Tổng quan nghiên cứu

Dải ven biển Tây Nam Việt Nam trải dài khoảng 600 km qua hai tỉnh Kiên Giang và Cà Mau, nằm trong phạm vi tọa độ từ 104°25' đến 105°10' kinh độ Đông và từ 08°30' đến 10°25' vĩ độ Bắc. Đây là khu vực có vị trí chiến lược đặc biệt về kinh tế biển, quốc phòng an ninh và sở hữu hệ sinh thái rừng ngập mặn trù phú. Tuy nhiên, trước tác động cộng hưởng của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và các hoạt động nhân sinh, đường bờ biển khu vực này đang trải qua những biến động hình thái phức tạp. Thống kê thực tế cho thấy hơn 50% trong tổng số 206 km bờ biển tỉnh Kiên Giang đã và đang đối mặt với tình trạng sạt lở nghiêm trọng, nhiều đoạn bờ biển bị lấn sâu hơn 200 m chỉ trong giai đoạn 2001–2008, đe dọa trực tiếp đến an toàn đê điều và đời sống dân cư ven biển.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm mục tiêu xác định rõ xu thế biến động đường bờ biển Tây Nam giai đoạn 2005–2017 thông qua việc tích hợp công nghệ viễn thám đa thời gian và Hệ thống thông tin địa lý (GIS). Thông qua việc phân tích chuỗi tư liệu ảnh vệ tinh Landsat các năm 2005, 2009, 2015 và 2017, luận văn định lượng cụ thể biên độ xói lở, bồi tụ, phân vùng mức độ rủi ro và thành lập bản đồ biến động bờ biển tỷ lệ 1:50.000. Kết quả đạt được cung cấp cơ sở dữ liệu không gian chuẩn xác với các chỉ số định lượng rõ ràng, phục vụ đắc lực cho công tác quy hoạch dải ven bờ, phòng chống thiên tai và phát triển kinh tế 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 hình thái động lực học bờ biển và tương tác hệ thống tự nhiên - nhân sinh vùng cửa sông ven biển. Về mặt địa mạo học, bờ biển là ranh giới tiếp xúc động giữa thạch quyển, thủy quyển và khí quyển, chịu sự chi phối liên tục của sóng, dòng triều và nguồn cung cấp trầm tích. Luận văn chuẩn hóa các khái niệm then chốt bao gồm: bờ trong (coast), bờ ngoài (shore), đới triều (littoral zone), đường bờ trong (coastline) và đường bờ ngoài (shoreline). Trong đó, đường bờ ngoài được xác định là giao tuyến giữa mực nước triều cao trung bình nhiều năm và bãi biển.

Cơ sở viễn thám trong việc chiết tách đường bờ dựa trên đặc trưng phản xạ phổ khác biệt giữa đất và nước. Nước có khả năng hấp thụ rất mạnh năng lượng bức xạ ở dải sóng cận hồng ngoại (NIR) và hồng ngoại sóng ngắn (SWIR), trong khi đất liền và thảm thực vật lại có độ phản xạ cao ở các kênh này. Để nâng cao độ tương phản và tách lọc tự động ranh giới nước mặt trong điều kiện địa hình phức tạp, chỉ số tách nước tự động AWEI (Automated Water Extraction Index) được áp dụng. Chỉ số này tối ưu hóa khả năng nhận diện vùng nước nông, triều kiệt và loại bỏ ảnh hưởng của bóng râm cũng như các vùng đất ngập nước ven bờ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng trong luận văn bao gồm 8 cảnh ảnh vệ tinh quang học Landsat TM5 và Landsat 8 OLI thuộc hai cảnh đường bay 126-53 và 126-54, thu nhận tại các thời điểm năm 2005, 2009, 2015 và 2017 với độ phân giải không gian 30 m. Dữ liệu thực địa bao gồm 21 điểm định vị GPS đo đạc trực tiếp vị trí đường bờ, kết hợp khảo sát địa mạo và hiện trạng lớp phủ rừng ngập mặn vào tháng 3 và tháng 4 năm 2017. Lý do lựa chọn ảnh Landsat đa thời gian vì đây là nguồn tư liệu đồng nhất, liên tục và có tính khả thi cao trong phân tích chuỗi thời gian dài trên phạm vi không gian rộng lớn.

