4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
2.1.2. Thực trạng xói lở khu vực bãi biển xã Dân Thành
Hình 2.1: Vị trí bờ biển xã Dân Thành
Hình 2.2: Vị trí đoạn khảo sát
Bờ biển xã Dân Thành có chiều dài khoảng 5 km, phạm vị khảo sát có tọa độ từ điểm (668268, 1059890) đến điểm (663421, 1056185), đây là đoạn bờ xói lở có tính chất hệ thống, mức độ của xói lở ngày càng mạnh đặc biệt trong những năm trở gần đây.
Khác với hình ảnh của những đoạn trước, bãi biển ở đây không có cát mà trơ ra từng thớ đất và những gốc cây, điều này thể hiện sự thiếu hụt bùn cát từ nơi khác mang đến dẫn đến quá trình xói lở bãi và bờ biển.
Hiện tại khu vực này cùng với việc xậy dựng nhà máy nhiệt điện thì hệ thống đê kè bằng đá bảo về phía ngoài cũng đang được hoàn thành với chiều dài khoảng 2km.
Mùa gió Đông Bắc: Bờ biển xói lở ở mức trung bình, được thể hiện bởi những rừng cây ngập mặn bị phá hủy - tàn lụi do quá trình xâm thực của biển.
Cảnh tượng xói lở của bờ biển không thật khủng khiếp như ở bờ biển xã Hiệp Thạnh nhưng ở đây lại cho chúng ta một cảm giác suy thoái thiếu sức sống - một sự tàn lụi của tự nhiên. Xem hình ảnh điều tra hình 2.3- 2.5.
Hình 2.3: Bãi biển bị xói mòn lộ ra từng thớ đất, rừng cây bị xâm thực trơ trọi, toàn cảnh bờ biển suy thoái thiếu sức sống
Hình 2.4: Bãi biển bị xâm thực lộ từng thớ đất sét, gốc cây rừng phòng hộ giảm sóng còn sót lại trên bãi thể hiện đây là khu vực mới bị xói lở trong vài năm gần đây.
Hình 2.5: Đê kè bằng đá và bao tải cát đang được xây dựng
Mùa gió Tây Nam năm 2011: Thời gian gần đây theo điều tra khảo sát, việc thi công phần nền của nhà máy nhiệt điện cần hút một lượng cát khá lớn ở các khu vực sát đó gây tình trạng xói lở cục bộ trên khu vực. Hiện nay toàn bộ 5,5km xã Dân Thành thì chỉ còn khoảng 1km cuối giáp xã Đông Hải còn sự ổn định, các khu vực còn lại sự xâm thực của Biển cùng với những tác động của con người đã bị xói lở ít nhiều.
Hình 2.7: Đê kè bằng đá đã xây dựng xong bị sóng phá hủy
Hiện nay với sự xâm thực của biển, cùng với tác động của sóng thì khu vực có xây dựng kè thường xuyên hư hỏng và sửa chữa, rõ ràng biện pháp chỉnh trị này chỉ mang tính tạm thời và các cấp chính quyền cần phải có những giải pháp và biện pháp chỉnh trị lâu dài.
Hình 2.8: Đoạn bờ bị sạt lở phía nam nhà máy nhiệt điện
Cho đến thời điểm khảo sát tháng 11 năm 2012 (mùa gió Tây Nam), bờ biển xã Dân Thành đang trong tình trạng xói lở khá nghiêm trọng.
Hình 2.9: Bãi biển bị xói mòn lộ ra từng thớ đất, rừng cây bị xâm thực trơ trọi, toàn cảnh bờ biển suy thoái thiếu sức sống
Hình 2.10: Bãi biển bị xâm thực lộ từng thớ đất sét, gốc cây rừng phòng hộ giảm sóng còn sót lại trên bãi, nhà của người dân hư hỏng nặng.
