Tổng quan nghiên cứu

Vùng cửa sông ven biển Hải Phòng là khu vực có vị trí địa lý chiến lược, đóng vai trò cửa ngõ ra biển của các tỉnh miền Bắc Việt Nam. Theo thống kê của Cảng vụ Hàng hải Hải Phòng, lượng hàng hóa qua cảng năm 2012 đạt 50,1 triệu tấn, tăng gấp 25 lần so với năm 1980, và năm 2021 vẫn duy trì ở mức khoảng 72,363 triệu tấn dù chịu ảnh hưởng của đại dịch Covid-19. Khu vực này chịu tác động mạnh mẽ của các yếu tố thủy triều, dòng chảy sông, bùn cát từ hệ thống sông Hồng – Thái Bình, cùng với tần suất bão cao, trung bình 4-5 cơn bão và áp thấp nhiệt đới mỗi năm. Những yếu tố này tạo nên sự biến động phức tạp về thủy động lực, vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình đáy biển, đặc biệt ảnh hưởng đến hiện tượng sa bồi luồng tàu vào cảng Hải Phòng với khối lượng bùn cát sa bồi hàng năm lên đến 2,5-3 triệu tấn.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng mô hình thủy động lực Delft3D để đánh giá ảnh hưởng của bão đến các điều kiện động lực, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy vùng ven biển Hải Phòng. Nghiên cứu tập trung vào hai cơn bão điển hình là Sơn Tinh 2012 và Sơn Tinh 2018, nhằm phân tích chi tiết sự thay đổi các quá trình thủy động lực và bùn cát trong điều kiện bão và không bão. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng với diện tích khoảng 2100 km², thời gian mô phỏng tập trung vào các mùa đặc trưng năm 2012 và 2018, cùng các giai đoạn trước, trong và sau bão.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiểu biết về tác động của bão đến các quá trình thủy động lực và bùn cát, góp phần cải thiện công tác quản lý, quy hoạch luồng tàu và duy tu nạo vét luồng cảng, từ đó đảm bảo an toàn hàng hải và phát triển kinh tế biển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên mô hình thủy động lực số trị Delft3D, một công cụ mô phỏng đa chiều được phát triển bởi Viện Thủy lực Delft (Hà Lan). Mô hình này bao gồm các module chính: thủy động lực (Delft3D-Flow), sóng (Delft3D-Wave), vận chuyển bùn cát (Delft3D-Sed) và biến động địa hình đáy (Delft3D-Mor). Các khái niệm chính được áp dụng gồm:

  • Chế độ thủy động lực: bao gồm dòng chảy triều, sóng, gió và áp suất khí quyển ảnh hưởng đến mực nước và vận tốc dòng chảy.
  • Vận chuyển bùn cát lơ lửng: quá trình bùn cát được dòng chảy và sóng khuấy động, di chuyển trong nước.
  • Biến động địa hình đáy: sự thay đổi độ sâu và hình dạng đáy biển do quá trình bồi tụ và xói mòn.
  • Tương tác sóng – dòng chảy: ảnh hưởng qua lại giữa sóng và dòng chảy trong việc vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình.

Mô hình sử dụng hệ tọa độ Sigma với 5 lớp độ sâu, cho phép mô phỏng chi tiết các quá trình thủy động lực và vận chuyển bùn cát theo chiều dọc và ngang.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm:

  • Dữ liệu địa hình: số liệu độ sâu và đường bờ được số hóa từ bản đồ tỷ lệ 1:50.000 và 1:25.000, bổ sung dữ liệu đo thực địa với độ phân giải khoảng 5m/điểm.
  • Dữ liệu khí tượng – thủy văn – hải văn: số liệu gió, áp suất, mực nước triều, sóng và dòng chảy thu thập từ các trạm quan trắc trong khu vực và dữ liệu toàn cầu từ NCEP, ECMWF, Copernicus.
  • Dữ liệu bùn cát: hàm lượng bùn cát lơ lửng và phân bố hạt bùn cát tầng mặt được thu thập từ các đề tài nghiên cứu trước.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình Delft3D với thiết lập lưới tính gồm 468 x 628 điểm, kích thước ô lưới từ 3,9m đến 264,5m, bao phủ diện tích khoảng 2100 km². Mô hình được chạy với bước thời gian 15 giây, thời gian mô phỏng bao gồm các mùa đặc trưng năm 2012 và 2018, cùng các giai đoạn trước, trong và sau bão Sơn Tinh 2012 và 2018.