Quy trình xử lý ảnh bắt đầu từ tiền xử lý: chuyển đổi giá trị cấp độ xám (DN) sang bức xạ tại đầu thu, hiệu chỉnh khí quyển bằng mô hình FLAASH đưa về giá trị phản xạ bề mặt, sau đó áp dụng phép trừ đối tượng tối (Dark Object Subtraction). Tiếp theo, chỉ số AWEInsh được tính toán theo công thức:

$$\text{AWEInsh} = 4 \times (\rho_{\text{band2}} - \rho_{\text{band5}}) - 0.75 \times \rho_{\text{band7}}$$

Ranh giới nước được xác lập tại ngưỡng giá trị 0 và được hiệu chỉnh theo số liệu mực nước thủy triều thực tế tại hai trạm hải văn Rạch Giá và Sông Đốc vào đúng thời điểm vệ tinh chụp ảnh. Cuối cùng, công cụ Hệ thống phân tích đường bờ kỹ thuật số (DSAS 4.0) chạy trên nền tảng ArcGIS được thiết lập với hệ thống đường cơ sở và hàng nghìn mặt cắt vuông góc cách đều nhau để đo đạc khoảng cách dịch chuyển và tốc độ biến động đường bờ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu không gian giai đoạn 2005–2017 trên toàn tuyến bờ biển Tây Nam ghi nhận sự tương phản rõ rệt giữa hai xu thế xói lở và bồi tụ:

  • Hiện tượng xói lở chiếm ưu thế tuyệt đối tại đoạn bờ Tây: Đoạn bờ biển kéo dài từ xã Vân Khánh (huyện An Minh, tỉnh Kiên Giang) đến thị trấn Cái Đôi Vàm (huyện Phú Tân, tỉnh Cà Mau) bị xói lở liên tục. Tốc độ xói lở trung bình dao động từ 2 m/năm đến 24 m/năm. Nhiều khu vực đai rừng phòng hộ bị biến mất hoàn toàn, xâm thực mạnh khiến các công trình quốc phòng như đồn biên phòng Kim Quy buộc phải di dời sâu vào đất liền.
  • Hiện tượng bồi tụ mở rộng mạnh mẽ tại khu vực Đất Mũi: Đoạn bờ từ cửa sông Bảy Hạp xuôi về phía Nam đến xã Đất Mũi (huyện Ngọc Hiển, tỉnh Cà Mau) ghi nhận xu thế bồi tụ và tiến ra biển mạnh nhất toàn vùng. Tốc độ lấn biển đạt từ 35 m/năm đến 80 m/năm, tạo nên các bãi bồi bùn cát rộng lớn tạo điều kiện cho thảm thực vật tiên phong như mắm, đước phát triển nhanh chóng.
  • Biến động phân hóa theo các giai đoạn nhỏ: Giai đoạn 2005–2009 và 2009–2015 chứng kiến tốc độ mất đất ven bờ gia tăng tại huyện An Biên và An Minh với tổng diện tích rừng ngập mặn bị thu hẹp đáng kể. Sang giai đoạn 2015–2017, tốc độ xói lở có xu hướng gia tăng cục bộ tại một số cung lõm bờ biển chịu tác động trực tiếp của sóng gió mùa Tây Nam.
  • Độ chính xác chiết tách đạt độ tin cậy cao: Kết quả kiểm chứng vị trí đường bờ chiết tách từ ảnh viễn thám năm 2017 với 21 điểm tọa độ đo đạc thực tế ngoài hiện trường cho sai số tuyệt đối trung bình và sai số trung phương nằm trong giới hạn cho phép của một điểm ảnh (dưới 15 m), khẳng định tính chính xác của phương pháp phân ngưỡng AWEI.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự biến động phức tạp của đường bờ biển Tây Nam là sự kết hợp giữa các yếu tố động lực tự nhiên và hoạt động con người. Về tự nhiên, khu vực chịu tác động trực tiếp của chế độ nhật triều và bán nhật triều không đều của vịnh Thái Lan, cùng với sóng biển thịnh hành theo hướng Tây Nam vào mùa mưa có khả năng bào mòn bở rời các trầm tích sét bột Holocen. Bên cạnh đó, sự suy giảm lượng bùn cát từ hệ thống sông Cửu Long do các công trình thủy điện thượng nguồn làm mất cân bằng bồi tích ven duyên hải. Về nhân sinh, việc phá rừng ngập mặn để mở rộng đầm nuôi tôm và khai thác nước ngầm quá mức gây sụt lún nền đất là tác nhân đẩy nhanh quá trình lấn sâu của biển.

