2.2. Điều kiện tự nhiên
2.2.5. Đặc điểm hải văn
Sóng biển: Do đặc điểm của vùng cửa sơng Bạch Đằng nằm trong vũng Đồ
Sơn – Cát Bà nên tác động của sóng vùng cửa sơng khơng lớn, chủ yếu là tác động mạnh đến các vùng bờ ngầm cửa sơng. Chế độ sóng thay đổi theo mùa : mùa đơng (XII – III), hƣớng sóng chính ở ngồi khơi là Đơng Bắc (61%), Đ (15%), ven bờ là
(VI – IX), hƣớng sóng thịnh hành ngồi khơi là N, TN, Đ với tần suất tổng cộng dao động từ 40 -75%, trong đó sóng hƣớng N chiếm ƣu thế với 37%. Vùng ven bờ có hƣớng chính là ĐN với tần suất trung bình 24%. Độ cao sóng trung bình ngồi khơi từ 1,2 – 1,4m, ven bờ 0,8m; độ cao sóng lớn nhất ngồi khơi là 7 – 8m và ven bờ 5 – 6m (bảng 2.7). Các cấp sóng có độ cao lớn đều xuất hiện trong trƣờng hợp bão đổ bộ. Khi có bão, sóng lớn ngồi khơi hầu nhƣ xuất hiện cả 8 hƣớng cơ bản và ven bờ là hƣớng Đ, ĐB, ĐN. Trong các mùa chuyển tiếp : tháng IV – V hƣớng sóng chủ đạo ngoài khơi chuyển dần từ ĐB sang N, ven bờ chuyển từ Đ sang ĐN; tháng X – XI có hƣớng ngƣợc lại, sóng thịnh hành ngồi khơi là ĐB và ven bờ là Đ. Trong giai đoạn chuyển tiếp cƣờng độ sóng giảm đáng kể.
Bảng 2.7. Đặc trƣng độ cao sóng trạm Hịn Dấu (m) [16]
Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Trung
bình 0.62 0.59 0.62 0.64 0.75 0.76 0.85 0.63 0.60 0.65 0.6 0.6 Lớn
nhất 2 2.2 2.3 2.8 2.5 4.0 5.6 5.0 5.6 4.5 2.5 2
Ngồi ra do khu vực có biên độ triều cao đã tạo điều kiện mở rộng đới sóng vỗ bờ trong vùng bãi triều thoải và khá bằng phẳng. Đặc biệt khi triều cƣờng, sóng gió có điều kiện phát triển và truyền vào bờ, có khi vỗ sát ngay chân đê, kè gây tác động trực tiếp lên các tuyến đê và bar cửa sông. Ở các khu vực chịu tác động mạnh của sóng nhƣ đảo Đình Vũ, Cát Hải, vào lúc triều lên cao ngập qua chân đê kè, áp lực sóng tạo lên đối với các cơng trình bảo vệ bờ rất lớn. Qua tính tốn, sóng có tần suất 1% có chiều cao 2m có thể tạo áp suất dƣ khi vỡ tác động lên thân đê là 7,5 tấn/m2. Với các sóng có chiều cao lớn hơn 3m thì áp suất dƣ khi sóng vỡ đạt tới trên 10 tấn/m2
gây khả năng phá hủy đê kè rất cao. Vào mùa kiệt, dịng chảy sơng nhỏ không đủ khả năng đẩy khối nƣớc mặn ra khỏi cửa sơng, nƣớc biển nhờ sóng triều dồn ép vào trong sơng gây nhiễm mặn và đẩy lùi barie địa hóa vào sâu trong lục địa.
