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

Lời cảm ơn! Lời đầu tiên, tác giả xin đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Duy Kiều – Trƣờng Đại học Tài nguyên Môi trƣờng Hà Nội, GS.TS Phạm Thị Hƣơng Lan – Trƣờng Đại học Thủy lợi tận tình giúp đỡ, bảo, hƣớng dẫn cho học viên hoàn thành đƣợc luận văn Tác giả trân trọng gửi lời cảm ơn đến thầy, cô Khoa Thủy văn Tài nguyên nƣớc – Trƣờng Đại học Thủy lợi tận tình truyền đạt kiến thức, bảo cho học viên suốt thời gian học tập trƣờng Tác giả gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể Lớp 24V21 – Niên khóa 2016-2018 – Trƣờng Đại học Thủy lợi, gia đình bạn bè giúp đỡ, cổ vũ, động để học viên hồn thành tốt luận văn Học viên xin gửi lời cảm ơn đến nhóm cộng tác viên thực đề tài NCKH cấp Bộ “Nghiên cứu đánh giá thay đổi số đặc trưng lưu vực sông Lam phục vụ theo dõi, giám sát phát triển bền vững nguồn nước”, mã số TNMT.2016.05.28 cung cấp sở liệu, phƣơng pháp luận số kết nghiên cứu để học viên thực đƣợc nội dung nghiên cứu 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 CHƢƠNG TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CỬA SÔNG VEN BIỂN 1.1 Một số khái niệm vùng cửa sông ven biển .5 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân đoạn cửa sông .6 1.2 Một số nghiên cứu nƣớc liên quan đến vấn đề nghiên cứu 1.2.1 Trên giới 1.2.2 Ở Việt Nam .11 1.3 Tổng quan khu vực nghiên cứu 16 1.3.1 Đặc điểm điều kiện địa lý tự nhiên 16 1.3.2 Đặc điểm khí tƣợng – thủy văn 17 1.3.3 Đặc điểm thủy triều 19 1.4 Nhận xét chƣơng .20 CHƢƠNG SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .22 2.1 Phƣơng pháp nghiên cứu .22 2.1.1 Phƣơng pháp viễn thám GIS đánh giá biến đổi hình thái cửa sông ven biển sông Lam 22 2.1.2 Phƣơng pháp phân tích, thống kê phân tích trƣờng gió vùng cửa biển sông Lam 29 2.1.3 Phƣơng pháp mơ hình tốn 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 Lam Số liệu phục vụ đánh giá biến đổi hình thái cửa sơng ven biển sông 39 2.2.2 Lam Số liệu phục vụ đánh giá đặc điểm thủy động lực cửa sông ven biển sông 40 2.3 Nhận xét chƣơng .41 CHƢƠNG 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 sơng ven biển sơng Lam 42 i 3.2 Đặc điểm trƣờng gió vùng cửa sơng ven biển sơng Lam 52 3.2.1 Kết phân tích tốc độ gió 52 3.2.2 Kết phân tích hƣớng gió .54 3.3 Hiệu chỉnh kiểm đinh mơ hình thủy động lực chiều 57 3.3.1 Điều kiện biên 57 3.3.2 Kịch tính toán .59 3.3.3 Kết hiệu chỉnh kiểm định .60 3.4 Phân tích, đánh giá đặc điểm thủy động lực vùng ven biển sông Lam .63 3.4.1 Trƣờng sóng khu vực cửa sơng ven biển sơng Lam 63 3.4.2 Trƣờng dịng chảy khu vực cửa sông ven biển sông Lam 65 3.4.3 Đánh giá khả thoát lũ vùng cửa sông ven biển sông Lam 68 3.5 Nhận xét chƣơng .72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 78 ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Một số đặc trƣng 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 tính tốn tốc độ gió theo số tần suất thiết kế .54 Bảng 3-2: Đặc điểm điều kiện biên sử dụng mơ hình MIKE 21 .58 Bảng 3-3: Kịch nghiên cứu chế độ thủy động lực cửa biển sông Lam 59 Bảng 3-4: Phƣơng án đánh giá khả thoát lũ cửa biển sông Lam 59 Bảng 3-5: Chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng mơ mơ hình MIKE 21 .62 Bảng 3-6: Bộ thơng số mơ hình MIKE 21 63 iii DANH MỤC HÌNH Hình 1-1: Phân đoạn cửa sơng theo địa hình cửa Hình 1-2: Bản