c) Nguyên nhân và cơ chế xói lở/bồi lắng của bờ biển bùn có rừng ngập
mặn
Phổ biến trong các vùng nhiệt đới là các dải bờ biển có rừng ngập mặn với nhiều lồi cây phong phú. Rừng ngập mặn có vai trị quan trọng đối với môi trường tự nhiên cũng như đời sống kinh tế - xã hội của con người. Ngày nay, hệ thống rừng ngập mặn trên toàn thế giới đang chịu áp lực suy giảm nghiêm trọng. Việc suy thoái rừng ngập mặn đã có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của đường bờ biển.
Năm 2006, Gegar Prasetya [43] đã tổng hợp các yếu tố tác động đến q trình xói lở/bồi tụ bờ biển trong đó bao gồm các yếu tố tự nhiên và các tác động của con người như thể hiện trên hình 1.6.
Hình 1. 6: Sơ đồ ngun nhân của xói lở, bồi tụ bờ biển (dịch từ [43]) Năm 2013, Winterwerp [48] công bố một kết quả nghiên cứu quan trọng, phân tích các nguyên nhân gây xói mịn dọc theo bờ biển rừng ngập mặn, và đưa ra các lý giải cho hiện tượng khó khăn/khơng phục hồi được các bờ biển này. Nghiên cứu này dựa trên các cơng trình ở Thái Lan, Guyana và Suriname của Anh, Indonesia, Philippines và miền Nam Trung Quốc, trong đó nhấn mạnh ngun nhân chính của hiện tượng xói lở là do “mất cân bằng bùn cát”. Quá trình “mất cân bằng bùn cát” xảy ra như một “vòng lặp tiếp nối” từ việc ảnh hưởng của các tác động phát triển xã hội của con người, đến những nỗ lực phục hồi rừng ngập mặn bằng các giải pháp cơng trình cứng bao chặt bờ biển (coastal squeeze),...
Nghiên cứu đã chứng minh, việc áp dụng các kỹ thuật “cứng” bao kín một đoạn bờ biển ở trong hoặc ở rìa rừng ngập mặn như đê, kè chắn sóng,... đã làm trầm trọng hơn tình trạng xói lở dọc theo bờ biển. Các cơng trình này ảnh hưởng đến quá trình cân bằng bùn cát trong khu vực rừng ngập mặn theo hai cách:
- Dòng chảy phù sa mịn trên bờ giảm do kết quả của giảm dịng nước trên bờ;
- Chiều cao sóng gần các cấu trúc như vậy tăng lên do phản ánh của cấu trúc đó, gây ra sự lùng sục cục bộ ở phạm vi phía trước của cấu trúc. Q trình xói mịn ở một quy mơ lớn hơn tiếp tục diễn ra khi nền đáy dần dần bị lõm xuống làm tăng cường các hiệu ứng sóng hơn nữa.
1.1.2. Các cơng trình bảo vệ bờ biển
Những biện pháp bảo vệ bờ biển phụ thuộc vào đường bờ của đất liền trong việc chống lại những ảnh hưởng mang tính phá hủy của biển. Những bờ biển bị xói lở có thể được bảo vệ bằng các cơng trình có chức năng hấp thu năng lượng sóng và dịng chảy. Các cơng trình điều chỉnh hướng dịng chảy có thể được áp dụng trong mục đích phát triển bãi bồi, rừng ngập mặn,… Tuy nhiên, trạng thái cân bằng của bờ biển sẽ bị thay đổi ngay sau khi có bất kỳ tác động (xây dựng cơng trình) vào chế độ thủy động lực ven biển và một trạng thái cân bằng mới sẽ được thiết lập. Việc xây dựng các cơng trình chống xói ở khu vực này hồn tồn có thể dẫn đến xói lở các khu vực lân cận, nhiều khi là nghiêm trọng hơn. Do đó, đối với các cơng trình bảo vệ bờ lớn trên thế giới, trước khi được đưa vào xây dựng thường được tính tốn các yếu tố động lực một cách kỹ lưỡng và có kiểm định trên các mơ hình vật lý.