Thủy triều: chế độ nhật triều trong khu vực là nhật triều đều với biên độ dao
chân triều (nƣớc rịng). Trung bình trong một tháng có hai kì nƣớc lớn với biên độ dao động mực nƣớc từ 2 – 4m, mỗi kì kéo dài từ 2 – 3 ngày. Ở thời kì nƣớc kém tính chất nhật triều giảm rõ rệt, tính bán nhật triều tăng. Trong ngày xuất hiện 2 đỉnh triều. Trong kì nƣớc lớn, ngày có mực triều lớn nhất thƣờng là 2 – 3 ngày khi Mặt Trăng đi qua mặt phẳng xích đạo. Trong năm, các kì nƣớc lớn và nƣớc kém khơng nhƣ nhau phụ thuộc vào lực hấp dẫn giữa Mặt Trăng – Trái Đất – Mặt Trời. Hệ thống lực tƣơng tác này thay đổi có tính chất chu kì, phụ thuộc vào vị trí tƣơng đối giữa chúng. Tài liệu quan trắc mực nƣớc triều nhiều năm tại trạm Hòn Dấu cho thấy biên độ dao động mực triều lớn nhất có thể đạt 4,25m và thấp nhất là -0,27m (bảng 2.8). Qua khảo sát đo đạc tại khu vực nghiên cứu cho thấy thủy triều ở đây đóng vai trị quan trọng trong các q trình thủy thạch động lực, đặc biệt là khi triều cƣờng đƣợc cộng hƣởng với nƣớc dâng trong bão.
Bảng 2.8.Đặc trƣng mực nƣớc trạm Hòn Dấu (cm) [16]
Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Max 392 397 351 356 385 404 389 383 371 425 400 400
Min -6 9 12 2 4 -9 7 6 17 -27 2 -7
Trung bình
180 176 176 177 180 183 185 186 194 204 199 1891
Bảng 2.9. Các mực nƣớc triều đặc trƣng ở vùng cửa sông Bạch Đằng (so với mực triều cực tiểu) [16] (so với mực triều cực tiểu) [16]
Mực triều Độ cao (m) Mực triều cực đại 4 Mực triều cao nƣớc cƣờng 3.6 Mực triều thấp nƣớc cƣờng 0.4 Mực triều trung bình 1.86 Mực triều cao nƣớc kém 2.4 Mực triều thấp nƣớc kém 1.1
Dòng triều: dòng thuận nghịch hƣớng chảy lên/xuống ngƣợc nhau 180o , song song với hƣớng bờ, lịng sơng. Do tính chất về hình thái của vịnh Bắc Bộ nên khi triều dâng, dịng triều thƣờng có hƣớng Đơng Bắc, khi triều rút có hƣớng Tây Nam. Tại những trạm ở sƣờn bờ ngầm của khu bờ, dòng chảy đạt độ lớn cực đại hơn 50cm/s, dòng bán nhật triều nhỏ hơn 1cm/s. Tại các của sống, luồng tàu dịng triều tồn nhật cƣu đại có thể đạt tới 70cm/s vào ngày nƣớc cƣờng trung bình, cịn trong ngày triều cƣờng nhất có thể đạt tới 100m/s. Dịng triều tạo ra các dạng địa hình đảo chắn bờ (bar bờ), các bãi ngập triều… Theo kết quả phân tích hẳng số điều hịa triều lƣu của các sóng triều thành phần cho thấy, khu vực nghiên cứu có dịng nhật triều đóng vai trị chủ đạo, dòng bán nhật triều chỉ thể hiện trong những ngày triều kém. Do tính chất nhật triều thuần khiết của dao động mực nƣớc Hòn Dấu mà tỉ số biên độ của thành phần nhật triều và bán nhật triều khá ổn định. Dòng triều đƣợc truyền vào trong vùng cửa sơng dƣới dạng nêm nƣớc mặn, vì vậy trong nhiều trƣờng hợp quan trắc thấy dịng chảy mặt có hƣớng từ trong sơng ra, cịn ở tầng đáy có hƣớng từ biển vào. Tại thời điểm ngƣng triều, giữa 2 khối nƣớc mặn và ngọt đƣợc trung hịa tạo ra vùng nƣớc lợ cửa sơng có độ mặn dao động từ 5 – 10‰. Mơi trƣờng này thuận lợi cho các phản ứng hóa học ngƣng keo kết tủa, lắng đọng trọng lực các phù sa lơ lửng, nhất là các khu vực có chế độ động lực yếu nhƣ phía Nam và Tây Nam đảo Đình Vũ. Thời gian triều ngƣng luôn biến đổi phụ thuộc chủ yếu vào biên độ của mực nƣớc triều và lƣu lƣợng nƣớc sông đổ ra. Ở khu vực cửa sông Bạch Đằng, thời gian này thƣờng kéo dài 1h trong mùa lũ, 2h vào mùa kiệt. Càng vào sâu trong cửa sơng, tốc độ dịng triều càng giảm và độ dẹt của elip sóng triều tăng lên : từ mặt xuống đáy phƣơng trục của elip sóng triều xoay theo chiều kim đồng hồ, làm cho ở tầng mặt trục lớn của elip gần song song với hƣớng truyền sóng triều, trong khi lớp nƣớc sát đáy trục lớn của elip triều lệch về bên phải so với hƣớng truyền sóng và ép sát vào bờ phải của lịng dẫn.