đồ hệ thống mạng lƣới sơng thuộc hệ thống sơng Lam 16 Hình 1-3: Khu vực cửa sông ven biển sông Lam 17 Hình 2-1: Đặc trƣng phổ phản xạ số đối tƣợng tự nhiên 22 Hình 2-2: Lƣới tính tốn phi cấu trúc dạng chiều 37 Hình 2-3: Số liệu mặt cắt địa hình ngồi khơi vùng cửa sơng ven biển sơng Lam 41 Hình 3-1: Cơng cụ Landsat Toolbox phân tích hình thái cửa sơng ven biển 42 Hình 3-2: Tính tốn số NDVI .43 Hình 3-3: Phân tách đất nƣớc .44 Hình 3-4: Đƣờng bờ cửa sông ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng 10 năm 1990 45 Hình 3-5: Đƣờng bờ cửa sông ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng 10 năm 1995 46 Hình 3-6: Đƣờng bờ cửa sơng ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng năm 2000 47 Hình 3-7: Đƣờng bờ cửa sông ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng 10 năm 2005 48 Hình 3-8: Đƣờng bờ cửa sông ven biển sông Lam theo ảnh Landsat tháng 10 năm 2010 49 Hình 3-9: Đƣờng bờ cửa sơng ven biển sơng Lam theo ảnh Landsat tháng 10 năm 2015 50 Hình 3-10: Sự biến đổi hình thái cửa biển sông Lam qua năm 51 Hình 3-11:Đƣờng tần suất gió trạm Hịn Ngƣ .54 Hình 3-12: Hoa gió trạm Hịn Ngƣ 56 Hình 3-13: Lƣới tính khu vực cửa sông ven biển sông Lam 57 Hình 3-14: Địa hình điều kiện biên khu vực cửa sông ven biển sông Lam 57 Hình 3-15: Hằng số điều hịa khu vực nghiên cứu năm 2010 58 Hình 3-16: Hình thái địa hình cửa biển sơng Lam mùa lũ năm 1995 (PA1) .59 iv Hình 3-17: Hình thái địa hình cửa biển sơng Lam mùa lũ năm 2010 (PA2) .60 Hình 3-18: Hình thái địa hình cửa biển sơng Lam mùa lũ năm 2015 (PA3) .60 Hình 3-19: Q trình mực nƣớc thực đo tính tốn Chợ Tràng (3 /2010) Hiệu chỉnh mơ hình MIKE21 61 Hình 3-20: Quá trình mực nƣớc thực đo tính tốn Cửa Hội (3 /2010) Hiệu chỉnh mơ hình MIKE21 61 Hình 3-21: Quá trình mực nƣớc thực đo tính tốn Chợ Tràng (10 /2010) Kiểm định mơ hình MIKE21 61 Hình 3-22: Quá trình mực nƣớc thực đo tính tốn Cửa Hội (10 / 2010) Kiểm định mơ hình MIKE21 62 Hình 3-23: Trƣờng sóng khu vực cửa biển sơng Lam với hƣớng gió 450 – thời kì triều cƣờng 63 Hình 3-24: Trƣờng sóng khu vực cửa biển sơng Lam với hƣớng gió 1350 – thời kì triều cƣờng 64 Hình 3-25: Trƣờng sóng khu vực cửa biển sơng Lam với hƣớng gió 450 – thời kì triều 64 Hình 3-26: Trƣờng sóng khu vực cửa biển sơng Lam với hƣớng gió 1350 – thời kì triều 65 Hình 3-27: Trƣờng dịng chảy khu vực cửa biển sơng Lam hƣớng gió NE - thời kì triều cƣờng tháng 10 năm 2010 .66 Hình 3-28: Trƣờng dịng chảy khu vực cửa biển sơng Lam hƣớng gió SE - thời kì triều cƣờng tháng 10 năm 2010 .67 Hình 3-29: Trƣờng dịng chảy khu vực cửa biển sơng Lam hƣớng gió NE - thời kì triều tháng năm 2010 67 Hình 3-30: Trƣờng dịng chảy khu vực cửa biển sơng Lam hƣớng gió SE - thời kì triều tháng năm 2010 68 Hình 3-31: Trƣờng dịng chảy cửa sơng ven biển sơng Lam theo PA1 68 Hình 3-32: Trƣờng dịng chảy cửa sơng ven biển sơng Lam theo PA2 69 Hình 3-33: Trƣờng dịng chảy cửa sơng ven biển sơng Lam theo PA3 69 Hình 3-34: Trƣờng vận tốc khu vực cửa sông ven biển sơng Lam theo PA1 70 Hình 3-35: Trƣờng vận tốc khu vực cửa sông ven biển sông Lam theo PA2 70 Hình 3-36: Trƣờng vận tốc khu vực cửa sông ven biển sông Lam theo PA3 71 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 2D 3D BVI DEM DVI EU GIS GVI HVCH KB1 KB2 KB3 KHCN LVI LST NDVI PA1 PA2 PA3 SMS TREM RVI YVI Two-dimensions Three-dimensions Brown vegetation index Digital