Nhận xét: Đường bờ biển khu vực xã Dân Thành là một trong những đoạn bờ biển có mực độ xói lở tương đối cao, tốc độ xói lở trung bình trong giai đoạn từ 1989-2012 là 10-15 m/năm. Bề rộng xói lở tại điểm xói lở nhiều nhất lên tới 300 m trong khoảng 23 năm (từ 1989-2012). Trong đó tại đoạn bờ này, có một khu vực đang xây dựng nhà máy nhiệt điện, cùng với việc xây dựng nhà máy thì hệ thống đê kè bằng đá bảo về phía ngoài cũng được hoàn thành với chiều dài khoảng 2 km, nhưng chỉ trải qua mùa gió chướng đoạn đê kè này đã bị phá hoại hoàn toàn.
2.2. Một số nguyên nhân tác động đến diễn biến xói lở vùng nghiên cứu.
Vùng nghiên cứu thuộc dạng khá điển hình của kiểu các bãi bồi và cửa sông châu thổ đồng thời chịu tác động mạnh chế độ hải văn Biển Đông và chế độ thủy văn sông Mekong, trong đó yếu tố biển có phần trội hơn, nhất là về mùa kiệt. Dựa
trên việc trình bày các đặc điểm điều kiện tự nhiên tại chương 1 ở trên có thể đánh giá được diễn biến bồi xói vùng nghiên cứu chịu một số tác động chính như sau:
- Địa hình và địa chất đường bờ biển: Khu vực bờ biển xã Dân Thành, tỉnh Trà Vinh được cấu tạo bởi trần tích phù sa bở rời trẻ với chủ yếu thành phần bùn sét chứa cát mịn. Đây là yếu tố mà kết cấu bờ dễ bị phá vở bởi sóng gió, khi đó sẽ chuyển thành dạng bùn cát dễ bị dòng chảy và sóng vận chuyển đi khu vực khác.
- Lượng phù sa từ sông Cửu Long cũng như Sài Gòn – Đồng Nai đổ xuống, đặc biệt là từ 2 con sông Tiền và sông Hậu đổ qua cửa Hàm Luông và Định An, cũng như các dòng phù sa tới và đi khỏi cũng ảnh hưởng đến diễn biến bồi xói vùng nghiên cứu.
- Ngoài ra, hoạt động của quá trình thủy động lực như dòng ven bờ, dao động độ sâu cột nước tác động trực tiếp đến diễn biến bồi xói. Các quá trình thủy động lực tại vùng nghiên cứu bị chi phối bởi các yếu tố như dòng chảy từ sông Cửu Long, chế độ bán nhật triều không đều của biển Đông, dòng chảy ven bờ bởi sóng gió cũng như bởi dòng hải lưu của biển Đông.
- Hoạt động của sóng biển gây ra trực tiếp đến diễn biến bồi xói và vận chuyển bùn cát tại đường bờ cũng như đáy biển vùng nghiên cứu. Ở ngoài khơi, hướng sóng thường trùng với hướng gió. Tuy nhiên khu vào gần bờ (nước nông), chiều cao sóng giảm do năng nước bị tiêu hao khi ma sát đáy biển cũng như hướng sóng cũng có bị thay đổi theo dạng địa hình ( hiện tượng sóng bị khúc xạ).
- Ngoài ra, diễn biến xói lở - bồi tụ vùng nghiên cứu có sự liên hệ chặt chẽ với rừng ngập mặn. Rừng ngập mặn có tác dụng giảm sóng và dòng chảy, bùn cát tích tụ nhanh, chống xói lở. Tuy nhiên hiện nay rừng ngập mặn chịu bị tác động nhiều bởi các yếu tố tự nhiên như biến đổi khi hậu cũng như bởi yếu tố con người như phá rừng để nuôi trồng thủy sản, xây dựng tuyến đê biển,v.v.
