- Hội nghị Khoa học Địa chất biển toàn quốc lần thứ II ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG HẢI VĂN ĐẾN BIẾN ĐỘNG ĐỊA HÌNH ĐÁY VÙNG VEN BỜ CHÂU THỔ SÔNG HỒNG Vũ Duy Vĩnh, Bùi Văn Vượng Viện Tài nguyên và Môi trường biển, 246, Đà Nẵng, Ngô Quyền, Hải Phòng Email:
[email protected] TÓM TẮT Bài viết này trình bày một số kết quả ứng dụng mô hình tổng hợp (thủy động lực- sóng- vận chuyển bùn cát) trên cơ sở hệ thống mô hình Delft3D để mô phỏng các đặc điểm thủy động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy vùng ven bờ châu thổ sông Hồng (CTSH).
- Mô hình đã được kiểm chứng với số liệu đo đạc và được thiết lập các nhóm kịch bản khác nhau để đánh giá vai trò của từng yếu tố như gió, sóng, dao đông mực nước đến biến động địa hình đáy ở khu vực nghiên cứu.
- Nguồn cung trầm tích quyết định đến tốc độ bồi, vào mùa mưa tốc độ bồi tụ lớn nhất khá lớn (trung bình 2.215cm) so với 0.03cm trong mùa khô.
- Hướng sóng- gió cũng có những ảnh hưởng khác nhau đến quá trình vận chuyển bùn cát cũng như biến động địa hình ở vùng ven bờ CTSH.
- Yếu tố này có thể quyết định đến vị trí và tốc độ hình thành của vùng bồi tụ lớn nhất.
- Vào mùa mưa, sóng-gió NE làm giảm tốc độ bồi ở phía ngoài cửa Đáy, ven bờ Hải Hậu và tăng tốc độ bồi ở cửa Văn Úc.
- Trong khi gió- sóng hướng SE là tăng tốc độ bồi ở khu vực cửa Đáy, ven bờ Hải Hậu, giảm mạnh tốc độ bồi ở cửa Văn Úc.
- Gió – sóng trong mùa mưa ở tất cả các hướng làm giảm tốc độ bồi ở cửa Ba Lạt và tăng tốc độ bồi ở cửa Trà Lý.
- Trong mùa khô, DĐMN là yếu tố làm giảm tốc độ bồi, tăng tốc độ xói phía ngoài ở khu vực cửa Ba Lạt và Văn Úc, đồng thời tăng tốc độ bồi sát bờ ở các mặt cắt này.
- Ngược lại ở cắt mặt cắt phía nam (Đáy), DĐMN là yếu tố làm tăng tốc độ bồi cả ở sát bờ và phía ngoài.
- Riêng ở khu vực ven bờ Hải Hậu, DĐMN cùng với sóng thúc đẩy quá trình xói ở vùng sát bờ.
- Trong mùa mưa, tác động của DĐMN cũng thể hiện ảnh hưởng khác nhau với mỗi mặt cắt và hướng sóng gió: làm giảm tốc độ bồi tụ ở cả phía ngoài và sát bờ (Văn Úc hướng E, SE.
- Đáy hướng NE), giảm tốc độ bồi phía ngoài nhưng tăng tốc độ bồi sát bờ (Văn Úc hướng NE, Ba Lạt, Hải Hậu hướng SE, Đáy hướng E).
- tăng tốc độ bồi cả ở sát bờ và phía ngoài (Đáy hướng SE, Hải Hậu hướng E, SE.
- TỪ KHÓA: trầm tích lơ lửng, biến động địa hình, châu thổ sông Hồng, mô hình.
- Đây cũng là nơi có một vị trí và ý nghĩa rất quan trọng đối với sự phát triển kinh tế xã hội của khu vực.
- Trong những năm gần đây vấn đề bồi tụ xói lở của khu vực này là một trong những vấn đề được quan tâm nhiều vì nó không những ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của người dân trong khu vực mà còn liên quan đến quy hoạch phát triển bền vững của vùng.
- Trong đó có một số nghiên cứu dựa trên cách tiếp cận bằng mô hình toán học thông qua đó đánh giá các đặc điểm vận chuyển bùn cát và biến động địa hình ở khu vực Văn Lý [7,13], Nam Định [3].
- Mặc dù có nhiều nghiên cứu liên quan nhưng có hai vấn đề còn hạn chế trong những nghiên cứu này: các mô hình sử dụng chưa kết nối để Tiểu ban Địa chất và tài nguyên, Khoáng sản 285 tính toán đồng thời: thủy động lực (TĐL)-sóng-và vận chuyển bùn cát mà mới chỉ tính toán rời rạc từng yếu tố (như TĐL và sóng riêng) sau đó kết hợp lại.