Phương pháp chọn mẫu là sử dụng dữ liệu thực đo kết hợp với dữ liệu tái phân tích để thiết lập các điều kiện biên mở sông và biển. Việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên so sánh số liệu mực nước, sóng và dòng chảy thực đo tại các điểm Hòn Dấu, Đồ Sơn với kết quả mô phỏng, đạt hệ số tương quan mực nước 0,901 và 0,905 cho mùa khô và mùa mưa, sai số trung bình khoảng 0,26-0,27m.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến động thủy động lực theo mùa: Chế độ thủy động lực vùng cửa sông ven biển Hải Phòng biến đổi rõ rệt theo mùa. Vận tốc dòng chảy trung bình trong mùa mưa đạt từ 300 đến 2200 m³/s, trong khi mùa khô chỉ dao động từ 50 đến 300 m³/s. Mực nước triều có biên độ lên đến gần 4m, với dao động mực nước trung bình hàng tháng đạt 2,0 m.

  2. Ảnh hưởng của bão đến dòng chảy và sóng: Trong các cơn bão Sơn Tinh 2012 và 2018, vận tốc dòng chảy tầng mặt tại cửa Nam Triệu và cửa Lạch Huyện tăng từ 0,3 m/s đến 0,5 m/s so với điều kiện bình thường. Độ cao sóng tăng từ 0,4 m đến 2 m, làm gia tăng áp lực lên đáy biển và bờ biển.

  3. Tăng nồng độ bùn cát lơ lửng: Nồng độ bùn cát lơ lửng trong nước tăng đáng kể trong bão, từ 9 mg/l đến 50 mg/l so với điều kiện bình thường, đặc biệt tại các khu vực cửa sông Nam Triệu và Lạch Huyện. Quá trình này làm tăng nguy cơ sa bồi và thay đổi địa hình đáy.

  4. Biến động địa hình đáy do bão: Bão tác động trực tiếp đến biến động địa hình đáy, gây xói lở và bồi tụ không đồng đều. Khu vực bờ bên phải theo hướng tác động của bão tại cửa sông Văn Úc, Nam Triệu và Lạch Tray có sự biến đổi địa hình đáy rõ rệt, ảnh hưởng đến luồng tàu và an toàn hàng hải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các biến động trên là do sự kết hợp giữa gió mạnh, sóng lớn và mực nước dâng cao trong bão, làm tăng ứng suất cắt đáy và khuấy động bùn cát. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng với độ phân giải cao và mô hình tích hợp đồng thời thủy động lực – sóng – vận chuyển bùn cát đã cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về ảnh hưởng của bão.

Biểu đồ so sánh vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát trước, trong và sau bão thể hiện sự gia tăng đột biến trong giai đoạn bão, sau đó giảm dần về mức bình thường. Bảng số liệu biến động địa hình đáy tại các điểm khảo sát cho thấy sự thay đổi độ sâu từ vài cm đến hàng chục cm, phản ánh quá trình bồi tụ và xói mòn diễn ra nhanh chóng.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc dự báo sa bồi luồng tàu, hỗ trợ công tác duy tu nạo vét và quy hoạch phát triển cảng biển, đồng thời góp phần nâng cao năng lực ứng phó với thiên tai bão tại vùng ven biển Hải Phòng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và cập nhật mô hình thủy động lực: Thực hiện đo đạc thường xuyên các thông số thủy văn, khí tượng và bùn cát để cập nhật dữ liệu đầu vào cho mô hình Delft3D, nâng cao độ chính xác dự báo. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Khí tượng Thủy văn và Viện nghiên cứu biển, thời gian: liên tục hàng năm.

  2. Xây dựng kế hoạch duy tu nạo vét luồng tàu dựa trên mô hình dự báo: Sử dụng kết quả mô hình để xác định các khu vực sa bồi trọng điểm, lập kế hoạch nạo vét định kỳ nhằm đảm bảo an toàn cho tàu lớn cập cảng. Chủ thể thực hiện: Cảng vụ Hàng hải Hải Phòng, thời gian: hàng năm, đặc biệt trước mùa bão.