Von Lieberman (nhà khoa học người Đức) [18] đã phân loại các dạng cơng trình chống xói mịn bờ biển, bao gồm: các cơng trình dọc bờ và các cơng trình vng góc với bờ.
- Các cơng trình dọc bờ: ( tường chắn sóng, đê, kè) bảo vệ bờ biển hoặc
các đụn cát chống xói mịn gây ra bởi dịng chảy và sóng. Gồm hai loại:
+ Đê phá sóng tách rời: là một cấu trúc song song với bờ biển, được xây dựng trong đới sóng vỡ để bảo vệ bờ biển thơng qua giảm chiều cao sóng tới và gây bồi khu vực giữa tường và bờ. Thơng số quan trọng đặc trưng đê chắn sóng tách rời là chiều dài của đê chắn sóng (LB) và khoảng cách của đê chắn sóng đến
bờ biển (x). Nếu tỷ lệ (LB/x) < 0,6 ÷ 0,7, bãi bồi nhơ ra có dạng “salient”; nếu (LB/x) >0,9 ÷ 1, bãi bồi nhơ ra có dạng “tombolo”. Tuy nhiên, các thơng số khác
ngồi LB và x cũng ảnh hưởng đến hình dạng bồi lắng.
Hình 1. 7: Các dạng tích tụ bùn cát phát triển sau khi xây dựng đê chắn sóng [18] Đê chắn sóng khác nhau về vị trí (nước sâu/nơng), kiểu xây dựng (đánh Đê chắn sóng khác nhau về vị trí (nước sâu/nơng), kiểu xây dựng (đánh đắm, theo chiều đứng, nổi) và hiệu quả (phát triển salients hay tombolos). Mặt cắt ngang của các dạng đê phá sóng có thể ở dạng đá đổ (các thơng số thiết kế có thể tính tốn theo công thức của Hudson hoặc Van der Meer [30]), hoặc dạng ống Geotubes bằng vải địa kỹ thuật (các thơng số tính tốn theo nghiên cứu và cách tiếp cận của Pilarczyk [59] [60]), hoặc các vật liệu địa phương thân thiện với mơi trường (ví dụ như hàng rào tre được thiết kế tại Vĩnh Tân, Sóc Trăng, Việt Nam [24]), …
+ Kè: được xây dựng liền với bờ biển, thường là bao bọc kín một đoạn bờ biển, bảo vệ bờ khỏi bị xói mịn trước tác động của sóng bão và dịng chảy. Kè biển luôn được xây dựng như là cơng trình mái nghiêng, thiết kế mặt kè có thể cấu tạo từ các loại sau: đá đổ rối, đá hộc lát khan, đá xây vữa, tấm bê tông đúc sẵn, các loại thảm. Ngồi ra, kè cũng có thể xây dựng gồm các túi chứa đầy cát vải địa kỹ thuật (Geotubes, Stabiplage). Ngày nay, các giải pháp gia cố mái kè bằng các tấm bê tông đúc sẵn được sử dụng khá phổ biến với các hình dạng phong phú được thiết kế nhằm tăng khả năng hấp thu năng lượng sóng và giảm sóng leo, các liên kết linh hoạt, dễ dàng thi công và sửa chữa, tính thẩm mĩ cao,… Các dạng bản bê tơng đúc sẵn có thể chia làm hai loại là tấm lát độc lập và tấm lát liên kết mảng.
+ Tường chắn sóng: là một cấu trúc tách rời vùng đất và nước, được thiết kế để ngăn chặn xói mịn bờ biển và thiệt hại khác do tác động của sóng và nước dâng do bão [18]. Tường chắn sóng có các cấu tạo như: đá xây, tường cừ thép – BTCT, thùng chìm BTCT, tường góc BTCT hoặc kết hợp với các kè mái nghiêng và các khối bê tơng dị hình.