- phạm vi khu vực của mô hình chỉ giới hạn trong một vùng nhỏ nên chưa đánh giá được sự vận chuyển bùn cát giữa các khu vực nhỏ trong vùng cũng như bức tranh tổng quan về sự di chuyển bùn cát của toàn vùng ven bờ CTSH.
- Bài viết này sẽ trình bày một số kết quả nghiên cứu về biến động địa hình đáy cho toàn bộ vùng ven bờ CTSH dựa trên việc thiết lập mô hình tổng hợp (TĐL - sóng- vận chuyển bùn cát) và ảnh hưởng của một số yếu tố hải văn đến biến động địa hình đáy ở khu vực này.
- Tài liệu Số liệu độ sâu và đường bờ của khu vực ven bờ CTSH được số hóa từ các từ các bản đồ địa hình UTM hệ tọa độ địa lý VN 2000 tỷ lệ 1: 50000 do Cục Đo đạc Bản đồ xuất bản năm 2005.
- Độ sâu và địa hình của khu vực phía ngoài và lân cận cũng như vùng vịnh Bắc Bộ sử dụng cơ sở dữ liệu GEBCO -1/8.
- Đây là số liệu địa hình có độ phân dải 0.5 phút được xử lý từ ảnh vệ tinh kết hợp với các số liệu đo sâu [10].
- Trong nghiên cứu này, các số liệu gió quan trắc trong nhiều năm ở trạm hải văn Hòn Dáu, Văn Lý và Bạch Long Vỹ đã được thu thập và xử lý.
- Đây là những chuỗi số liệu được đo đạc bởi Trung tâm Khí tượng thuỷ văn Quốc gia với tần suất 6giờ/lần trong những năm gần đây.
- Số liệu đo mực nước tại Hòn Dáu được dùng để hiệu chỉnh mô hình.
- Số liệu thuỷ triều tại các biên mở phía biển là những hằng số điều hoà thuỷ triều (HSĐHTT).
- Các HSĐHTT được tính toán từ chuỗi số liệu quan trắc mực nước ở khu vực này.
- Tại những điểm biên lỏng phía biển không có số liệu quan trắc thì số liệu từ cơ sở dữ liệu FES của LEGOS và CLS.
- Các số liệu đo đạc lưu lượng nước sông được thu thập từ các đề tài liên quan đã thực hiện ở khu vực này, trong đó đáng chú ý là số liệu đo và tính toán gần đây ở các sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình, Trà Lý, Ba Lạt [4,18].
- Số liệu về nhiệt độ và độ muối nước biển ở vùng ven bờ CTSH được thu thập từ các đề tài liên quan [4,18].
- Ngoài ra, để sử dụng cho mô hình tính ở phía ngoài cho các điều kiện biên mở phía biển được thu thập từ cơ sở dữ liệu WOA09 [21] cho khu vực biển Đông.
- Số liệu dòng chảy đo đạc tại một số vị trí khảo sát trong khu vực nghiên cứu của một số đề tài dự án vùng ven bờ CTSH đã được thu thập xử lý [4,18] để phục vụ hiệu chỉnh kiểm chứng độ tin cậy của mô hình TĐL.
- Dòng bùn cát từ các sông đưa ra có vai trò hết sức quan trọng trong quá trình vận chuyển bùn cát ở vùng ven bờ cũng như đặc điểm tiến hóa của khu vực.
- Vì vậy chúng tôi cũng đã tiến hành thu thập và phân tích số liệu liên quan đến đến dòng bùn cát từ các sông đưa vào khu vực nghiên cứu từ đề tài liên quan [4,18].
- Phương pháp Để đánh giá đặc điểm biến động địa hình ở khu vực nghiên cứu, ngoài phương pháp chính là thiết lập hệ thống mô hình tổng hợp, các phương pháp sau cũng đã được sử dụng: Phương pháp GIS để số hóa và xử lý số liệu địa hình từ các bản đồ địa hình.
- Phương pháp tính toán thống kê để xử lý số liệu, tạo các file số liệu đầu vào cho mô hình thủy động lực – sóng và vận chuyển trầm tích.
- 286 Hội nghị Khoa học Địa chất biển toàn quốc lần thứ II Phương pháp phân tích và tính toán tốc độ lắng đọng trầm tích từ các mẫu khoan Phương pháp khai thác số liệu từ Cơ sở dữ liệu nhiệt muối WOA09 và cơ sở dữ liệu thủy triều FES2004.