  3. Phát triển hệ thống cảnh báo sớm bão và biến động địa hình đáy: Kết hợp mô hình thủy động lực với hệ thống cảnh báo bão để dự báo kịp thời các biến động nguy hiểm, hỗ trợ công tác phòng chống thiên tai. Chủ thể thực hiện: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn Hải Phòng, thời gian: triển khai trong 2 năm tới.

  4. Nghiên cứu bổ sung ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng khác: Mở rộng mô hình tích hợp các yếu tố như mưa, độ ẩm, nhiệt độ không khí để đánh giá toàn diện hơn tác động của bão đến vùng ven biển. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu khoa học biển và khí tượng, thời gian: 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý cảng biển và giao thông thủy: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch duy tu luồng tàu, đảm bảo an toàn vận tải và phát triển bền vững cảng Hải Phòng.

  2. Các nhà khoa học và nghiên cứu biển: Tham khảo phương pháp mô hình tích hợp thủy động lực – sóng – vận chuyển bùn cát để phát triển các nghiên cứu tương tự tại các vùng ven biển khác.

  3. Cơ quan phòng chống thiên tai và ứng phó bão: Áp dụng kết quả mô phỏng để nâng cao hiệu quả cảnh báo sớm và giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

  4. Các nhà quy hoạch và phát triển đô thị ven biển: Dựa trên phân tích biến động địa hình đáy và bồi xói bờ biển để thiết kế các công trình bảo vệ bờ và phát triển hạ tầng phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình Delft3D có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Mô hình Delft3D cho phép mô phỏng đồng thời các quá trình thủy động lực, sóng và vận chuyển bùn cát với độ phân giải cao, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của bão đến biến động địa hình đáy và bùn cát lơ lửng.

  2. Tại sao chọn hai cơn bão Sơn Tinh 2012 và 2018 để nghiên cứu?
    Hai cơn bão này đại diện cho các điều kiện bão với cường độ và thời điểm đổ bộ khác nhau, giúp phân tích toàn diện ảnh hưởng của bão trong các tình huống thực tế khác nhau.

  3. Ảnh hưởng của bão đến vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát như thế nào?
    Bão làm tăng vận tốc dòng chảy từ 0,3 đến 0,5 m/s và nồng độ bùn cát lơ lửng từ 9 đến 50 mg/l, gây khuấy động mạnh và tăng khả năng sa bồi, ảnh hưởng đến luồng tàu và biến động địa hình đáy.

  4. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quản lý cảng biển?
    Kết quả mô hình giúp xác định các khu vực sa bồi trọng điểm, từ đó lập kế hoạch nạo vét luồng tàu hiệu quả, giảm chi phí duy tu và đảm bảo an toàn vận tải.

  5. Nghiên cứu có thể mở rộng như thế nào trong tương lai?
    Có thể tích hợp thêm các yếu tố khí tượng như mưa, nhiệt độ, độ ẩm, cũng như mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các vùng ven biển khác để nâng cao khả năng dự báo và quản lý bền vững.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thiết lập và hiệu chỉnh thành công mô hình Delft3D với độ phân giải cao, mô phỏng đồng thời thủy động lực, sóng và vận chuyển bùn cát tại vùng cửa sông ven biển Hải Phòng.
  • Hai cơn bão Sơn Tinh 2012 và 2018 có ảnh hưởng rõ rệt đến vận tốc dòng chảy, độ cao sóng, nồng độ bùn cát và biến động địa hình đáy, đặc biệt tại các cửa sông Nam Triệu và Lạch Huyện.
  • Kết quả mô hình cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý, duy tu nạo vét luồng tàu và phòng chống thiên tai tại khu vực.
  • Đề xuất các giải pháp tăng cường giám sát, xây dựng kế hoạch duy tu và phát triển hệ thống cảnh báo sớm nhằm giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu tích hợp các yếu tố khí tượng khác và áp dụng mô hình cho các vùng ven biển khác, đồng thời triển khai ứng dụng thực tiễn kết quả nghiên cứu.

Hành động ngay hôm nay để nâng cao năng lực quản lý vùng ven biển Hải Phòng, đảm bảo phát triển kinh tế biển bền vững và an toàn hàng hải trong bối cảnh biến đổi khí hậu và thiên tai ngày càng phức tạp.