Về phương diện trực quan hóa, toàn bộ kết quả biến động được biểu diễn trực quan thông qua bản đồ phân vùng biến động tỷ lệ 1:50.000 kết hợp biểu đồ phân bố tần suất tốc độ xói lở DSAS. Các bảng thống kê tổng hợp chiều dài đoạn bờ bị xói mòn theo từng cấp độ (yếu, trung bình, mạnh, rất mạnh) và biểu đồ cột so sánh diện tích bồi - xói qua các mốc thời gian 2005, 2009, 2015, 2017 giúp phân định rõ ràng các điểm nóng sạt lở cần ưu tiên can thiệp khẩn cấp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả phân vùng biến động, nghiên cứu đề xuất hệ thống giải pháp công trình và phi công trình đồng bộ nhằm giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo đảm sinh kế bền vững:

  • Xây dựng tuyến công trình kè ngầm giảm sóng: Triển khai thi công hơn 35 km đê trụ rỗng, kè đá ngầm giảm sóng ly bờ tại các khu vực sạt lở trọng điểm như Xẻo Nhàu (huyện An Minh), Hòn Đá Bạc (huyện Trần Văn Thời) và Đất Mũi (huyện Ngọc Hiển) nhằm tiêu hao 60–75% năng lượng sóng biển trước khi tiếp cận bờ, hoàn thành trước năm 2025 dưới sự chủ trì của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn hai tỉnh.
  • Khôi phục và trồng mới đai rừng phòng hộ ven biển: Tổ chức phục hồi sinh thái 2.500 ha rừng ngập mặn với cơ cấu cây tiên phong (mắm trắng, đước đôi) ở phía trong các tuyến đê giảm sóng nhằm giữ phù sa và cố định bãi bồi, phấn đấu đạt tỷ lệ che phủ rừng phòng hộ trên 85% dải bờ biển vào năm 2030 do Chi cục Kiểm lâm phối hợp cùng cộng đồng địa phương thực hiện.
  • Hoàn thiện quy hoạch hành lang bảo vệ bờ biển: Thiết lập ranh giới hành lang bảo vệ bờ biển tối thiểu 100–200 m tính từ đường mép nước triều cao trung bình nhiều năm, kiên quyết xử lý và di dời 100% các hộ dân, công trình xây dựng trái phép trong khu vực nguy hiểm trước năm 2026 do Ủy ban nhân dân cấp huyện thực hiện.
  • Hiện đại hóa công tác giám sát đường bờ bằng công nghệ số: Định kỳ 6 tháng một lần cập nhật cơ sở dữ liệu viễn thám đa nguồn (Sentinel-2, Landsat) kết hợp bay chụp UAV để cảnh báo sớm các điểm sạt lở mới phát sinh, giao Sở Tài nguyên và Môi trường vận hành hệ thống thông tin địa lý giám sát trực tuyến.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý Nhà nước và nhà hoạch định chính sách: Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các tỉnh Kiên Giang, Cà Mau sử dụng tư liệu để xây dựng quy hoạch không gian biển, phân bổ ngân sách công trình bảo vệ đê điều và lập kế hoạch di dân vùng thiên tai.
  • Kỹ sư công trình thủy và chuyên gia đê điều: Các viện nghiên cứu quy hoạch thủy lợi, ban quản lý dự án công trình nông nghiệp khai thác thông số động lực học bờ biển và biên độ xói lở thực tế để thiết kế kết cấu đê kè chắn sóng phù hợp với nền địa chất bùn yếu.
  • Nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học: Giới học thuật thuộc các chuyên ngành Bản đồ, Viễn thám, GIS, Địa lý tự nhiên, Hải dương học và Địa mạo tham khảo quy trình phân tích chỉ số AWEI kết hợp phần mềm DSAS làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu mở rộng.
  • Các tổ chức phi chính phủ và quản lý dự án sinh thái: Các dự án bảo tồn đất ngập nước, thích ứng biến đổi khí hậu vùng Đồng bằng sông Cửu Long sử dụng dữ liệu để xác định vùng ưu tiên trồng rừng ngập mặn và hỗ trợ mô hình sinh kế gắn với rừng phòng hộ.