- Các cơng trình vng góc với bờ: Thường gọi là mỏ hàn, được sử dụng để làm gián đoạn vận chuyển bùn cát dọc bờ, nó khơng có tác dụng ngăn bùn cát trong chuyển động bùn cát vng góc với bờ. Diễn biến bờ biển quanh mỏ hàn phụ thuộc vào lưu lượng và hướng vận chuyển của dòng bùn cát dọc bờ. Đường bờ mới có xu hướng vng góc với sóng tới chủ đạo. Cát bị giữ lại tại phía thượng lưu của mỏ hàn (theo hướng chuyển động của dòng bùn cát) đồng nghĩa với việc thiếu cát phía hạ lưu, dẫn đến mất cân bằng tải cát [6]. Nếu tác động của các mỏ hàn là q mạnh, xói mịn sau cơng trình sẽ xảy ra.
Mỏ hàn thường được xây dựng từ bờ biển cho tới một khoảng cách ra biển, thường được thiết kế để vượt qua một phần của khu vực sóng vỡ. Mỏ hàn thường được xây dựng thành nhóm và khoảng cách giữa hai mỏ hàn (Sn) phải được xác định để hiệu quả bảo vệ là đủ lớn đảm bảo tránh được xói mịn do dịng chảy và sóng. Sổ tay kỹ thuật bờ biển [44] cung cấp một số các gợi ý cho việc tính tốn chiều dài hợp lý của các mỏ hàn. Mặt cắt các mỏ hàn có các dạng: tường đơn, mỏ hàn khung, mỏ hàn tròn, mỏ hàn tròn đỉnh rộng và mỏ hàn phẳng, ngồi ra có thể được gia cố thêm bởi đá hộc, đá xây, cừ BTCT, các khối bê tơng dị hình,…
Hình 1. 8: Quy trình tính tốn trình tính tốn khoảng cách giữa
Ngồi các giải pháp cơng trình, kỹ thuật phục hồi bờ biển còn áp dụng các giải pháp phi cơng trình như trồng rừng ngập mặn. Winterwerp (2013) [48] đã chỉ ra hầu hết các nỗ lực để khôi phục rừng ngập mặn thường thất bại hồn tồn hoặc khơng đạt được mục tiêu đã nêu do một số nguyên nhân sau: chọn sai lồi, khí hậu bất lợi, điều kiện địa điểm, tính chất trầm tích và yếu tố thủy văn, cũng như thiếu khâu quản lý hậu kỳ và giám sát,... Trong số này, sự xói lở bờ biển được cho là một trong những yếu tố chính gây nên việc phục hồi khơng thành cơng.
Nhóm nghiên cứu này đề xuất “một chiến lược” để phục hồi xói mịn bờ biển rừng ngập mặn, trong đó yêu cầu về “hình thái động học” được kết hợp. Đây là một cách tiếp cận mới trong lĩnh vực nghiên cứu về nước ở Hà Lan, còn được gọi là “lai tạo kỹ thuật” (hybrid-engineering) hoặc “xây dựng với thiên nhiên” (building with nature).
Chiến lược này chứa các yếu tố sau:
1. Khơi phục dịng chảy trên bờ của trầm tích mịn bằng cách khơi phục vùng bãi triều. Điều này có thể được thực hiện bằng cách tạo “vùng đệm”,
trong đó thủy triều tới có thể tự do chảy.
