Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Ba sở hữu diện tích tự nhiên hơn 13.000 km2, là lưu vực sông nội địa lớn nhất khu vực Nam Trung Bộ và lớn thứ hai tại Việt Nam. Vùng cửa sông Đà Diễn thuộc địa phận thành phố Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên, giữ vị trí huyết mạch kinh tế - xã hội khi là nơi neo đậu của hơn 900 tàu cá khai thác xa bờ và là trung tâm dịch vụ hậu cần nghề cá ngừ đại dương lớn nhất duyên hải miền Trung. Đô thị Tuy Hòa với hơn 200.000 dân cư nằm trải dài dọc hai bờ hạ lưu sông Đà Rằng đến cửa biển chịu ảnh hưởng trực tiếp từ mọi biến động lòng dẫn.

Tuy nhiên, chế độ hình thái cửa sông Đà Diễn diễn biến vô cùng phức tạp theo mùa. Hiện tượng bồi lấp nghiêm trọng đã từng khiến cửa sông bị đóng kín hoàn toàn trong các năm 1990, 1998 và 2007. Ngược lại, vào các mùa mưa lũ cực đoan, cửa sông bị xói toạc và mở rộng đột biến, tiêu biểu như trận lũ lịch sử năm 1993 với lưu lượng đỉnh 21.500 m3/s đo tại trạm Củng Sơn đã khoét rộng cửa biển trên 1.000 m.

Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Thủy văn học tập trung ứng dụng phương pháp hồi quy đa biến Logistic từng bước nhằm xây dựng mô hình nhận thức về diễn biến độ rộng cửa sông Đà Diễn trong giai đoạn tự nhiên từ năm 1988 đến năm 2009. Nghiên cứu xác lập cơ sở khoa học định lượng về mức độ tác động của từng yếu tố động lực sông biển, hỗ trợ chính quyền địa phương tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí nạo vét định kỳ và đưa ra giải pháp chỉnh trị bờ biển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết động lực học hình thái cửa sông ven biển của Pitchard (1963) và Shigemura (1976), kết hợp quy trình phát triển mô hình nhận thức của Robinson (2008, 2011). Luận văn vận dụng các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm:

  • Vực nước cửa sông bán khép kín: Vùng giao thoa động lực phức tạp giữa dòng chảy sông và sóng, triều biển.
  • Mô hình nhận thức (Conceptual Model): Mô hình cấu trúc hóa các quá trình vật lý thực tế dưới dạng đơn giản hóa logic, đóng vai trò bản thiết kế định hướng cho việc xây dựng mô hình toán mô phỏng thủy thạch động 2D và 3D.
  • Lăng trụ triều (Tidal Prism): Tổng thể tích nước trao đổi qua mặt cắt cửa sông trong một chu kỳ triều, được tính toán dựa trên diện tích vịnh ngập triều khoảng 125 km2.
  • Trạng thái hình thái nhị phân: Quy ước biến phụ thuộc độ rộng cửa sông theo hai trạng thái thu hẹp (0) hoặc mở rộng (1) dựa trên sự biến động khoảng cách hai mũi cát bờ Bắc và bờ Nam.

Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nghiên cứu, tác giả đã thu thập nguồn dữ liệu đa dạng bao gồm: chuỗi số liệu lưu lượng dòng chảy ngày suốt 38 năm (1977 - 2016) tại trạm thủy văn Củng Sơn (cách cửa biển 35 km về phía thượng lưu); dữ liệu tái phân tích khí tượng và trường sóng toàn cầu từ Trung tâm Dự báo Thời tiết Hạn vừa Châu Âu (ECMWF) tại tọa độ 13°7'30"N giai đoạn 1988 - 2009; số liệu hằng số điều hòa thủy triều đo đạc thực tế từ Đề tài cấp Nhà nước ĐTĐL.15/15.

Quy trình chọn mẫu và phân tích dữ liệu được tiến hành chặt chẽ:

