Tính toán và phân tích xu thế bồi tụ, xói lở khu vực Cửa Đáy

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: “TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH XU THẾ BỒI TỤ, XÓI LỞ KHU VỰC CỬA ĐÁY” TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH XU THẾ BỒI TỤ, XÓI LỞ KHU VỰC CỬA ĐÁY Nguyễn Xuân Hiển(1), Dương Ngọc Tiến(1), Nguyễn Thọ Sáo(2) (1) Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường (2) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Bồi tụ và xói lở là một trong những quá trình thủy thạch động lực quan trọng nhất của mối tương tác động lực sông – biển. Trong nghiên cứu này đã phân tích xu thế bồi tụ và xói lở khu vực cửa Đáy bằng cách ứng dụng bộ mô hình MIKE. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khu vực cửa Đáy có xu thế bồi tụ là chủ yếu, tạo thành các cồn cát trước cửa Đáy và các doi cát dọc bờ thuộc địa phận huyện Nghĩa Hưng tỉnh Nam Định. Nguyên nhân do khu vực này được tiếp nhận 2 nguồn bổ sung trầm tích từ: i) sông Đáy đưa ra và lắng động dưới tác động của động lực biển; ii) lượng bùn cát được vận chuyển dọc theo bờ biển từ phía bắc (cửa Ba Lạt và Ninh Cơ). Ngoài ra, qua nghiên cứu này cho thấy, vào 4 tháng mùa lũ từ tháng 6 tới tháng 10 lượng trầm tích tích được các con sông đưa ra chiếm khoảng 80% lượng trầm tích cả năm. 1. Mở đầu Sông Hồng là con sông lớn nhất của miền bắc Việt Nam, hằng năm mang phù sa làm giàu thêm cho đồng bằng sông Hồng. Các con sông của hệ thống sông Hồng đưa bùn cát ra biển qua các cửa sông trong đó phải kể đến là 3 sông lớn: Sông Hồng chảy qua cửa Ba Lạt, sông Ninh Cơ và sông Đáy. Quá trình tương tác giữa động lực sông – biển gây ra quá trình bồi tụ, lắng đọng và xói lở vùng ven biển. Khu vực cửa sông Đáy đang có những thay đổi đáng kể về quá trình bồi tụ và lắng đọng trầm tích. Quá trình bồi tụ đang diễn ra rất mạnh tại đây làm tăng thêm diện tích đất tự nhiên nhưng cũng có ảnh hưởng nhất định đến quá trình động lực sông. Muốn xem xét sự phân bố trầm tích và mức độ bồi tụ và xói lở trầm tích chúng có thể sử dụng các bộ mô hình toán để xác định tốt hơn về mặt định lượng. Đã có nhiều mô hình tính toán quá trình vận chuyển trầm tích, trong đó có bộ mô hình MIKE của Đan Mạch. Đây là sản phẩn của Viện Thủy lực Đan Mạch, bộ mô hình gồm nhiều các mô đun nhỏ để có thể tính toán các yếu tố thủy động lực và môi trường nước. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã ứng dụng để xác định sựu phân bố trầm tích trên khu vực ven biển xung quanh cửa sông Đáy. 2. Mô hình mô phỏng trường động lực và vận chuyển trầm tích 2.1. Xây dựng bộ số liệu cơ sở cho mô hình Nghiên cứu này sử dụng bộ mô hình MIKE của Viện Nghiên cứu Thủy lực Đan Mạch với các môđun MIKE 11 để tính lưu lượng và nồng độ bùn cát từ trong sông đổ ra, mô đun MIKE 21 SW để tính sóng, môđun MIKE 21 HD tính toán và mô phỏng thủy lực và môđun MIKE 21 ST tính vận chuyển trầm tích. Địa hình miền tính cho mô hình MIKE 21 được lấy từ Hải đồ của Bộ Tư lệnh Hải quân với tỉ lệ khác nhau từ 1:10 000 đến 1:1 000 000. Tọa độ miền tính từ 19046’N đến 20021’N và 105056’E đến 106045’E. Trong đó, các bản đồ tỉ lệ lớn được dùng cho khu vực ven bờ và các đảo; bản đồ tỉ lệ nhỏ dùng cho vùng ngoài khơi. Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu, đã lựa chọn lưới phần tử hữu hạn tăng dần độ phân giải từ ngoài biển vào trong sát bờ. Diện tích nhỏ nhất của 1 phần tử là 1250m2 ở khu vực các cửa sông như: cửa Đáy, cửa Ninh Cơ và cửa Ba Lạt. Diện tích lớn nhất là 25km2 ở khu vực biên ngoài khơi. Miền tính có 2879 nút điểm, với độ phân giải thô nhất ở vùng ngoài khơi là 5000m, mịn nhất ở vùng bờ khu vực cửa sông là 50m. Các biên trong sông được lấy đến các trạm đo thủy văn Ba Lạt trên sông Hồng, Phú Lễ trên sông Ninh Cơ và Như Tân trên sông Đáy. Trong mô hình MIKE 11, bộ thông số mô hình cho mạng lưới sông Hồng – Thái Bình của nhóm Dự báo thủy văn của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường được sử dụng nhằm cung cấp điều kiện biên lưu lượng, nồng độ bùn cát tại các trạm thủy văn Ba Lạt, Phú Lễ và Như Tân trên các sông Hồng, Ninh Cơ và Đáy. (a) (b) Hình 1. Địa hình khu vực nghiên cứu (a) và lưới tính sử dụng trong mô phỏng (b) Trường khí tượng tại khu vực nghiên cứu được lấy theo số liệu thống kê tại trạm khí tượng Văn Lý. Các đặc trưng về cấp hạt và nồng độ trầm tích ban đầu được lấy từ số liệu đo đạc tại khu vực Cửa Đáy trong 2 đợt khảo sát: tháng 7 và tháng 11 năm 2009. Ngoài ra, các số liệu theo các công bố về địa chất, địa mạo khu vực này trước đây cũng được sử dụng trong nghiên cứu này [2,4]. 2.2. Hiêu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình  Mô hình MIKE 11 Mô hình MIKE 11 cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình trong dự báo tác nghiệp được sử dụng để tính toán lưu lượng dòng chảy và nồng độ bùn cát tại các trạm thủy văn cửa sông Ba Lạt, Phú Lễ và Như Tân. Do không có số liệu bùn cát thực đo tại các sông Hồng và Ninh Cơ số liệu nồng độ bùn cát đo đạc tại mặt cắt trạm thủy văn Như Tân từ ngày 1/11/2009 đến ngày 30/11/2009 được sử dụng để hiệu chỉnh bằng. Kết quả tính toán cho thấy, có sự tương đồng lớn về pha và độ lớn giữa nồng độ bùn cát tính toán và giá trị thực đo. 0 0.04 0.08 0.12 0.16 0.2 1/11/2009 0:00 7/11/2009 0:00 13-11-2009 00:00:00 19-11-2009 00:00:00 25-11-2009 00:00:00 Thời gian (giờ) N ồn g độ ( kg /m 3) Tính toán Thực đo Hình 2. So sánh nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Như Tân trên sông Đáy  Mô hình thủy lực MIKE 21 FM Mô hình được hiệu chỉnh theo số liệu đo đạc mực nước tại cửa sông Đáy (tọa độ: 10606’42’’E, 19056’18’’N) trong đợt khảo sát thuộc đề tài: “Nghiên cứu phương pháp dự báo biên triều cho các cửa sông” của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường từ ngày 19/08/2010 tới ngày 26/08/2010. Bộ thông số hiệu chỉnh sau đó được kiểm nghiệm với mực nước phân tích từ bộ hằng số điều hòa cho vị trí cửa sông Đáy cũng từ kết quả đề tài trên trong thời gian từ 01/09 tới 01/10/2010. Hình 3a, 3b dưới đây đưa ra biến trình mực nước tính toán và thực đo khi hiệu chỉnh và kiểm nghiệm tại cửa sông Đáy. Kết quả tính toán cho thấy có sự tương đồng cao về pha và biên độ mực nước giữa kết quả mô phỏng của mô hình và số liệu thực đo/phân tích trong cả hiệu chỉnh (hệ số tương quan là 0,99548) và kiểm nghiệm mô hình (hệ số tương quan là 0,88089). Do vậy, có thể sử dụng mô hình trong mô phỏng và tính toán vận chuyển trầm tích tại khu vực cửa sông Đáy. (a) Hiệu chỉnh (b) Kiểm nghiệm Hình 3. So sánh mực nước tính toán và thực đo/phân tích tại điểm cửa sông Đáy 3. Kết quả tính toán Để tính toán, đánh giá sự biến động , xu thế bồi xói tại khu vực cửa Đáy, nghiên cứu tiến hành tính toán trong vòng 1 năm với đầu vào là các trường thủy động lực được tính bằng mô hình MIKE 21 HD, biên lưu lượng và bùn cát từ sông được tính từ mô hình MIKE 11, các đặc trưng sóng có nghĩa cho các tháng trong năm được tính bằng mô hình MIKE SW với số liệu gió đặc trưng tháng được lấy từ số liệu thống kê tại trạm Văn Lý. a. Tháng 2 - 4 b. Tháng 5 - 7 c. Tháng 8 -10 d. Tháng 11 - 1 Hình 4. Độ cao và hướng sóng có nghĩa đặc trưng cho