elevation model Difference vegetion index European Union Geographic Information System Green vegetation index Học viên cao học Kịch Kịch Kịch Khoa học công nghệ Light vegetation index Land surface temperature Normalized difference vegetation index Phƣơng án Phƣơng án Phƣơng án Surface-water Modeling System Two-dimensional Rinereb Evolution Model Ratio vegetion index Yellow vegetation index vi MỞ ĐẦU Vùng cửa sông ven biển vùng chịu tƣơng tác mơi trƣờng nƣớc biển nƣớc ngọt, hình thành môi trƣờng nƣớc lợ (brackishwater) với pha trộn tính chất mơi trƣờng nƣớc biển nƣớc nội địa Hoạt động thủy triều tác động lên vùng hình thành hệ sinh thái thủy sinh vơ đa dạng phong phú, có ảnh hƣởng đến hoạt động sản xuất phát triển kinh tế vùng Vùng cửa sông ven biển nơi tiếp nhận nguồn dinh dƣỡng hữu dồi bắt nguồn từ sông nhƣ đƣợc bổ sung từ biển, nguồn cung cấp thức ăn dồi để hỗ trợ cho sống nhiều loại sinh vật khác Thực tế, vùng cửa sông ven biển đƣợc coi vùng có suất sinh học cao vào loại bậc hành tinh Các nghiên cứu vùng cửa sơng ven biển nhằm tính tốn diễn biến phát triển hình thái chủ yếu tập trung vào nghiên cứu trình thủy thạch động lực bao gồm sóng, triều, dịng chảy, xâm nhập mặn v.v q trình vận chuyển bùn cát gây diễn biến hình thái Các vấn đề đƣợc thực dựa số liệu quan trắc trƣờng, nghiên cứu mơ hình vật lý, mơ hình tốn Mơ hình tốn cơng cụ có tính tiện ích lớn, đƣợc nhiều quốc gia quan tâm phát triển có nhiều mơ hình có tính thƣơng mại cao, đƣợc sử dụng phổ biến nhiều nƣớc, cho dự án quan trọng quốc gia khác Tuy nhiên, phải nói mơ hình tốn khơng phải cơng cụ vạn tính sai phụ thuộc nhiều vào độ tin cậy điều kiện biên, tập hàm vào mà phải có trƣớc áp dụng chúng Chẳng hạn mơ hình thủy thạch động lực cần số liệu mực nƣớc, dịng chảy, sóng, bùn cát biên nhƣ điểm hệ thống để hiệu chỉnh kiểm định thơng số với độ xác cho phép mô Nhƣng thực tế, số liệu mà có vừa ngắn, lại khơng đồng bộ, độ xác khơng cao khó khẳng định mơ hình cho kết chấp nhận đƣợc Việc ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với phƣơng pháp đồ GIS nghiên cứu biến động vùng bờ biển phát triển cửa sông đƣợc thực vào thập kỷ gần có đóng góp có ý nghĩa nhƣ: xác lập vị trí đƣờng bờ biển, xây dựng đồ trạng biến động đƣờng bờ biển, thành lập đồ trạng bồi tụ - xói lở cho dải ven biển, phân tích q trình phát triển biến động cửa sơng ven biển vùng đồng bằng, nghiên cứu sa bồi luồng tàu, q trình bồi tụ - xói lở bờ biển, bồi lấp dịch chuyển lịng dẫn cửa sơng vùng cửa sông ven biển nƣớc ta Cho đến nay, nhiều vấn đề qui luật diễn biến cửa sơng, bờ biển, chế q trình bồi tụ, xói lở chƣa đƣợc giải thoả đáng Chƣa có đƣợc qui trình thống khảo sát đo đạc dịng bồi tích q trình vận chuyển bùn cát vùng ven bờ biển, cửa sơng Chƣa có đƣợc qui trình cơng nghệ dự báo q trình bồi tụ, xói lở vùng biển, cửa sơng Nhiều giải pháp cơng trình đƣa cịn mang tính đơn lẻ, địa phƣơng, nên áp dụng giảm thiểu đƣợc xói lở, bồi tụ khu vực lại xảy tai biến vùng lân cận Vấn đề liên kết nghiên cứu ngành khác theo cách tiếp cận nhân chƣa đƣợc quan tâm, bị giới hạn mục tiêu riêng biệt Mối quan hệ trình thủy động lực cửa sông, ven biển với hoạt động khai thác bề mặt lƣu vực nhƣ chặt phá rừng, xây dựng hệ thống hồ thủy lợi, thủy điện, xây dựng hệ thống sở hạ tầng chƣa nghiên cứu chi tiết, thỏa đáng, đặc biệt chƣa xét đến tác động biến đổi khí hậu tới biến động cửa