Theo kết quả phân tích hằng số điều hịa dịng triều tại các trạm đo cửa sông Lạch Tray, Nam Triệu, Lạch Huyện, Bến Gót, chƣơng Hồng Châu, lạch Hịn Dấu – Đồ Sơn ở các tầng mặt, 3m, 5m cho thấy: trong mùa cạn dòng triều rút kéo dài 12
– 15h, nƣớc chảy vào sông khi triều dâng từ 8 – 11h. Điều này chứng tỏ dịng chảy sơng trong mùa cạn không đáng kể nhƣng cũng có ảnh hƣởng đẩy sóng triều ra ngoài biển. Trong mùa lũ, nƣớc từ trong sông đổ ra nhiều, thời gian triều rút lớn hơn triều dâng. Tỉ số giữa chúng biến đổi và phụ thuộc vào lƣu lƣợng nƣớc sơng, vào những ngày lũ lớn nhiều khi sóng lũ đã lấn át sóng triều, đẩy sóng triều ra xa tới mức mà ở trạm Hịn Dấu có khi quan trắc đƣợc độ mặn 1‰. Tốc độ dòng triều đặc biệt lớn ở ngƣỡng cửa sơng, càng gần ra phía biển tốc độ dòng triều càng giảm dần và độ dẹt của elip dòng triều thành phần cũng giảm theo. Biên độ của sóng nhật triều ở khu vực ngƣỡng cửa sông đạt 90cm/s, trung bình đạt 50cm/s. Vào thời kì lũ lớn ở thƣợng nguồn, nhiều khi quan sát thấy dịng chảy ở cửa sơng chỉ có một hƣớng từ sông ra biển và bán trục nhỏ của elip xấp xỉ bằng khơng. Biên độ sóng bán nhật triều tăng dần trong những ngày nƣớc kém, tốc độ cực đại của các sóng này ở ngƣỡng cửa sông đạt tới 25cm/s và pha gần trùng với hƣớng trục lịng dẫn, tốc độ trung bình chỉ đạt từ 5 -10cm/s. Ở khu vực ngồi thềm biển nơng, tốc độ của sóng bán nhật triều giảm dần, tốc độ cực đại khoảng 10 – 15cm/s và pha luôn thay đổi theo các vị trí khác nhau, chịu ảnh hƣởng đáng kể của ma sát đáy. Tổng hợp dòng triều của các sóng triều thành phần trong những ngày triều cƣờng tại cửa sơng có thể lên tới 100 – 150cm/s có khả năng đƣa các hạt bồi tích đi xa và bào mịn các bar, val cát ngầm, sƣờn bờ ngầm lịng dẫn.
Dịng chảy gió: thuộc loại dịng chảy ổn định, phụ thuộc vào hƣớng, tốc độ
và thời gian kéo dài của gió tác động lên mặt biển. Tần suất gió trong khu vực khồng 5-10m/s, tạo ra dịng chảy khoảng 0,1-0,5m/s. Hƣớng dịng chảy gió đƣợc định hƣớng theo đƣờng bờ. Vùng xa trƣớc đảo Cát Hải có dịng chảy hƣớng Tây, Tây Nam ổn định trong năm. Khu vực Lạch Tray, Đồ Sơn dịng chảy gió biến đổi theo mùa : Bắc – Tây Bắc vào mùa hè, Nam – Tây Nam vào mùa đông. Do độ sâu đáy biển nhỏ nên các dịng trơi này có thể choán hết lớp mặt đến đáy, trong đó hƣớng chảy tầng sâu nhanh hơn tầng mặt. Khi gió ngừng thổi do đà qn tính dịng chảy vẫn cịn nhƣng yếu dần, bị triệt tiêu dần khi vào bờ và thay thế bởi dịng có
động lực mạnh hơn. Vùng cửa Nam Triệu, Cát Bà do ảnh hƣởng của địa hình đƣờng bờ nên dòng chảy ở đây gần nhƣ chảy quanh vịnh.
