Luận văn thạc sĩ về đánh giá đặc trưng trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng

• Tác giả: Trần Anh Tú
• Người hướng dẫn: GS. Đinh Văn Ưu
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hải dương học
• Đề tài: Đánh Giá Trầm Tích Lơ Lửng Tại Cửa Sông Ven Biển Hải Phòng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• NGHĨA CỦA CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN KHU VỰC HẢI PHÒNG
• 1.1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
• 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.4. Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu
• 1.5. Chế độ khí hậu, khí tượng
• 2. CHƯƠNG II: TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Trầm tích lơ lửng
• 2.2. Phương pháp
• 2.3. Mô hình thủy động lực
• 2.4. Mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng
• 3. CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG TRẦM TÍCH LƠ LỬNG KHU VỰC CỬA SÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG
• 3.1. Phân bố TTLL theo thời gian
• 3.2. Đặc điểm TTLL khu vực các sông Hải Phòng
• 3.3. Đặc điểm TTLL khu vực xa bờ Hải Phòng
• 4. CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG TRẦM TÍCH LƠ LỬNG KHU VỰC CỬA SÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG BẰNG MÔ HÌNH DELFT3D
• 4.1. Triển khai mô hình thủy động lực
• 4.2. Triển khai mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng
• 4.3. Kết quả tính toán
• 4.3.1. Trầm tích lơ lửng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Nghiên cứu về trầm tích lơ lửng tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Các hiện tượng như sa bồi luồng cảng, xói lở bờ biển và độ đục trong nước đều liên quan đến trầm tích lơ lửng. Những khu vực có hàm lượng trầm tích lơ lửng cao ảnh hưởng đến tầm nhìn và sự sống của sinh vật trong môi trường nước. Hải Phòng, với vai trò là một thành phố cảng, chịu ảnh hưởng nặng nề từ dòng vật chất từ lục địa, đặc biệt là từ các sông Thái Bình và Hồng. Việc đánh giá trầm tích lơ lửng là cần thiết để bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế bền vững.

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Nghiên cứu về trầm tích lơ lửng đã được thực hiện từ hàng trăm năm qua, với nhiều thành tựu quan trọng. Các mô hình lý thuyết và thực nghiệm đã được phát triển để phục vụ cho việc bảo vệ công trình ven bờ. Các nhà nghiên cứu từ Mỹ, Hà Lan, và Nhật Bản đã tiên phong trong việc xây dựng các mô hình vật lý và toán học để mô phỏng quá trình vận chuyển trầm tích lơ lửng. Những nghiên cứu này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành và phát triển của trầm tích lơ lửng, mà còn cung cấp các giải pháp quản lý hiệu quả cho các khu vực ven biển.

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, nghiên cứu về trầm tích lơ lửng bắt đầu từ những năm 1980. Các mô hình thường được thiết lập để tính toán các yếu tố thủy động lực. Tuy nhiên, sự gắn kết giữa các yếu tố thủy và thạch động lực còn hạn chế. Các nghiên cứu gần đây đã chú trọng đến việc cải tiến các phương pháp tính toán và mô hình hóa để nâng cao độ chính xác. Các tác giả như Trần Hồng Thái và Đinh Văn Ưu đã có những đóng góp quan trọng trong việc nghiên cứu trầm tích lơ lửng tại các cửa sông ven biển, đặc biệt là khu vực Hải Phòng.

II. Đặc điểm tự nhiên khu vực nghiên cứu

Khu vực Hải Phòng nằm ở bờ tây vịnh Bắc Bộ, với bờ biển có dạng cong lõm và cấu tạo chủ yếu là bùn cát. Đặc điểm địa hình này tạo điều kiện cho sự hình thành và phát triển của trầm tích lơ lửng. Chế độ khí hậu tại đây có sự phân chia rõ rệt giữa mùa đông và mùa hè, ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển trầm tích lơ lửng. Lượng mưa lớn vào mùa hè và gió mùa đông bắc mạnh vào mùa đông tạo ra các điều kiện thủy văn đặc biệt, ảnh hưởng đến sự phân bố và biến động của trầm tích lơ lửng trong khu vực.