2.3. Nghiên cứu xói - bồi vùng nghiên cứu bằng mô hình toán 2.3.1. Phân tích đối tượng và đề xuất mô hình sử dụng.
Các quá trình sóng, dòng chảy, vận chuyển bùn cát, bồi/ xói và cân bằng vật chất tại vùng nghiên cứu (VNC) và lân cận nói riêng thay đổi liên tục vì chúng phụ thuộc vào nhiều cơ chế biến động mạnh theo thời gian và không gian.
Theo chúng tôi, mô hình toán cần chọn nhằm thực hiện chuyên đề này phải có đủ công cụ, tính năng và chức năng để giải quyết được các bài toán và vấn đề đặt ra ở trên, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến biên mềm và biên di động trên vùng BVB-CS. Mô hình MIKE21/3 tích hợp Couple Model FM là một trong số rất ít mô hình toán hiện đại đáp ứng được các yêu cầu nêu trên.
Mô hình MIKE21/3 Couple Model FM là mô hình thuộc họ MIKE là sản phẩm thương mại nổi tiếng của Viện thuỷ lực Đan Mạch (DHI) và đã được DHI nghiên cứu và phát triển liên tục trong hơn 20 năm qua, đã được điều chỉnh thông qua trên 400 ứng dụng trên thế giới và nhiều công trình ở Việt Nam. Đây là một mô hình thủy lực số đã được kiểm định chặt chẽ về mặt học thuật và ứng dụng thực tế rộng rãi ở Việt Nam và thế giới. Sử dụng MIKE21/3 Couple Model FM sẽ thỏa mãn được các tiêu chuẩn Quốc tế.
Mô hình MIKE21/3 Couple Model FM là sản phẩm mới (xây dựng năm 2004 - 2011) và tiến bộ nhất của bộ phần mềm chuyên dùng họ MIKE, gồm nhiều module được xây dựng để sử dụng trong 4 lĩnh vực chính: thuỷ lực sông biển và hải văn, sóng, các quá trình sa bồi và thuỷ lực môi trường. Đây là mô hình thủy lực số trên lưới phi cấu trúc được tích hợp để mô phỏng các quá trình thủy lực có kết hợp chặt chẽ với nhau trên vùng nước nông, là dòng chảy, sóng và vận chuyển vật chất (trong đó có vận chuyển bùn, vận chuyển cát, lan truyền và phát tán các loại chất nước thải, dầu mỏ).
Tóm lại, tác giả cho rằng:
1. Mô hình tích hợp MIKE21/3 Couple Model FM là mô hình rất thích hợp hợp, là lựa chọn tối ưu để mô phỏng/dự báo các quá trình thủy động lực học, phổ sóng, vận chuyển bùn cát và bồi xói tại VNC.
2. Các module cần sử dụng đồng thời bao gồm: Model thủy động lực học (MIKE21/3HD) để xác định trường dòng chảy và trường độ sâu cột nước.
Module phổ sóng (MIKE21/3SW) để xác định trường sóng và ứng suất tán xạ sóng.
Module vận chuyển bùn và cát mịn
MIKE21/3MT và bồi/xói do vận chuyển bùn và cát mịn.
2.3.2. Giới thiệu mô hình MIKE 21/3 Coupled Model FM
MIKE 21/3 Coupled Model FM là hệ thống mô hình thủy động lực ứng dụng cho môi trường sông và cửa sông ven biển.