2. Tăng cường bẫy trầm tích tốt trên bãi bồi một một cách tự nhiên. Trong
đó chú trọng yếu tố: giảm dịng chảy dọc bờ, giảm vận chuyển bùn cát dọc bờ ra khỏi khu vực cần phục hồi;
3. Giảm chiều cao sóng tác động lên khu vực cần phục hồi;
4. Khôi phục các điều kiện thủy văn, nếu bị xáo trộn (ví dụ: phục hồi các
ao ni trồng thủy sản ở bìa rừng trở lại rừng ngập mặn, hoặc loại bỏ một phần đê - kè biển đã xây dựng bao chặt bờ biển);
1.2. CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU XĨI LỞ Ở ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG VIỆT NAM CỬU LONG VIỆT NAM
1.2.1. Một số nghiên cứu của tác giả nước ngoài
Trong lĩnh vực nghiên cứu về diễn biến bờ biển ĐBSCL thì các nghiên cứu của nước ngồi thường là những cơng trình tính tốn chung về động lực học, sóng,… bao hàm cho tồn biển Đơng Nam Bộ. Có thể kể đến những cơng trình tính tốn thủy triều và hồn lưu gió của K. Wyrtki (1961); các cơng trình tính tốn phân bố các sóng triều chính của K.T Bogdanov (1963), U. N Xecgayev (1964), Robinson (1983), T. Yanagi và Takao (1997); các cơng trình tính tốn về hồn lưu của T. Pohlmann (1987); các cơng trình của nhà khoa học Trung quốc Duan Yi-hong Qin Zeng-hao, Li Yong-ping (1997) và Đài Loan Yu et al. (2006) về chế độ thủy động lực 3 chiều ở vùng biển Đông. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu này đa phần có tính chất giới thiệu, ít tập trung vào một khu vực cụ thể và hầu như khơng có các nghiên cứu về vận chuyển bùn cát [10].
1.2.2. Các cơng trình nghiên cứu kết hợp của tác giả nước ngoài và trong nước nước
Nhóm tác giả Wolanski, Nguyễn Hữu Nhân (1998) đã dựa vào các kết quả đo đạc, lấy mẫu nước từ thực tế, phân tích hình ảnh để nghiên cứu cơ chế vận chuyển và bồi lấp bùn cát mịn tại cửa Định An, sông Hậu và chỉ ra rằng, các cửa này bị bồi lắng do bùn cát bơm từ biển vào cuối mùa mưa trong sự tồn tại của nêm mặn và kết bơng [75]. Năm 2005, nhóm nghiên cứu trên cũng đã đưa ra một bức tranh toàn cảnh về sự biến đổi các yếu tố thủy động lực và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ĐBSCL qua mùa mưa và mùa khô dưới tác động của lưu lượng nước sông Mê Cơng và lượng phù sa mà nó mang ra biển. Lưu lượng sông Mê Công thay đổi theo mùa, thường là 2.100 m3/s trong tháng 4 (mùa dòng chảy thấp) và 40.000 m3/s trong tháng 9 (mùa dịng chảy cao). Ngồi ra, nghiên cứu cịn có sự so sánh lượng phù sa sông Mê Công vận chuyển là 160.106 tấn/năm bằng với sông Mississippi, bằng 85% của sông Dương Tử và nó lớn hơn so với
sơng Amazon là 12% [74]. Các kết quả nghiên cứu này đề cập đến quá trình thủy động lực và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông Mê Công, tuy nhiên chưa đề cập cụ thể và chi tiết đến vùng bờ biển Trà Vinh.
Nghiên cứu về những thay đổi dài hạn của đường bờ biển Trà Vinh và các tỉnh lân cận phải kể đến các kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả người Nhật (Toru Tamura, Tanabe, Tateishi, Kobayashi, Saito,…) kết hợp với các nhà khoa học trong nước (Nguyễn Văn Lập, Tạ Thị Kim Oanh) sử dụng phương pháp phân tích nhiệt huỳnh quang thạch anh (OSL) và phân tích tuổi tuyệt đối của các lớp trầm tích trong các mũi khoan dọc theo các tuyến trong hai tỉnh Bến Tre, Trà Vinh đề xuất do băng hà tan từ 12000 trước hiện tại (BP) đến 5500 năm BP, mực nước biển ở ĐBSCL đã dâng từ -70 mét đến +3,5 mét so với mực nước biển hiện nay. Từ 5000 năm BP trở lại, mực nước biển rút về mực nước biển hiện tại. Sự hạ thấp mực nước biển dẫn đến việc hình thành một mực nước biển mới, sau mỗi giai đoạn như thế thì có một bờ biển mới được hình thành và cuối cùng hình thành nên những vạt cồn cát chạy song song với bờ biển hiện tại mà người ta thấy ở vùng đồng bằng sơng Cửu Long (hình 1.9 và 1.10) [63] [62] [57] [14] [8]. Các kết quả nghiên cứu này phác họa rõ nét lịch sử phát triển dải bờ biển Trà Vinh nhưng ít đề cập đến các tác động do sóng, dịng chảy và vận chuyển bùn cát dọc bờ - nguyên nhân gây ra các biến đổi ngắn hạn (bồi/xói) bờ biển Trà Vinh.