2.1 Thủy văn và hải văn

Khu vực nghiên cứu chịu tác động từ các sông lớn như Bạch Đằng, Cấm, và Thái Bình. Các sông này không chỉ cung cấp nước mà còn mang theo lượng lớn trầm tích lơ lửng ra biển. Sự tương tác giữa dòng chảy sông và thủy triều tạo ra các điều kiện thuận lợi cho sự lắng đọng và vận chuyển trầm tích lơ lửng. Tuy nhiên, hiện tượng xói lở và bồi tụ cũng diễn ra mạnh mẽ, gây khó khăn cho giao thông thủy và làm thay đổi cấu trúc dòng chảy.

2.2 Đặc điểm khí hậu

Khí hậu khu vực Hải Phòng là khí hậu nhiệt đới gió mùa, với mùa đông lạnh và khô, mùa hè nóng và ẩm. Nhiệt độ trung bình năm dao động từ 22,5-30,0°C, với lượng mưa tập trung chủ yếu vào mùa hè. Chế độ gió cũng có sự thay đổi theo mùa, ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển trầm tích lơ lửng. Sự gia tăng tần suất bão trong những năm gần đây cũng là một yếu tố cần xem xét trong việc đánh giá tác động đến môi trường ven biển.

III. Đánh giá hiện trạng trầm tích lơ lửng

Đánh giá hiện trạng trầm tích lơ lửng tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng cho thấy sự biến động lớn theo thời gian và không gian. Các số liệu thu thập được cho thấy hàm lượng trầm tích lơ lửng có sự thay đổi rõ rệt giữa các mùa. Mùa mưa thường có hàm lượng trầm tích lơ lửng cao hơn do lượng mưa lớn và dòng chảy mạnh từ các sông. Ngược lại, mùa khô lại có hàm lượng thấp hơn, ảnh hưởng đến chất lượng nước và sinh thái khu vực.

3.1 Phân bố trầm tích lơ lửng theo thời gian

Số liệu cho thấy hàm lượng trầm tích lơ lửng tại khu vực Hải Phòng có sự biến động theo mùa. Trong mùa mưa, hàm lượng trầm tích lơ lửng tăng cao do lượng nước từ các sông đổ về lớn, trong khi mùa khô lại giảm xuống. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng nước và các hoạt động kinh tế như nuôi trồng thủy sản và du lịch. Việc theo dõi thường xuyên là cần thiết để có những biện pháp quản lý hiệu quả.

3.2 Đặc điểm trầm tích lơ lửng khu vực các sông

Khu vực các sông như Bạch Đằng và Thái Bình có hàm lượng trầm tích lơ lửng cao, đặc biệt là trong mùa mưa. Sự lắng đọng trầm tích lơ lửng tại đây không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn đến hệ sinh thái ven bờ. Các nghiên cứu cho thấy sự gia tăng hàm lượng trầm tích lơ lửng có thể gây ra các vấn đề về ô nhiễm và giảm hiệu quả kinh tế của các hoạt động nuôi trồng thủy sản.

IV. Mô phỏng trầm tích lơ lửng bằng mô hình Delft3D

Mô hình Delft3D được triển khai để mô phỏng quá trình vận chuyển trầm tích lơ lửng tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. Mô hình này cho phép đánh giá chính xác hơn về sự phân bố và biến động của trầm tích lơ lửng theo thời gian. Kết quả tính toán cho thấy mô hình có khả năng dự đoán tốt các hiện tượng như sa bồi và xói lở, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho công tác quản lý và bảo vệ môi trường.

4.1 Triển khai mô hình thủy động lực

Mô hình thủy động lực được thiết lập để mô phỏng các yếu tố như dòng chảy và sóng, ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển trầm tích lơ lửng. Kết quả cho thấy sự tương tác giữa các yếu tố này có vai trò quan trọng trong việc xác định hàm lượng trầm tích lơ lửng tại khu vực nghiên cứu. Việc áp dụng mô hình này giúp cải thiện độ chính xác trong việc dự đoán các hiện tượng tự nhiên.