Các Module có thể được tích hợp với nhau tuỳ theo mục đích sử dụng. Như phân tích ở mục 2.3.1 trong đề tài này, tác giả tích hợp đồng thời 3 Module:
Hydrodynamic Module (Module thủy động lực)
Spectral Wave Module (Module phổ sóng)
Mud Transport Module (Module vận chuyển bùn)
Module Thủy động lực học MIKE21/3Hydrodynamic Module
Đây là module cơ bản (viết tắt là module HD) của mô hình tích hợp MIKE 21/3 coupled Model FM. Ở mức tổng quát, các cơ sở khoa học mô hình thủy động lực học này đã được bàn đến trong các sách giáo khoa bậc đại học. Nền tảng của nó là các phương trình Reynold đối với chất lỏng không nén được, là kết quả của phép toán trung bình hóa các phương trình Navier-Stokes với giải thiết Boussinesq và áp suất thủy tĩnh. Hệ phương trình cơ bản của module HD bao gồm: phương trình liên tục, bảo toàn động lượng, bảo toàn nhiệt lượng, bảo toàn độ mặn, phương trình trạng thái (công thức xác định mật độ nước theo nhiệt độ và độ mặn) và được khép kín bởi các mô hình động lực rối bán kinh nghiệm. Trong một số trường hợp, mô hình này còn bao gồm phương trình bảo toàn các chất có ảnh hưởng đến trạng thái của nước (ngoài nhiệt độ và độ mặn, ví dụ bùn cát lơ lửng hạt mịn, hay độ đục…).
Module Phổ sóng MIKE21/3 Spectral Wave Module
Module Phổ sóng MIKE 21/3 SW được tích hợp trong mô hình MIKE 21/3 coupled Model FM là một mô hình động lực sóng thế hệ mới. Chức năng chính là mô phỏng sự hình thành, phát triển, phân rã và biến đổi của sóng gió dưới sự tác động của các yếu tố quan trọng. Điểm nổi bật của MIKE 21 SW là được kết nối với các module tính toán dòng chảy, mực nước, vận chuyển bùn cát và bồi xói.
Module Vận chuyển bùn cát MIKE21/3 Mud Transport Module
Module Vận chuyển bùn và cát mịn MIKE21/3 MT là mô hình mô phỏng các quá trình xói, vận chuyển và bồi lắng của bùn và/hoặc bùn và cát mịn hỗn hợp dưới tác động của sóng và dòng chảy. Đầu ra của mô hình MIKE21 HD (và MIKE 21 SW nếu cần) là đầu vào của MIKE 21 MT. Mô hình bao gồm các quá trình vật lý sau:
Tính toán vận chuyển bùn có nhiều thành phần (tối đa là 8); Tính toán bồi xói cho đáy cấu tạo nhiều lớp (tối đa 12 lớp); Ảnh hưởng của tương tác sóng – dòng chảy;
Tính đến hiệu ứng kết bông, keo tụ; Sự cản trở lắng đọng bùn cát; Vận chuyển một phần của cát mịn; Trượt;
Sự đan kết các lớp bùn cát; Mô hình hình thái đơn giản.
Cơ sở học thuật chi tiết của các module được trình bày trong phần phụ lục 1.
2.3.3. Thiết lập mô hình
2.3.3.1. Phạm vi và biên vùng tính toán
Để đảm báo tính hệ thống và tính liên tục cả các quá trình xác định cơ chế hình thành và quy luật diễn biến của vùng nghiên cứu, mô hình nghiên cứu vùng mở rộng được thiết lập cho toàn miền Biển Đông với mục đích nhằm tính toán biên sóng nước sâu làm biên cho các mô hình nghiên cứu chi tiết hơn, các biên chính của mô hình mở rộng là eo biển Đài Loan, eo Basi, 2 eo qua Philippine và eo Singapore.
Vùng nghiên cứu chính, được chọn đủ rộng để đảm bảo giảm thiểu ảnh hưởng do các yếu tố bất định tại các biên mở tới vùng nghiên cứu chính, cũng như tối ưu nhất về mặt thời gian chạy mô hình, được lựa chọn thông qua thử nghiệm.
Trong nghiên cứu này, phạm vi không gian vùng nghiên cứu chính bao trùm từ cửa Mỹ Thanh (Sóc Trăng) đến khu vực huyện Cần giờ, thành phố Hồ Chí Minh.