- Các cơ sở dữ liệu này cùng cấp số liệu cần thiết để xác định các điều kiện biên mở cho mô hình tính toán TĐL vùng ngoài khơi (với lưới tính thô).
- Phương pháp lưới lồng (phương pháp NESTING trong Delf3d) được sử dụng trong nghiên cứu này để tạo ra các điều kiện biên mở phía biển của mô hình với lưới tính chi tiết từ một mô hình khác ở phía ngoài với lưới tính thô hơn.
- Thiết lập mô hình tổng hợp Trong nghiên cứu này, các điều kiện TĐL -sóng và vận chuyển trầm tích, biến động địa hình đáy được mô hình hóa bằng hệ thống mô hình tổng hợp Delft3d của Hà Lan.
- Đây là hệ thống mô hình có thể mô phỏng tốt điều kiện TĐL -sóng, vận chuyển bùn cát cũng như biến động địa hình đáy ở các vùng cửa sông ven bờ [5].
- Lưới tính của mô hình là hệ lưới cong trực giao.
- Phạm vi miền và lưới tính của mô hình Mô hình tổng hợp cho vùng ven bờ CTSH được thiết lập và chạy với thời gian là các mùa đặc trưng trong năm (mùa mưa và mùa khô) của các kịch bản khác nhau.
- Trong đó hai kịch bản hiện trạng được thiết lập để hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình gồm: mùa mưa (tháng 7-8-9 năm 2009).
- Bước thời gian chạy của mô hình TĐL là 0,5 phút.
- Các biên sông bao gồm toàn bộ 9 sông chính trong khu vực là Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình, Trà Lý, Ba Lạt, Ninh Cơ và Đáy.
- Với các điều kiên biên biển, số liệu để cung cấp cho các biên mở này là kết quả tính toán toán từ mô hình phía ngoài sau đó sử dụng phương pháp NESTHD để tạo các file số liệu nhiệt độ, độ muối, mực nước tại các điểm biên.
- Đây là các số liệu dạng chuỗi thời gian với tần suất 1h/lần.
- Đối với các biên sông, số liệu độ muối, nhiệt độ, hàm lượng trầm tích lơ lửng (TTLL) sử dụng cho các điều kiện biên sông ở khu vực nghiên cứu là các giá trị trung bình mùa được tính toán từ số liệu khảo sát.
- Trong nghiên cứu này, chỉ xét tới ảnh hưởng của gió, các yếu tố khí tượng khác như độ ẩm, lượng mưa, bức xạ, nhiệt độ không khí không tính đến trong mô hình.
- Số liệu gió đưa vào mô hình tính là các số liệu quan trắc tại Bạch Long Vỹ và Hòn Dáu trong tháng 2-3 và tháng 7-8-9 năm 2009 với tần suất 6h/lần.
- Mô hình khép kín rối 2 chiều là mô hình HLES và mô hình khép kín rối 3 chiều là mô hình k-є.
- Tốc độ xói trong tự nhiên đo đạc được biến đổi trong khoảng 10-5-10-3kg/m2s.
- Với tỷ trọng bùn cát đáy là 2650kg/m3, tỷ trọng trầm tích lơ lửng gần lớp biên đáy là 500kg/m3, tốc độ xói ban đầu được giả thiết là 10-3 kg/m2.s.
- Mô hình sóng trong nghiên cứu này được thiết lập chạy đồng thời (online coupling) với mô hình thủy động lực và mô hình vận chuyển trầm tích.
- Tại mỗi thời điểm tính toán (1h), mô hình sóng sẽ sử dụng lưới tính, trường gió, các kết quả tính độ sâu, mực nước, dòng chảy của mô hình thủy động lực.
- Điều kiện biên mở của mô hình sóng cho mô hình lưới thô phía ngoài sử dụng kết quả dự báo sóng của wave climate ở vùng vịnh Bắc Bộ [2] trong năm 2009.
- Kiểu ma sát đáy trong mô hình sóng ở nghiên cứu này được lựa chọn là phổ JONSWAP với hệ số ma sát đáy có giá trị 0.067 [5].
- Mô hình B&J [1] được lựa chọn để tính ảnh hưởng của nước nông nơi diễn ra quá trình sóng đổ [5].
- Hiệu chỉnh, kiểm chứng và các kịch bản tính của mô hình Các số liệu để hiệu chỉnh kiểm chứng kết quả tính của mô hình gồm.
- Số liệu mực nước đo đạc với tần suất 1h/lần do Trung tâm khí tượng thủy văn quốc gia thực hiện tại trạm Hải văn Hòn Dáu trong năm 2009.