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thu thập tổng số 350 cảnh ảnh vệ tinh Landsat giai đoạn 1988 - 2015 từ Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS). Áp dụng phương pháp chọn mẫu mục đích để chọn lọc 109 ảnh đạt chuẩn cho giai đoạn 1988 - 2009, loại bỏ 241 ảnh do ảnh hưởng mây mù che phủ, ảnh hưởng lỗi bộ quét dòng SLC sau năm 2003 của Landsat 7 và các cặp ảnh có biến động biên độ dưới 30 m nhằm triệt tiêu sai số hình thái.
  • Phương pháp xử lý ảnh: Ứng dụng chỉ số khác biệt nước cải tiến MNDWI trên phần mềm ENVI 5.1 và công cụ GIS, tận dụng dải phổ hồng ngoại sóng ngắn (SWIR bước sóng 1,660 - 1,750 μm) để tách biệt ranh giới mặt nước và bãi cát với độ chính xác không gian 15 - 30 m.
  • Lý do lựa chọn mô hình hồi quy đa biến Logistic từng bước (Stepwise Logistic Regression): Phương pháp này kết hợp kỹ thuật chọn tiến (Step-up) và loại lùi (Step-down), tự động sàng lọc 6 nhóm biến độc lập gồm năng lượng gió (We), hướng gió (Wd), năng lượng sóng (Se), hướng sóng (Sd), lăng trụ triều (P) và lưu lượng sông (Q) sau khi đã chuẩn hóa về khoảng giá trị từ 0 đến 1. Việc chuyển đổi hình thái về biến nhị phân giúp giải quyết triệt để vấn đề sai số do độ phân giải ảnh vệ tinh và biểu diễn chính xác xác suất đóng mở cửa sông.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thống kê và chạy mô hình hồi quy đa biến Logistic từng bước theo 3 phân kỳ thời gian trong năm đã đem lại những phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, trong giai đoạn 1 (từ tháng 1 đến tháng 4 - mùa khô kiệt, thịnh hành gió mùa Đông Bắc), phân tích 23 cặp ảnh vệ tinh ghi nhận có tới 18 trường hợp cửa sông bị bồi lấp và thu hẹp dần, chiếm tỷ lệ áp đảo 78%. Độ rộng cửa sông trong thời kỳ này co hẹp phổ biến chỉ còn từ 50 m đến 150 m.

Thứ hai, năng lượng sóng (Se) và hướng sóng biển (Sd) là hai yếu tố chi phối mạnh mẽ nhất đến xu thế bồi lấp cửa sông trong mùa cạn. Sóng hướng Đông Bắc với chiều cao sóng trung bình từ 1,0 m đến cực đại 4,0 m tạo ra luồng vận chuyển bùn cát dọc bờ và ngang bờ cực lớn hướng thẳng vào cửa sông, trong khi lưu lượng dòng chảy từ sông Ba trong 8 tháng mùa khô chỉ chiếm khoảng 29,2% tổng lượng dòng chảy cả năm (tháng 4 cạn kiệt nhất chỉ đạt 1,5% lượng dòng chảy năm).

Thứ ba, lưu lượng dòng chảy thượng lưu (Q) tại trạm Củng Sơn là biến độc lập mang tính quyết định đối với khả năng mở rộng cửa sông trong giai đoạn 3 (từ tháng 10 đến tháng 12 - mùa lũ). Khi lưu lượng dòng chảy vượt ngưỡng 2.060 m3/s, xác suất mở rộng cửa sông đạt trên 85%. Đặc biệt, dòng chảy mùa lũ chiếm tới 71,8% tổng lượng nước năm, trong đó tháng 11 có lưu lượng bình quân đạt 862 m3/s (gấp hơn 18 lần lưu lượng bình quân tháng 4), đủ động lực xói trôi toàn bộ bãi bồi lắng đọng trước cửa.

Thứ tư, nghiên cứu làm rõ tác động tiêu cực của các công trình nhân sinh trên lưu vực. Toàn bộ 198 hồ chứa thủy lợi và thủy điện với tổng dung tích 1.560,2 triệu m3 đã giữ lại phần lớn bùn cát (chỉ khoảng 10% lượng phù sa về được hạ du). Kể từ khi thủy điện Sông Ba Hạ công suất 250 MW vận hành, dòng chảy 1 ngày cực tiểu mùa cạn tại hạ lưu giảm 17%, đồng thời tần suất dòng chảy xung thấp tăng 57%, làm mất cân bằng thủy thạch động lực và thúc đẩy bồi lấp cửa sông diễn ra nhanh hơn.

Thảo luận kết quả

Diễn biến hình thái cửa sông Đà Diễn phản ánh sự xung đột rõ rệt giữa hai nguồn động lực tự nhiên theo mùa. Vào mùa kiệt, động lực biển chiếm ưu thế hoàn toàn khi lưu lượng nước ngọt qua đập Đồng Cam (công trình phục vụ tưới cho 19.000 ha) bị chặn lại gần như toàn bộ. Sự suy kiệt dòng chảy làm mất áp lực đẩy từ phía sông, khiến sóng biển Đông Bắc dễ dàng bồi đắp các dải cát chắn ngang cửa. Ngược lại, vào mùa lũ, động lực sông lấn át hoàn toàn, áp lực dòng chảy đáy xói sâu và cuốn trôi các doi cát bồi tích.