Địa hình đáy biển khu vực nghiên cứu phức tạp nên tạo điều kiện phát sinh dịng trơi ở khu vực này khơng thuận lợi. Tuy nhiên, vào những ngày có gió mùa ĐB và ĐN thổi mạnh, đặc biệt khi có hiện tƣợng thời tiết cực đoan nhƣ giơng, áp thấp nhiệt đới thì dịng chảy trơi phát triển mạnh. Trong mùa gió ĐB, tốc độ gió 8- 9m/s, mặt biển có xu hƣớng nghiêng theo hƣớng ĐB – TN. Phía Cát Bà, Cát Hải mực nƣớc rút xuống dƣới mực trung bình khoảng 0,2 – 0,5cm và phía Đồ Sơn – Hòn Dấu – Lạch Tray – Cửa Cấm mực nƣớc dâng lên khoảng 0,5 – 1cm. Vì vậy khu vực biển giáp với phía T – TN đảo Cát Bà dịng chảy có hƣớng đi lên phía Bắc và Tây Bác, vùng cửa Nam Triệu – Cửa Cấm – cửa Lạch Tray, dịng chảy có hƣớng xuống phía N và T-N. Khu vực cửa Lạch Huyện và đoạn bờ Đơn Lƣơng của đảo Cát Hải có dịng chảy nhỏ nhất và đoạn bờ phía bán đảo Đồ Sơn – Hịn Dấu có tốc độ lớn nhất. Trung bình trong tồn vùng tốc độ dịng chảy gió đạt khoảng 5 – 10cm/s và lớn nhất đạt 25 – 30cm. Ở cửa Lạch Huyện tồn tại một xốy nghịch nhỏ, dịng chảy có xu hƣớng chảy ngƣợc lên hợp với dịng từ sơng Chanh chảy xuống và chảy vào kênh Cái Tráp sang cửa Nam Triệu. Trong mùa gió ĐN, vận tốc gió đạt 8- 9m/s, mặt biển có xu thế nghiêng theo hƣớng B-N. Độ chênh cao mực nƣớc ở khu vực cửa Nam Triệu và Lạch Huyện so với mực nƣớc trung bình khoảng 7cm. Nhìn tổng thể tồn vùng nghiên cứu tồn tại hoàn lƣu xốy nghịch : vùng Đồ Sơn – Hịn Dấu dịng có hƣớng đi lên phía B – ĐB, vùng T và TN đảo Cát Bà dịng có hƣớng đi xuống phía N và ĐN. Tốc độ trung bình đạt khoảng 10 – 15cm/s, cực đại tới 40 – 45cm/s. Đặc biệt tồn tại dịng chảy có hƣớng từ cửa Văn Úc đi qua eo Hòn Dấu – Đồ Sơn và ép sát vào đoạn bờ phía Đơng bán đảo Đồ Sơn. Trong mùa này do sự phân bố dòng chảy phức tạp, tồn tại nhiều vùng chảy quẩn nhƣ Lạch Huyện, Nam đảo Cát Hải, nam đảo Đình Vũ tạo ra khả năng lắng đọng trầm tích khá nhanh [3].
Dịng chảy sóng: đới sóng vỗ có địa hình dốc nhƣ thân đê, sƣờn bờ…chịu tác
động mạnh nhất do sóng biển vỗ gần mép nƣớc tạo ra dịng chảy có động lực cao trong dải hẹp. Khu bờ thoải thƣờng có tốc độ dịng chảy thấp, ít bị phá hủy. Nhìn
chung tốc độ dịng chảy chủ yếu phụ thuộc vào độ dốc sƣờn bờ, độ nhám, hƣớng sóng vỗ bờ. Do vậy đới bờ biển trong vùng nghiên cứu có dịng chảy sóng tốc độ khơng cao vì địa hình có bãi nơng, bãi triều thoải. Đối với đoạn bờ dốc sóng khơng lớn nhƣng có khả năng vận chuyển vào sát mép nƣớc vào thời kì triều cƣờng gây phá hủy bờ mạnh.