Eo Philippine 1 Sông Mekong Eo BaSi Eo Đài Loan Hình 2.11: Phạm vi vùng nghiên cứu mở rộng VNC Eo Singarpore Eo Philippine 2
2.3.3.2. Lưới tính và các CSDL đầu vào
Trong đề tài này, sóng, dòng chảy, dao động mực nước, vận chuyển bùn cát và diễn biến lòng dẫn được tính toán đồng thời bằng mô hình tích hợp MIKE 21/3 Coupled Model FM trên một lưới cho một miền tính.
Kết quả xây dựng lưới tính cho miền tính toàn biển Đông và miền tính chính như trên hình 2.11 và hình 2.12, trong đó:
1. Đối với lưới tính cho miền tính toàn biển Đông, cần xác lập các số liệu đầu vào như sau:
a) Cao trình đáy và bờ biển (gọi là CSDL địa hình, DEM). Kết quả như trên hình 2.11;
b) CSDL mô phỏng ma sát đáy và bờ biển; hệ số ma sát gió; c) CSDL về hệ số tán xạ rối;
d) Các thông số tính toán về sóng và dòng chảy như:
Bước tính, thời điểm tính, thời khoảng tính sóng và thủy động lực học; Cấu trúc không gian pha của phổ sóng;
Các thông số liên quan đến tương tác giữa sóng với dòng chảy, sóng với sóng, khô, ngập, ướt; Hinh 2.12: Phạm vi vùng nghiên cứu chính Biên bắc Biên đông Biên nam Biên sông CL
e) Số liệu trường gió nền được sử dụng trong nghiên cứu này được trích từ kết quả mô hình khí hậu toàn cầu CFSR (Climate Forecast System Reanalysis) của Trung tâm dự báo môi trường thuộc Cơ quan quản lý đại dương và khí quyển Mỹ (NCEP/NOAA).
f) CSDL biên mực nước và các thông số sóng tới tại 6 đoạn biển mở (hình 2.11) là:
Eo Đài Loan
Eo Basi
2 eo qua quần đảo philippine
Eo Singopore
Các mặt cắt sông Hậu và sông Tiền
Sông Nhà bè.
CSDL biên mực nước tại các đoạn biên cũng được xem là độc lập với các quá trình sóng, dòng chảy, dao động mực nước, vận chuyển bùn cát, bồi xói tại VNC, nên được xác định một lần, dùng chung cho tất cả các phương án tính toán sóng, dòng chảy, dao động mực nước, vận chuyển bùn cát, bồi xói tại VNC. Giả thiết này là có cơ sở khoa học và rất phù hợp với thực tế là VNC nằm rất xa các đoạn biên này. Trong đó các CSDL biên mực nước được xác định qua bộ hằng số điều hoà của các sóng triều, đã được kiểm định rất chặt chẽ và có kể tới ảnh hưởng của các yếu tố tác động lên dao động mực nước.
Vài hình ảnh diễn biến mực nước tại các trạm này như trên hình 2.13→ 2.17
Hình 1.14: Giá trị mực nước tại eo Đài Loan
Hình 2.15: Giá trị mực nước tại eo Singapore
Hình 2.17: Giá trị mực nước tại eo Philipines 02
Hình 2.18: Trường gió điển hình Đông Bắc và Tây Nam
Như vậy, đối với lưới tính toàn biển Đông, các vấn đề liên quan đến bồi xói, hiệu ứng nhiệt muối sẽ bị bỏ qua vì chúng không quan trọng đối với VNC.
Nhiệm vụ chính của mô hình toán cho lưới tính toàn biển Đông là lập CSDL cho 3 đoạn biển mở của miền tính chính.
2. Đối với lưới tính cho miền tính chính, cần xác lập các số liệu đầu vào như sau:
a) Cao trình đáy và bờ biển (gọi là CSDL địa hình, DEM) ban đầu. Kết quả như trên hình 2.19;
b) CSDL mô phỏng ma sát đáy và bờ biển;