- Số liệu đo đạc dòng chảy (được đo 2 tầng) và hàm lượng TTLL (lấy mẫu 2 tầng) tại vùng cửa Nam Triệu và phía ngoài khu vực Đồ Sơn vào mùa khô từ mùa mưa từ của các đề tài liên quan [4,18].
- Đối với kết quả tính toán DĐMN của mô hình, sau lần hiệu chỉnh cuối kết quả so sánh cho thấy đã có sự phù hợp cả về pha và biên độ giữa số liệu quan trắc và tính toán.
- 1.0 quan trắc mô hình 0.8 0.6 thành phần vận tốc U(m/s a) Thời gian (giờ) 1.0 0.8 quan trắc mô hình 0.6 thành phần vận tốc V(m/s b) thời gian (giờ) -1.2 Hình 2.
- So sánh kết quả quan trắc dòng chảy và tính toán từ mô hình tại phía ngoài cửa Ba Lạt .
- b- thành phần vận tốc V) Các giá trị quan trắc dòng chảy được phân tích thành các thành phần kinh hướng (u) và vĩ hướng (v) trước khi so sánh với các kết quả tính toán từ mô hình.
- Sau lần hiệu chỉnh cuối cùng, các kết quả so sánh cho thấy giữa quan trắc và tính toán dòng chảy ở khu vực này có sự phù hợp (hình 2).
- Kết quả so sánh tính toán hàm lượng TTLL từ mô hình với số liệu quan trắc cho thấy mặc dù còn chưa thực sự trùng khít giữa hai chuỗi số liệu trên nhưng ở đây cũng có sự phù hợp nhất định Tiểu ban Địa chất và tài nguyên, Khoáng sản 289 giữa hàm lượng TTLL tính toán và quan trắc cũng như sự phù hợp của các chuỗi số liệu này với biến đổi của mực nước trong thời gian phân tích.
- Để đánh giá ảnh hưởng của một sô yếu tố khí tượng hải văn đến biến động địa hình đáy biển ven bờ CTSH, các kịch bản tính toán khác nhau đã được thiết lập.
- Đặc điểm biến động địa hình đáy biển ven bờ châu thổ sông Hồng Biến động địa hình đáy biển vùng ven bờ CTSH phụ thuộc vào các điều kiện TĐL và nguồn cung trầm tích từ hệ thống sông đưa ra.
- Các kết quả tính toán mô phỏng cho thấy biến động địa hình đáy biển ở khu vực nghiên cứu có sự khác biệt lớn giữa mùa mùa và mùa khô.
- Vào mùa khô, địa hình đáy ở khu vực biến động rất nhỏ với giá trị dao động phổ biến trong khoảng -0.2-0.4mm/tháng.
- Một số khu vực có xu hướng bồi là vùng sát các cửa Nam Triệu, Lạch Tray, Văn Úc, Ba Lạt và Đáy.
- Trong khi đó, một số khu vực phía ngoài có xu hướng xói đáy là cửa Nam Triệu, cửa Văn Úc- Thái Bình, cửa Ba Lạt và vùng ven bờ Văn Lý - Hải Hậu.
- Tốc độ xói đáy cũng khá nhỏ và tăng dần theo thời gian, chủ yếu trong khoảng 0-0.2mm/tháng (hình 3-a).
- Biến động địa hình đáy vùng ven bờ CTSH sau 30 ngày tính (a- mùa khô.
- b- mùa mưa) Vào mùa mưa, xu hướng biến động địa hình thể hiện rõ rệt hơn, đặc biệt là xu thế bồi do nguồn 290 Hội nghị Khoa học Địa chất biển toàn quốc lần thứ II cung trầm tích từ lục địa đưa ra khá lớn.
- Trong đó các vùng có diện tích và tốc độ bồi lớn là khu vực cửa Nam Triệu, khu vực cửa Văn Úc- Thái Bình và phía Nam cửa Đáy (từ 6-10mm/tháng).
- Trong khi đó một số khu vực có xu hướng xói nhẹ là phía bắc cửa Trà Lý, vùng ven bờ Hải Hậu Văn Lý với tốc độ khoảng 0- 1mm/tháng (hình 3-b).
- Để so sánh các kết quả tính của mô hình với kết quả phân tích tốc độ bồi lắng phân tích từ các cột khoan trong nghiên cứu liên quan tại khu vực phía ngoài cửa Trà Lý [19], chúng tôi đã tính tốc độ bồi trung bình tại mặt cắt này từ kết quả tính toán cho mùa khô và mưa, các kết quả nhận được từ mô hình tính cho thấy tốc độ bồi lắng trung bình năm tại mặt cắt phía ngoài khu vực cửa Trà Lý là 0.38cm, 0.56cm và 1.02cm năm ứng với các hướng gió NE, E và SE.