Từ ngồi khơi vào bờ, sóng biển đổi và trải qua ba giai đoạn tƣơng ứng với ba khu vực : ngồi vùng nƣớc sâu, khu vực sóng biến dạng và khu vực sóng phá hủy hồn tồn tạo dịng chảy. Kết quả nghiên cứu bằng mơ hình thực nghiệm cũng nhƣ lý thuyết cho thấy sông thƣờng đổ vỡ ở độ sâu thay đổi từ 1,2H và chủ yếu ở trong đới có độ sâu 1,28 – 1,5H. Khối nƣớc khi sóng vỡ tiếp tục di chuyển về phía lục địa và tạo ra 2 phần : phần dọc ven bờ và phần vng góc với bờ. Trong trƣờng hợp sóng vận động vào bờ mà chƣa đến độ sâu sóng đổ, nếu gặp vật cản nhƣ đê kè có độ dốc lớn thì xuất hiện hiện tƣợng sóng phản xạ, thƣờng có bƣớc sóng rất ngắn và độ cao tăng lên đột ngột. Lúc này sóng tác động chủ yếu là lực va đập và lực đẩy Archimetes. Khi đó dịng sóng có vai trị thứ yếu. Thực tế là dịng chảy sóng xuất hiện khơng liên tục giữa các chu kì sóng vỡ : trong một chu kì dịng chảy đổi hƣớng 2 lần (vào bờ và rút ra biển) với trị số tốc độ tăng lên nhanh và giảm đột ngột.
Các kết quả tính tốn cho thấy với thành phần dịng sóng ven bờ có trị số cao nhất khi tia sóng hợp với đƣờng bờ góc α=45o
và triệt tiêu khi có hƣớng sóng vng góc với bờ tức α = 0o. Đối với thành phần dòng chảy theo hƣớng pháp tuyến với đƣờng bờ thì trị số đạt giá trị cực đại khi α=0o
và khi α=90othì cả hai thành phần cùng bị triệt tiêu. Tuy nhiên trong thực tế, sóng gió đổ vỡ ven bờ chủ yếu trong khoảng α= 0 – 60o
và ít khi vƣợt q 75o vì khi vận động vào bờ sóng đã trải qua q trình khúc xạ và càng vào bờ các tia sóng càng có xu thế vng góc với đƣờng bờ. Khu vực chịu tác động mạnh nhất bởi dịng sóng là các sƣờn bờ đón sóng mà độ dốc lớn vào khi triều cƣờng và vùng sƣờn bờ ngầm dƣới chân cồn khi nƣớc triều thấp do sóng vỡ gần tạo dịng chảy mạnh trong dải hẹp. Ngƣợc lại, ở bãi thoải sóng ít có tác động phá hủy bởi tốc độ dịng chảy nhỏ.
Dịng sóng đóng vai trị quan trọng ở đới bờ, nhất là ở các đoạn bờ có độ dốc lƣớn do nó đóng vai trị quan trọng trong q trình sắp xếp phân bố lại bùn cát ven bờ, gây q trình bồi xói và phát triển hệ thống val bãi ngầm kéo dài theo lòng dẫn. So với dịng ven do thủy triều thì tốc độ dịng sóng ven bờ tƣơng đối cao. Trong khu vực nghiên cứu, đới sóng vỗ là vùng nằm giữa đƣờng bờ biển hiện đại và sƣờn bờ ngầm dƣới chân cồn khi nƣớc triều rút xuống thấp. Ở phía trong cửa sơng dịng sóng ven bờ khơng có vai trị đáng kể do có các val cát phía ngồi che chắn làm giảm hầu hết năng lƣợng sóng trƣớc khi đi vào trong sơng. Các khu vực chịu tác động mạnh bởi dịng sóng chủ yếu là đảo Cát Hải, đảo Đình Vũ. Sóng đổ bộ vào các khu vực bờ biển này chủ yếu bị khúc xạ bởi các sóng có hƣớng ĐN – N – TN.