Dữ liệu hình thái có thể được biểu diễn trực quan thông qua bảng ma trận xác suất chuyển đổi trạng thái cửa sông kết hợp biểu đồ hoa sóng và đường tần suất lũ trạm Củng Sơn. Kết quả phân tích hồi quy Logistic thể hiện sự nhất quán cao với các nghiên cứu thủy động lực học ven biển miền Trung, đồng thời cung cấp thêm công cụ dự báo định lượng xác suất thu hẹp luồng tàu theo các kịch bản năng lượng sóng và lưu lượng xả từ các hồ chứa thủy điện.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô hình nhận thức, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý cụ thể nhằm ổn định hình thái cửa sông Đà Diễn:

  • Vận hành điều tiết xả lũ và duy trì dòng chảy môi trường: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp với Tập đoàn Điện lực Việt Nam và UBND tỉnh Phú Yên điều chỉnh quy trình vận hành liên hồ chứa cho 12 công trình thủy điện lớn (tổng công suất 701 MW) và thủy điện Sông Ba Hạ. Cần duy trì lưu lượng xả tối thiểu liên tục về hạ du trong các tháng kiệt cao điểm (từ tháng 2 đến tháng 5) đạt từ 35 m3/s đến 45 m3/s trước năm 2028, nhằm giảm 40% nguy cơ bồi lấp luồng tàu.
  • Hoàn thiện hệ thống kè mỏ hàn chỉnh trị luồng: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Phú Yên triển khai nâng cấp hệ thống kè cứng bờ Bắc và kè mỏ hàn khu vực Xóm Rớ phía bờ Nam với tổng chiều dài đê kè kiên cố hóa đạt trên 1.200 m trong giai đoạn 2027 - 2030, giúp giảm 70% nguy cơ xói lở sâu vào khu dân cư khi xuất hiện triều cường và sóng bão vượt cấp 9.
  • Quy hoạch nạo vét thông minh và duy tu luồng lạch: Ban Quản lý Cảng cá Phú Yên và Sở Giao thông Vận tải áp dụng cảnh báo từ mô hình nhận thức để tổ chức nạo vét thông luồng chủ động vào đầu tháng 9 hàng năm với khối lượng nạo vét định lượng từ 150.000 m3 đến 200.000 m3 cát/năm, đảm bảo luồng chạy tàu đạt độ sâu an toàn cho hơn 900 tàu cá ra khơi.
  • Thiết lập hệ thống viễn thám và trạm quan trắc tự động: Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Phú Yên phối hợp với các cơ sở đào tạo xây dựng trạm quan trắc tự động đo sóng, mực nước triều kết hợp ứng dụng ảnh viễn thám độ phân giải cao định kỳ hàng tuần giai đoạn 2027 - 2029 để cập nhật kịp thời biến động đường bờ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Các nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Thủy văn học, Hải dương học và Kỹ thuật tài nguyên nước: Nắm bắt phương pháp kết hợp công nghệ viễn thám xử lý ảnh Landsat qua chỉ số MNDWI với mô hình hồi quy đa biến Logistic từng bước để giải quyết bài toán biến động đường bờ cửa sông ven biển.
  • Cơ quan quản lý nhà nước tại địa phương (Sở Tài nguyên và Môi trường, Chi cục Thủy lợi Phú Yên): Sử dụng số liệu thống kê về tần suất bồi lấp 78% trong mùa cạn để hoạch định chiến lược phòng chống thiên tai, bảo đảm an toàn cho đô thị Tuy Hòa và duy trì hoạt động cho 900 tàu khai thác hải sản.
  • Đơn vị tư vấn, thiết kế công trình thủy lợi và giao thông thủy: Tham khảo các thông số thủy thạch động lực học, lưu lượng lũ thiết kế cực đại 21.500 m3/s và chiều cao sóng lớn nhất 4,0 m nhằm tính toán kết cấu đê kè chắn sóng và cửa âu hợp lý.
  • Các ban quản lý dự án quy hoạch phát triển bền vững lưu vực sông: Tiếp cận mô hình nhận thức như một công cụ đánh giá tác động môi trường tích hợp khi xây dựng các hồ chứa thủy điện và hệ thống cấp nước tưới tiêu.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp hồi quy đa biến Logistic từng bước có ưu thế gì vượt trội so với các phương pháp nghiên cứu cửa sông truyền thống? Phương pháp giúp định lượng hóa mức độ tác động của từng yếu tố động lực học, tự động loại trừ các biến không có ý nghĩa thống kê. Việc đưa biến phụ thuộc về dạng nhị phân giúp loại bỏ hoàn toàn các sai số do giới hạn độ phân giải không gian 15 - 30 m của ảnh vệ tinh.