- Những kết quả tính tại mặt cắt này so với phân tích từ cột khoan là 0.63-1.03cm năm [19] cho thấy sự phù hợp nhất định giữa mô hình tính với phương pháp nghiên cứu khác.
- Kết quả tổng hợp này cũng cho thấy tốc độ bồi lắng ở khu vực nghiên cứu luôn biến động và thay đổi theo hướng sóng-gió tác động.
- Tác động của một số yếu tố đến biến động địa hình Biến động địa hình ở vùng ven bờ CTSH là tổng hợp tác động của các yếu tố khác nhau như nguồn cung trầm tích, dao động mực nước (DĐMN), gió, sóng.
- Qua những phân tích ở từng mặt cắt với mỗi yếu tố có thể thấy rằng những tác động của gió, sóng, DĐMN đến biến động địa hình ở vùng ven bờ CTSH khác nhau phụ thuộc vào các vị trí khác nhau ở khu vực này.
- Biến động địa hình đáy biến tại mặt cắt phía ngoài cửa Ba Lạt (a- mùa khô, gió NE.
- Nguồn cung trầm tích quyết định đến tốc độ bồi, vào mùa mưa tốc độ bồi tụ khá lớn (trung bình 2.215cm/tháng) so với mùa khô (0.03cm/tháng) và hầu hết xuất hiện xu hướng bồi cho các mặt cắt từ khu vực cửa Đáy đến khu vực cửa Văn Úc.
- Tốc độ hình thành các bãi bồi này cao hơn ở khu vực cửa Văn Úc, Ba Lạt, Đáy và thấp hơn ở các cửa sông còn lại.
- Điều này cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của van Maren [15] ở khu vực cửa Ba Lạt.
- Gió – sóng trong mùa mưa ở tất cả các hướng làm giảm tốc độ bồi ở cửa Ba Lạt và tăng tốc độ bồi ở cửa Trà Lý - DĐMN triều là yếu tố quan trọng thứ 2 (sau sóng) tác động đến quá trình vận chuyển trầm tích, làm cho dòng trầm tích ở vùng cửa sông có điều kiện phát triển ra xa bờ hơn, giảm tốc độ bồi tụ ở khu vực bồi tụ mạnh.
- KẾT LUẬN Hệ thống mô hình TĐL-sóng- vận chuyển trầm tích là công cụ hữu hiệu để đánh giá biến động địa hình đáy theo không gian và thời gian cũng như ảnh hưởng riêng lẻ của một số yếu tố khí tượng 292 Hội nghị Khoa học Địa chất biển toàn quốc lần thứ II hải văn đến biến động này.
- Địa hình đáy ở khu vực nghiên cứu biến động rõ rệt theo mùa.
- Một số khu vực có xu hướng bồi là vùng sát các cửa Nam Triệu, Lạch Tray, Văn Úc, Ba Lạt và Đáy và xu hướng xói đáy ở cửa Nam Triệu, cửa Văn Úc- Thái Bình, cửa Ba Lạt và vùng ven bờ Văn Lý - Hải Hậu.
- Vào mùa mưa, xu hướng biến động địa hình thể hiện rõ rệt hơn, đặc biệt là xu thế bồi xuất hiện ở hầu hết các cửa sông chính.
- Nguồn cung trầm tích quyết định đến tốc độ bồi, vào mùa mưa tốc độ bồi tụ khá lớn (trung bình 2.215cm) so với mùa khô (0.03cm) và hầu hết xuất hiện xu hướng bồi cho các mặt cắt từ khu vực cửa Đáy đến khu vực cửa Văn Úc.
- DĐMN triều là yếu tố quan trọng tác động đến quá trình vận chuyển trầm tích, làm cho dòng trầm tích ở vùng cửa sông có điều kiện phát triển ra xa bờ hơn, giảm tốc độ bồi tụ ở khu vực bồi tụ mạnh.
- Hiện trạng nghiên cứu xói lở bờ biển huyện Hải Hậu.
- Phát triển hệ thống mô hình thủy nhiệt động lực-sinh thái biển phục vụ nghiên cứu và quản lý tài nguyên biển vùng ven bờ Việt Nam.
- Tốc độ lắng đọng và tuổi trầm tích ven bờ châu thổ sông Hồng: bằng chứng từ phóng xạ vết 210Pb và 137Cs