4.2 Kết quả tính toán

Kết quả từ mô hình Delft3D cho thấy sự phân bố trầm tích lơ lửng có sự thay đổi rõ rệt theo mùa. Mô hình đã chỉ ra rằng trong mùa mưa, hàm lượng trầm tích lơ lửng tăng cao, trong khi mùa khô lại giảm. Những thông tin này rất quan trọng cho việc quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường ven biển, đồng thời hỗ trợ các quyết định liên quan đến phát triển kinh tế bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng là vùng giao thoa phức tạp giữa dòng chảy lục địa và biển, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các hệ thống sông Thái Bình, sông Hồng. Hàm lượng trầm tích lơ lửng (TTLL) tại đây dao động lớn, từ khoảng 10 đến hơn 2000 mg/l tùy theo mùa và vị trí, gây ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước, hệ sinh thái và hoạt động kinh tế như cảng biển, du lịch, nuôi trồng thủy sản. Theo số liệu quan trắc trong giai đoạn 1996-2010, có tới gần 36% mẫu vượt giới hạn cho phép theo QCVN10:2008/BTNMT về TTLL (50 mg/l), đặc biệt tại các cửa sông Bạch Đằng, Cấm. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá đặc trưng TTLL theo mùa và không gian, đồng thời mô phỏng hiện trạng TTLL khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng bằng mô hình thủy động lực và lan truyền trầm tích Delft3D. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các cửa sông chính như Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và vùng biển ven bờ lân cận, với dữ liệu thu thập từ các năm 1996 đến 2010. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc quản lý môi trường ven biển, giảm thiểu tác động xói lở, sa bồi luồng lạch, đồng thời hỗ trợ hoạch định chính sách phát triển bền vững kinh tế biển và bảo vệ hệ sinh thái khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về vận chuyển trầm tích và thủy động lực vùng ven biển. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Lý thuyết thủy động lực và vận chuyển trầm tích: Giải phương trình Navier-Stokes trong môi trường nước nông, sử dụng hệ tọa độ cong trực giao để mô phỏng dòng chảy phức tạp tại cửa sông ven biển. Các quá trình vật lý như lực Coriolis, khuyếch tán rối, ứng suất đáy được tích hợp trong mô hình.

• Mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng: Dựa trên phương trình lan truyền và khuyếch tán vật chất, mô hình tính toán sự biến đổi hàm lượng TTLL trong cột nước, bao gồm các quá trình lắng đọng và tái lơ lửng, phụ thuộc vào ứng suất xung quanh đáy và các tham số đặc trưng như vận tốc lắng đọng, tiêu chuẩn ứng suất tới hạn.

Các khái niệm chính bao gồm: trầm tích lơ lửng (TTLL), ứng suất xung quanh đáy (Tau), ứng suất tới hạn cho lắng đọng (Taucrsed) và tái lơ lửng (Taucrres), vận tốc dòng chảy, và các yếu tố khí tượng thủy văn như gió, sóng, thủy triều.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm số liệu quan trắc TTLL, mực nước, vận tốc dòng chảy, khí tượng thủy văn thu thập từ các trạm quan trắc tại Hải Phòng và các tài liệu nghiên cứu trước đây trong giai đoạn 1996-2010. Dữ liệu địa hình và độ sâu được số hóa từ bản đồ địa hình tỷ lệ 1:50.000 và cơ sở dữ liệu ETOPO5, GEBCO.

Phương pháp phân tích chính là mô hình hóa số sử dụng phần mềm Delft3D, gồm hai mô hình thủy động lực và lan truyền trầm tích. Mô hình thủy động lực giải phương trình Navier-Stokes với hệ tọa độ cong trực giao, sử dụng lưới tính so le với kích thước ô lưới từ 48,24 đến 158,3 m, bước thời gian 30 giây. Mô hình lan truyền trầm tích sử dụng kết quả mô hình thủy động lực làm điều kiện nền, tính toán sự biến đổi TTLL theo thời gian và không gian.

