm bảo độ cao sóng nhỏ phía sau rừng ngập mặn đảm bảo tính bền vững cho RNM Mật độ rừng nên lựa chọn cây/m bề rộng rừng khoảng từ 500 tới 1000 m cho khu vực nghiên cứu 63 Kết luận đề xuất Các dải rừng ngập mặn vùng ven khơng có ý nghĩa to lớn mặt sinh thái mà cịn có vai trị quan trọng việc bảo vệ bờ biển Luận văn tiến hành thiết lập điều kiện cho mơ hình thủy động lực-sóng SWAN 40.85 có bổ sung tiêu tán lượng sóng thực vật để mơ lan truyền sóng RNM dựa đặc điểm RNM đường kính thân, chiều cao cây, mật độ cây, từ kết phân tích so sánh trườnng hợp khơng có rừng ngập mặn có ảnh hưởng rừng ngập mặn có thay đổi mật độ rừng ngập mặn có số kết luận sau: - Triển khai thành cơng mơ hình SWAN có bổ sung thêm hiệu ứng cây, lưới lồng cho kịch lan truyền sóng qua vùng có khơng có tồn rừng ngập mặn Khi lan truyền vào rừng ngập mặn độ cao sóng giảm tốc độ suy giảm mực nước khác Với mực nước nhỏ rễ đóng vai trị quan trọng q trình tiêu tán sóng Khi mực nước tăng vai trị vịm trở nên quan trọng - Sự suy giảm lượng sóng phụ thuộc vào mật độ phân bố thân ngập mặn Số ngập mặn tăng độ cao sóng giảm - Từ kết nghiên cứu xác định mật độ ổn định cho khu vực nghiên cứu cây/m Độ rộng rừng đề xuất khoảng 500 – 1000 m Nếu rải rừng rộng 1000 m, ngâp mặn cao khoảng 1.95m làm giảm độ cao sóng m ngồi khơi cịn 0.07m vào bờ - Đã làm rõ thêm vai trò quan trọng rừng ngập mặn, đặc biệt giai đoạn ứng phó với biến đổi khí hậu, mực nước biển tăng Kiến nghị nên phục hồi trồng rừng ngập mặn tất vùng ven bờ biển có điều kiện trồng để bảo vệ đường bờ tài sản người dân sinh sống ven biển 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO bờ Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, 2005, Mơ hình tính sóng vùng ven Nguyễn Minh Huấn, 2010, Nghiên cứu phát triển ứng dụng công nghệ dự báo hạn ngắn trường yếu tố thủy văn biển khu vực Biển Đơng Đề tài thuộc Chương trình " Khoa học công nghệ biển phục vụ phát triển bền vững kính tế xã hội " La Thị Cang, Võ lương Hồng Phước, 2002, Sự ảnh hưởng mật độ thân ngập mặn lên suy giảm sóng, Tuyển tập Báo cáo Khoa học Hội nghị Khoa học “Biển Đông - 2002” , Trường đại học khoa học tự nhiên Tp Hồ Chí Minh – Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Phan Nguyên Hồng, 1999, Rừng ngập mặn Việt Nam, NXB Nông nghiệp Hà nội Vũ Duy Vĩnh, Trần Anh Tú, Trần Đức Thạnh, Vũ Đồn Thái, 2010, Vai trị làm giảm tác động dịng chảy, sóng rừng ngập mặn khu vực ven bờ Bàng La – Đại Hợp (Hải Phịng), Hội nghị khoa học Cơng nghệ biển toàn quốc lần thứ V B.Burger, Thesis, September 2005, Wave attenuation in Mangrove Forest, M.Sc Madza, Y., E Wolenski, B King, A.Sase, D Ohtsuka & M Magi, 1997, Drag force due to vegetation in Mangroves and Salt Marshes (3) 193 – 199 Madza, YM Magi, M Kogo & P.N Hong, 1997, Mangroves as a coastal protection from waves in the Tong King Delta, Vietnam Mangroves and Salt Marshes 127 – 135 Delft University of Technology, 1993 – 2011, Swan scientific and technical documentation Swan cycle III version 40.85 http://thaibinh.gov.vn/ct/introduction/Lists/dktn/View_Detail.aspx? ItemID=26 10 65 ... thủy động học Đặc biệt, nghiên cứu trình lan truyền sóng rừng ngập mặn khơng nhiều Trong bối cảnh vậy, lựa chọn ? ?Tính tốn q trình lan truyền sóng rừng ngập mặn? ?? tên đề tài nghiên cứu Bố cục luận... CHƢƠNG – QUÁ TRÌNH TIÊU TÁN NĂNG LƢỢNG SÓNG .3 TRONG RỪNG NGẬP MẶN 1.1 Rừng ngập mặn .3 1.2 Lý thuyết sóng tuyến tính phổ sóng 1.2.1 Lý thuyết sóng tuyến tính ... Trà Lý – Thái Bình Kết luận kiến nghị CHƢƠNG – QUÁ TRÌNH TIÊU TÁN NĂNG LƢỢNG SÓNG TRONG RỪNG NGẬP MẶN 1.1 Rừng ngập mặn [4,6] Rừng ngập mặn (RNM) rừng có loại đặc biệt, thường mọc ranh giới phần