Hình 1. 9: Tuổi các giồng phân tích bằng phương pháp nhiệt huỳnh quang thạch anh từ Vàm Láng (Tiền Giang) đến Duyên Hải (Trà Vinh) [63]
Hình 1. 10: Quá trình hình thành và phát triển của các tỉnh giữa sông Tiền và sông Hậu từ 3500 năm trước hiện tại [63]
(Đường màu đen là các đường bờ biển hình thành qua các thời kỳ)
Hình 1. 11: Xu thế tích tụ trầm tích và vận chuyển trầm tích [13]
Nguyễn Trung Thành và nnk. [13], năm 2011 đã công bố kết quả nghiên cứu từ đề tài hợp tác Việt Nam-CHLB Đức “Nghiên cứu tiến hóa đới ven biển đồng bằng Sông Cửu Long và vùng thềm lục địa kế cận trong Holocen hiện đại phục vụ phát triển bền vững” (2008 – 2009). Nhóm nghiên cứu đã phân tích các mẫu trầm tích thu thập được thuộc phần châu thổ ngầm từ cửa Cung Hầu đến bán đảo Cà Mau và sử dụng mơ hình Mike 21 để tính tốn thủy động lực. Kết
quả nghiên cứu về động lực dòng chảy ven bờ cho thấy sự chiếm ưu thế của dịng chảy ven bờ về phía tây nam vào mùa đơng dưới ảnh hưởng của gió mùa đơng bắc, từ đó khẳng định được sự chiếm ưu thế của q trình vận chuyển trầm tích dọc bờ về phía tây nam trong mùa này. Ngồi ra, nghiên cứu cũng cung cấp thơng tin về dạng trầm tích ven biển Trà Vinh là vùng cát tích tụ chiếm ưu thế (Hình 1. 11). Đây là nghiên cứu cho tồn bộ đới ven biển ĐBSCL nên không tập trung chi tiết vào dải bờ biển Trà Vinh.
Giai đoạn gần đây có sự đầu tư với quy mô lớn của Tổ chức Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) vào dự án “Thích ứng với biến đổi khí hậu cho phát triển bền vững Nông nghiệp và Nông thôn các tỉnh ven biển ĐBSCL” thực hiện từ năm 2011 – 2013. Một số chuyên đề trong dự án này do Hoàng Văn Huân, Nguyễn Hữu Nhân (Viện Kỹ thuật Biển) thực hiện đã sử dụng phần mềm Mike 21/3 FM để tính tốn chế độ thủy động lực, sóng và diễn biến bồi/xói cho tồn bộ khu vực ven biển ĐBSCL, bao hàm cả bờ biển Trà Vinh [4]. Lưới tính cho vùng nghiên cứu có phạm vi rộng lớn bao gồm biển Đông và Tây Việt Nam, kích thước lưới được chia nhỏ dần khi vào các khu vực gần bờ (xem hình 1.12). Tuy nhiên, việc toàn bộ lưới chia là tam giác sẽ làm gia tăng khối lượng tính tốn (thời gian) của máy tính và cũng chưa có các phân tích chi tiết về chế độ thủy động lực và vận chuyển bùn cát cho riêng vùng bờ biển Trà Vinh.