Cỡ mẫu dữ liệu quan trắc gồm 501 số liệu TTLL, được chọn lọc từ các trạm cửa sông và vùng ven biển. Phương pháp chọn mẫu dựa trên vị trí đại diện cho các cửa sông chính và vùng biển lân cận. Quá trình hiệu chỉnh mô hình dựa trên so sánh số liệu mô hình với quan trắc thực tế, sử dụng sai số bình phương trung bình (Sbt) làm chỉ tiêu đánh giá độ chính xác.

Timeline nghiên cứu tập trung vào hai kịch bản mùa khô (tháng 3/2010) và mùa mưa (tháng 8/2010), mỗi kịch bản chạy mô hình trong 30 ngày.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Biến động TTLL theo mùa và không gian: TTLL tại các cửa sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc có giá trị trung bình mùa mưa cao hơn mùa khô, dao động từ 53 đến 215 mg/l trong mùa mưa và 42 đến 94 mg/l trong mùa khô. Tại cửa Bạch Đằng, giá trị TTLL mùa mưa trung bình đạt 407,6 mg/l, vượt 8 lần giới hạn cho phép (50 mg/l). Tại vùng biển xa bờ, TTLL thấp hơn, dao động từ 20 đến 99 mg/l, chưa vượt giới hạn.

2. Tỷ lệ vượt giới hạn cho phép (GHCP): Trong tổng số 501 mẫu quan trắc, có 186 mẫu (35,93%) vượt GHCP theo QCVN10:2008/BTNMT. Các năm 1996, 1997, 2006, 2007, 2009 có giá trị TTLL trung bình mùa vượt từ 1,04 đến 2,54 lần so với tiêu chuẩn.

3. Mô hình thủy động lực và lan truyền trầm tích: Mô hình Delft3D mô phỏng chính xác dao động mực nước với sai số bình phương trung bình lần lượt 0,29 m (mùa mưa) và 0,37 m (mùa khô). Vận tốc dòng chảy mô hình và quan trắc có sự khác biệt do đo đạc tại tầng mặt trong khi mô hình tính trung bình cột nước, nhưng xu hướng chung phù hợp.

4. Phân bố dòng chảy và TTLL theo mùa: Mùa khô, dòng chảy ven bờ yếu, vận tốc 0,1-0,8 m/s, TTLL lan truyền hạn chế, chủ yếu tập trung gần cửa sông với giá trị TTLL 30-50 mg/l. Mùa mưa, dòng chảy mạnh hơn (0,2-1,4 m/s), TTLL lan truyền rộng với giá trị >100 mg/l tại cửa sông Bạch Đằng và Cấm, hướng lan truyền chính về phía đông nam.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân biến động TTLL theo mùa chủ yếu do sự thay đổi lưu lượng nước và trầm tích từ các sông, cùng với ảnh hưởng của gió mùa và thủy triều. Mùa mưa, lượng nước và trầm tích tăng cao làm TTLL tăng đột biến, gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng nước và hệ sinh thái ven biển. Mùa khô, nguồn cung cấp giảm, dòng chảy yếu nên TTLL thấp hơn.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng chung về sự ảnh hưởng của thủy động lực và nguồn cung cấp trầm tích đến phân bố TTLL. Mô hình Delft3D chứng minh hiệu quả trong mô phỏng phức tạp các quá trình thủy-thạch động lực vùng cửa sông ven biển, tuy nhiên vẫn còn hạn chế do dữ liệu đo đạc chưa đồng nhất về tầng nước và độ phân giải không gian.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến động TTLL theo năm, bảng so sánh giá trị TTLL trung bình mùa và năm, biểu đồ vận tốc dòng chảy mô hình và quan trắc, cùng bản đồ phân bố TTLL theo mùa để minh họa rõ ràng sự biến đổi không gian và thời gian.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường quan trắc và giám sát TTLL định kỳ: Thiết lập mạng lưới quan trắc TTLL tại các cửa sông và vùng ven biển trọng điểm, đặc biệt trong mùa mưa để kịp thời phát hiện và xử lý các điểm vượt ngưỡng. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Phòng, thời gian: hàng năm.

2. Áp dụng mô hình số trong quản lý ven biển: Sử dụng mô hình Delft3D để dự báo biến động TTLL và dòng chảy, hỗ trợ hoạch định các biện pháp phòng chống xói lở, sa bồi luồng lạch. Chủ thể: Viện nghiên cứu hải dương học, thời gian: triển khai trong 3 năm tới.