Tại sao cửa sông Đà Diễn lại có xu hướng bị bồi lấp nghiêm trọng nhất vào mùa khô? Trong 8 tháng mùa khô, dòng chảy từ sông Ba chỉ chiếm khoảng 29,2% tổng lượng nước năm, kết hợp với việc đập Đồng Cam tích nước tưới cho 19.000 ha khiến hạ lưu kiệt quệ. Ngược lại, sóng biển hướng Đông Bắc với chiều cao 1,0 - 4,0 m hoạt động mạnh, đẩy lượng bùn cát ven bờ bồi đắp lấp kín lòng dẫn.

Vì sao luận văn lại giới hạn chuỗi số liệu xây dựng mô hình trong giai đoạn 1988 - 2009? Giai đoạn 1988 - 2009 phản ánh quy luật thủy văn tự nhiên của lưu vực. Sau năm 2008 - 2009, thủy điện Sông Ba Hạ công suất 250 MW đi vào hoạt động cùng hệ thống 198 hồ chứa đã làm thay đổi căn bản chế độ dòng chảy và bùn cát, cần một chuỗi quan trắc độc lập để nghiên cứu bổ sung.

Chỉ số MNDWI mang lại hiệu quả như thế nào trong việc giải đoán ranh giới bờ cửa sông? Chỉ số MNDWI khai thác dải phổ hồng ngoại sóng ngắn (SWIR bước sóng 1,660 - 1,750 μm) có mức độ hấp thụ nước tuyệt đối, giúp phân tách rõ rệt ranh giới giữa nước mặt và các đối tượng đất cát, bãi bồi, triệt tiêu tạp âm phản xạ so với các chỉ số viễn thám thông thường.

Kết quả mô hình nhận thức này có thể áp dụng cho các cửa sông khác tại miền Trung không? Khung phương pháp luận xử lý viễn thám và mô hình hồi quy Logistic hoàn toàn có thể nhân rộng cho các cửa sông có hình thái tương đồng tại Nam Trung Bộ như cửa Đà Nông hay cửa Lễ Thịnh, với điều kiện phải tái chuẩn hóa và hiệu chỉnh các thông số sóng, triều và lưu lượng theo dữ liệu thực tế tại địa phương.

Kết luận

  • Ứng dụng thành công phương pháp hồi quy đa biến Logistic từng bước kết hợp công nghệ viễn thám để xây dựng mô hình nhận thức định lượng về diễn biến hình thái cửa sông Đà Diễn.
  • Giải đoán chuẩn xác 109 cảnh ảnh vệ tinh Landsat qua chỉ số MNDWI, chứng minh quy luật bồi lấp thu hẹp cửa sông chiếm tỷ lệ 78% trong giai đoạn mùa cạn (tháng 1 đến tháng 4).
  • Làm sáng tỏ cơ chế xung đột động lực học: năng lượng sóng biển Đông Bắc cao 1,0 - 4,0 m quyết định quá trình bồi lấp mùa kiệt, trong khi lũ lớn trên 2.060 m3/s giữ vai trò mở rộng cửa sông mùa mưa.
  • Đánh giá tác động suy giảm 17% lưu lượng kiệt 1 ngày hạ lưu do hệ thống 198 hồ chứa lưu vực sông Ba gây ra, cung cấp luận cứ bảo vệ dân sinh cho 200.000 người dân thành phố Tuy Hòa.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật công trình đê kè mỏ hàn dài trên 1.200 m và điều tiết xả dòng chảy tối thiểu từ 35 m3/s đến 45 m3/s.

Đóng góp then chốt của luận văn là hoàn thiện mô hình nhận thức đóng vai trò bản lề khoa học cho việc phát triển các mô hình số trị mô phỏng thủy thạch động học chi tiết giai đoạn 2027 - 2030. Các nhà quản lý quy hoạch và đơn vị nghiên cứu tài nguyên nước cần khai thác ngay kết quả này để triển khai các dự án chỉnh trị cửa sông và vận hành liên hồ chứa một cách bền vững.