các tháng trong năm Hình 4 a, b, c, d đưa ra trường sóng có nghĩa đặc trưng tại các tháng trong năm tại khu vực ven biển và cửa sông Đáy. Có thể thấy rằng, chế độ sóng tại khu vực chịu sự chi phối mạnh của bởi chế độ gió với hướng sóng chủ đạo là hướng Đông Bắc vào mùa Đông và hướng Nam vào mùa hè. Độ cao sóng có nghĩa đặc trưng vào mùa Đông lớn hơn so với các mùa trong năm. a. 0h ngày 15/1/2010 (mùa đông) b. 0h ngày 15/8/2010 (mùa hè) Hình 5. Trường mực nước và dòng chảy tổng cộng tại một số thời điểm trong pha triều xuống đại diện cho đặc trưng mùa (a) (b) Hình 6. Mức độ biến đổi đáy (a) và địa hình đáy biển lúc 0h ngày 1-6-2010 (thời điểm đầu mùa lũ) (a) (b) Hình 7. Mức độ biến đổi đáy (a) và địa hình đáy biển lúc 0h ngày 1-10-2010 (thời điểm cuối mùa lũ) (a) (b) Hình 8. Mức đ ộbiến đổi đáy (a) và địa hình đáy biển lúc 0h ngày 31-12-2010 (sau 1 năm tính toán) Hình 5 a, b đưa ra trường mực nước và dòng chảy tại các thời điểm mùa hè và mùa đông trong năm tại khu vực ven biển và cửa sông Đáy. Mô hình MIKE 21 ST với các đầu vào kể trên được sử dụng mô phỏng chế độ vận chuyển bùn cát trong thời gian 1 năm, từ ngày 1/1/2010 đến 31/12/2010. Các hình 6, 7, 8 biểu thị sự thay đổi của địa hình đáy tại khu vực nghiên cứu theo các thời gian khác nhau trong năm. Kết quả tính toán cho thấy, đây là khu vực có chế độ thủy lực tương đối phức tạp và chế độ dòng chảy dọc bờ và dòng chảy từ sông Đáy chảy ra là yếu tố quyết định đến quá trình bồi lắng. Ở khu vực này, trầm tích chủ yếu là cát hạt nhỏ và mịn với đường kính hạt trung bình là 0,17mm. Theo tính toán, lưu lượng dòng chảy từ sông Đáy đưa ra khoảng 195.000 m3/ năm. Ngoài ra, lưu lượng dòng chảy tổng hợp cả năm qua mặt cắt tại bờ khu vực Nghĩa Hưng – Nam Định có hướng đi từ bắc xuống nam với lưu lượng khoảng 1.807.000 m3/năm. Lượng bùn cát của khu vực cửa Sông Đáy được tiếp nhận từ 2 nguồn lớn: nguồn thứ nhất là nguồn từ Sông Đáy đưa ra khoảng 34.000 tấn bùn cát/năm và nguồn thứ hai là dòng dọc bờ mang bùn cát từ phía bắc trở xuống khoảng 220.000 tấn bùn cát/năm. Kết quả tính toán cho thấy, quá trình bồi tụ cửa Đáy là sự giao thoa thủy thạch động lực của dòng chảy sông và dòng chảy dọc bờ. Dòng chảy sông mang dòng bùn cát đưa tới cửa sông, rồi lắng đọng tạo nên các khu vực bồi tụ trước cửa và hai phía của cửa Đáy. Kết quả tính toán sau một năm cho thấy, khu vực cửa Sông Đáy có xu thế bồi chủ đạo ở cả 2 bên cửa sông với diện tích bồi tụ khoảng 45 ha, độ cao bồi tụ khoảng 1m/năm. Khu vực bồi mạnh nhất là khu vực trước cửa Đáy bồi cao đến gần 2m. Khu vực phía đông cửa Đáy thuộc huyện Nghĩa Hưng – tỉnh Nam Định có xu thế bồi và hình thành dọc bờ. Khu vực phía tây thuộc huyện Kim Sơn – Ninh Bình bồi rất mạnh nhưng có xu thế bồi lắng rộng ra ngoài xuống phía nam. Xét về tính chất mùa theo kết quả tính toán cho thấy: lượng bùn cát từ sông mang ra được vận chuyển chủ yếu vào mùa lũ, chiếm khoảng 80% tổng lượng bùn cát cả năm. Vào mùa này, dòng chảy sông mang bùn cát ra xa bờ và dưới tác động của chế độ dòng chảy biển, bùn cát được phân bố lại và bồi tụ tại khu vực cửa sông, mức độ bồi tụ vào mùa lũ là chủ yếu. Vào thời kỳ cuối mùa lũ, lượng bùn cát vẫn được sông đưa ra nhưng với nồng độ và lưu lượng nhỏ hơn, mặt khác, tốc độ dòng chảy yếu không thể đưa bùn cát ra xa bờ được gây tích tụ tại lòng dẫn sông, cho nên độ cao đáy tại khu vực trong sông được nâng lên, trong khi đó, dưới tác động của dòng chảy biển, trầm tích đáy tại khu vực ven biển đã được phân bố lại. 4. Kết luận và kiến nghị Bộ mô hình MIKE đã được sử dụng trong nghiên cứu, đánh giá và phân tích xu thế bồi xói và vận chuyển trầm tích tại khu vực cửa sông Đáy và cho kết quả khả quan. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khu vực cửa Đáy có xu thế bồi tụ là chủ yếu, tạo thành các cồn cát trước cửa Đáy và các doi cát dọc bờ thuộc địa phận huyện Nghĩa Hưng tỉnh Nam Định. Nguyên nhân do khu vực này được tiếp nhận 2 nguồn bổ sung trầm tích từ: i) sông Đáy đưa ra và lắng động dưới tác động của động lực biển; ii) lượng bùn cát được vận chuyển dọc theo bờ biển từ phía bắc (cửa Ba Lạt và Ninh Cơ). Ngoài ra, qua nghiên cứu cho thấy, vào 4 tháng mùa lũ từ tháng 6 tới tháng 10 lượng trầm tích tích được các con sông đưa ra chiếm khoảng 80% lượng trầm tích cả năm. Vấn đề vận chuyển trầm tích và biến động hình thái – địa mạo sông, cửa sông và ven biển vẫn là vấn đề khó khăn cả trong lý thuyết và thực tiễn. Nghiên cứu này đã ứng dụng bộ mô hình MIKE nhằm phân tích xu thế bồi tụ và xói lở khu vực cửa Đáy. Tuy nhiên, do điều kiện hạn chế về mặt thời gian và số liệu, nghiên cứu này chỉ xem xét xu thế trong chu kỳ 1 năm, chưa đánh giá xu thế nhiều năm hay các sau các hiện tượng thời tiết đặc biệt. Ngoài ra, quá trình dịch chuyển và biến đổi đường bờ cũng chưa được xem xét trong nghiên cứu này. Do vậy, để đánh giá hiện tượng một cách đầy đủ và khách quan, trong các nghiên cứu tiếp theo, cần xem xét đánh giá bổ sung những hạn chế trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. GS. Đặng Ngọc Thanh, GS. Phạm Văn Ninh, GS. Mai Thanh Tân…(2005), Chuyên khảo Biển Đông, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội. 2. Đỗ Minh Đức (2004), Nghiên cứu sự hình thành và biến đổi quá trình bồi tụ-xói lở ở đới ven biển Thái Bình-Nam Định. Luận án Tiến sĩ chuyên ngành Địa chất công trình. 3. Lương Phương Hậu, Trịnh Việt An, Lương Phương Hợp (2002), Diễn biến cửa sông vùng đồng bằng Bắc Bộ. Nhà xuất bản Xây dựng, 2002. 4. Nguyễn Biểu, Vũ Trường Sơn, Dương Văn Hải và nnk, 2001. Địa chất khoáng sản biển nông ven bờ (0-30 m nước) Việt Nam tỷ lệ 1/500.000. Lưu trữ ĐC, Hà Nội. 5. Nguyễn Thế Tưởng (chủ biên) (2000), Sổ tay tra cứu các đặc trưng Khí tượng Thủy văn vùng thềm lục địa Việt Nam, NXB Nông nghiệp, Hà Nội. 6. Phạm Quang Sơn, 2004. Diễn biến lòng dẫn hạ lưu sông Hồng trong 15 năm vận hành khai thác nhà máy thủy điện Hoà Bình. TC Các khoa học về trái đất, 26/4: 520-531. Hà Nội. 7. MIKE 21 FLOW Model, Hydrodynamic Module – Scientific Documentation, DHI Software 2004. 8. MIKE 21 ST Non-Cohesive Sediment Transport Module, User Guide, DHI Softwave 2005. ANALYSIS OF DEPOSITTION AND EROSION PROCESSES PATTERN IN DAY ESTUARY BY NUMERICAL MODEL Nguyen Xuan Hien(1), Duong Ngoc Tien(1), Nguyen Tho Sao(2) (1) VietNam Institute of Meteorology, Hydrology and Environment (2) Ha Noi University of Science Accretion and erosion are the most important dynamic processes of ocean-river interaction. This study analysis deposition and erosion processes in Day estuary by using MIKE model. The result shows that, deposition process is predominant forming sand dunes in the Day river estuary and along the coast line of Nghia Hung district, Nam Dinh province. Two sedimentation sources are: i) sediment transported from Day river which deposited under the influence of sea dynamics; ii) sedimentation transported along the coast from the north (Ba Lat and Ninh Co estuaries). In addition, this study shows that, during the 4 months of flood season from June to October, the amount of sediments being transported by the rivers is up to 80% of the annual sediment transportation