3. Kiểm soát các hoạt động tác động đến trầm tích: Hạn chế nạo vét luồng lạch không kiểm soát, quản lý khai thác cát, bảo vệ rừng ngập mặn để giảm nguồn phát sinh trầm tích lơ lửng. Chủ thể: Ban quản lý cảng Hải Phòng, chính quyền địa phương, thời gian: liên tục.

4. Phát triển các công trình bảo vệ bờ biển và cửa sông: Xây dựng đê quai, kè chắn phù hợp với đặc điểm thủy động lực nhằm giảm thiểu xói lở và sa bồi, đồng thời không làm thay đổi cơ chế vận chuyển trầm tích tự nhiên. Chủ thể: Sở Xây dựng, thời gian: 5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà quản lý môi trường ven biển: Hỗ trợ đánh giá hiện trạng và dự báo biến động TTLL để xây dựng chính sách bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

2. Chuyên gia thủy động lực và mô hình hóa biển: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình số để nghiên cứu sâu hơn về vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình ven biển.

3. Doanh nghiệp cảng biển và du lịch: Hiểu rõ tác động của TTLL đến hoạt động khai thác, từ đó đề xuất giải pháp giảm thiểu chi phí nạo vét và bảo vệ môi trường.

4. Cơ quan nghiên cứu và đào tạo: Là tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu, luận văn về hải dương học, môi trường biển và quản lý tài nguyên nước.

Câu hỏi thường gặp

1. TTLL là gì và tại sao quan trọng?
   Trầm tích lơ lửng (TTLL) là các hạt vật chất nhỏ lơ lửng trong nước, ảnh hưởng đến chất lượng nước, tầm nhìn xuyên suốt và sinh vật thủy sinh. Ví dụ, TTLL cao làm giảm quang hợp của thực vật nước và gây ô nhiễm môi trường.

2. Phương pháp mô hình Delft3D có ưu điểm gì?
   Delft3D mô phỏng chính xác các quá trình thủy động lực và vận chuyển trầm tích trong môi trường phức tạp như cửa sông ven biển, giúp dự báo biến động TTLL theo mùa và không gian.

3. Tại sao TTLL mùa mưa lại cao hơn mùa khô?
   Mùa mưa, lưu lượng nước và trầm tích từ các sông tăng mạnh, làm tăng hàm lượng TTLL trong nước, trong khi mùa khô lưu lượng giảm, TTLL thấp hơn.

4. TTLL vượt giới hạn cho phép có tác động gì?
   TTLL vượt ngưỡng gây ô nhiễm nước, ảnh hưởng đến nuôi trồng thủy sản, làm giảm chất lượng bãi tắm và tăng chi phí nạo vét luồng lạch.

5. Làm thế nào để giảm TTLL trong khu vực ven biển?
   Kiểm soát nguồn phát sinh trầm tích, bảo vệ rừng ngập mặn, hạn chế nạo vét không kiểm soát và áp dụng các công trình bảo vệ bờ biển là các giải pháp hiệu quả.

Kết luận

• Đặc trưng TTLL khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng biến động mạnh theo mùa, với giá trị mùa mưa vượt 2,5 lần giới hạn cho phép.
• Mô hình Delft3D hiệu quả trong mô phỏng thủy động lực và lan truyền TTLL, hỗ trợ quản lý môi trường ven biển.
• Dòng chảy và TTLL có xu hướng lan truyền về phía đông nam, ảnh hưởng đến vùng nuôi trồng và bãi tắm.
• Cần tăng cường quan trắc, kiểm soát hoạt động nạo vét và phát triển công trình bảo vệ bờ biển để giảm thiểu tác động tiêu cực.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình và cập nhật dữ liệu để nâng cao độ chính xác và ứng dụng thực tiễn.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp quản lý dựa trên kết quả mô hình, đồng thời mở rộng nghiên cứu để dự báo biến đổi dài hạn, góp phần phát triển bền vững khu vực ven biển Hải Phòng.