sơng, ven biển Vì vậy, học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá thay đổi hình thái đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam” để thực nhằm góp phần cung cấp thêm sở phƣơng pháp luận giúp nhà quy hoạch, quản lý có nhũng giải pháp phù hợp việc khai thác, phát triển tiềm khu vực cửa sông ven biển sơng Lam nói riêng cửa sơng ven biển nƣớc ta nói chung Mục tiêu - Nghiên cứu đánh giá đƣợc thay đổi hình thái cửa sơng ven biển sơng Lam từ việc giải đốn ảnh viễn thám; - Nghiên cứu đặc điểm thủy động lực vùng cửa sơng ven biển sơng Lam ảnh hƣởng đến thoát lũ Cách tiếp cận Với mục tiêu đánh giá đƣợc thay đổi hình thái đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam, mặt khác vùng cửa sông ven biển nơi tranh chấp nƣớc mặn biển nƣớc sơng lục địa, thay đổi từ chế độ thủy văn sông sang chế độ thủy văn biển, chế độ nƣớc cửa sông biến động kéo theo đặc tính lý hóa, sinh học mơi trƣờng nƣớc, dịng thủy thạch biến động theo Vì để giải đƣợc tốn đề ra, hƣớng tiếp cận đƣợc lựa chọn đề tài bao gồm: - Tiếp cận kế thừa: Đây cách tiếp cận thiếu tất cơng trình nghiên cứu nhằm nắm vững phƣơng pháp kết nghiên cứu cơng trình nghiên cứu ngồi nƣớc trƣớc Kế thừa kết có, đồng thời nắm bắt đƣợc thông tin để tiến hành phối hợp với đơn vị liên quan việc thực nội dung luận văn - Tiếp cận tổng hợp đa ngành: Cửa sông ven biển sông Lam khu vực nhạy cảm, dễ bị tổn thƣơng, thƣờng xuyên chịu nhiều tác động bất lợi dòng chảy, thủy triều, sóng gió Do đó, để đƣa đƣợc sở khoa học nhằm xem xét biến đổi hình thái đặc điểm thủy động lực cần phải tiến hành theo hƣớng tiếp cận tổng hợp đa ngành - Tiếp cận phƣơng pháp công nghệ mới: Để tránh bất cập, giảm chi phí trình nghiên cứu cần thiết phải áp dụng cơng cụ đại có có nhằm nâng cao hiệu đảm bảo độ tin cậy cho kết nghiên cứu, nhƣ tính khả thi, khả dụng giải pháp đề xuất Hình A - Hướng tiếp cận đề tài Phương pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp kế thừa: Phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhằm phân tích tổng hợp nguồn tài liệu, số liệu thơng tin có liên quan từ đề tài thực trƣớc đây, từ đƣa đƣợc phƣơng pháp, cơng nghệ, giải pháp thích hợp cho tốn đặt - Phƣơng pháp thống kê, phân tích, tổng hợp: Đƣợc sử dụng để đánh giá đặc điểm, tính chất xu biến đổi đƣờng bờ; đặc điểm trƣờng gió trƣờng sóng; đặc điểm thủy động lực vùng cửa sơng ven biển sông Lam - Phƣơng pháp viễn thám GIS: Ứng dụng cơng nghệ giải đốn ảnh viễn thám để phân tích xác định đƣờng bờ cho khu vực cửa sông ven biển sông Lam giai đoạn 1990 - 2015, sau đánh giá thay đổi hình thái cho khu vực Dữ liệu ảnh Landsat đƣợc thu thập từ Website: http://glovis.usgs.gov, bao gồm Landsat 4-5 (LT5), Landsat (LE7), Landsat (LC8) với Path = 126, Row = 47 ... QUẢ ĐÁNH GIÁ SỰ BIẾN ĐỔI HÌNH THÁI VÀ ĐẶC ĐIỂM THỦY ĐỘNG LỰC CỬA SÔNG VEN BIỂN SƠNG LAM 42 3.1 Đặc điểm hình thái cửa sông ven biển sông Lam 42 i 3.2 Đặc điểm trƣờng gió vùng cửa sông ven. .. Nghiên cứu đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam ảnh hƣởng đến lũ Cách tiếp cận Với mục tiêu đánh giá đƣợc thay đổi hình thái đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam, ... đánh giá biển đổi hình thái đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông ven biển sông Lam Trong chƣơng 3, luận văn tập trung việc ứng dụng mơ hình tốn việc đánh giá đặc điểm thủy động lực vùng cửa sông