Câu hỏi thường gặp

1. Chỉ số AWEInsh có ưu điểm vượt trội gì so với NDWI và MNDWI trong chiết tách đường bờ ven biển?
Chỉ số AWEInsh sử dụng đa kênh phổ kết hợp giữa dải xanh lục, hồng ngoại sóng ngắn và cận hồng ngoại, giúp ổn định giá trị ngưỡng phân tách đất - nước ở mức xấp xỉ 0. Điều này loại bỏ triệt để hiện tượng nhầm lẫn giữa mặt nước nông, đầm nuôi thủy sản và đất có độ ẩm cao vốn thường gặp khi dùng NDWI.

2. Công cụ DSAS tính toán tốc độ biến động đường bờ dựa trên những phương pháp toán học nào?
DSAS 4.0 cung cấp các phương pháp thống kê chính xác gồm: Tỷ lệ điểm cuối (End Point Rate - EPR), Hồi quy tuyến tính đơn giản (Linear Regression Rate - LRR) và Trung bình bình phương tối thiểu (Weighted Linear Regression - WLR). Các tham số này đo đạc chuẩn xác cự ly dịch chuyển dọc theo từng mặt cắt vuông góc với bờ.

3. Làm thế nào để loại trừ sai số do mực nước thủy triều thay đổi giữa các thời điểm chụp ảnh vệ tinh?
Nghiên cứu tra cứu số liệu mực nước thực đo tại các trạm thủy văn hải văn Rạch Giá và Sông Đốc tương ứng với giờ chụp của ảnh Landsat. Sau đó, đường bờ chiết tách được hiệu chỉnh cao độ hình học dựa trên mô hình số độ cao (DEM) và độ dốc bãi biển để đưa về cùng một chuẩn mực nước triều cao trung bình.

4. Tại sao vùng Đất Mũi (Cà Mau) lại có tốc độ bồi tụ mạnh từ 35 m/năm đến 80 m/năm trong khi vùng lân cận bị xói lở?
Đất Mũi nằm ở điểm hội tụ của dòng bồi tích ven bờ do dòng chảy ven duyên hải mang theo lượng phù sa màu mỡ từ cửa sông Cửu Long đổ về hướng Tây Nam. Khi gặp vùng nước nông và hệ thống rễ chằng chịt của rừng ngập mặn nguyên sinh, tốc độ dòng chảy giảm đột ngột khiến trầm tích lắng đọng nhanh chóng.

5. Giải pháp kè ngầm giảm sóng kết hợp trồng rừng ngập mặn mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật ra sao?
Kè ngầm giảm sóng làm nhiệm vụ triệt tiêu năng lượng sóng lớn ngoài xa, tạo vùng nước tĩnh phía trong để bùn cát lắng đọng tự nhiên. Môi trường bãi bồi ổn định này giúp cây ngập mặn non sống sót với tỷ lệ trên 80%, giảm 40% chi phí xây dựng so với kè cứng bảo vệ bờ truyền thống.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công quy trình ứng dụng công nghệ viễn thám Landsat và GIS trong việc chiết tách, theo dõi và đánh giá chính xác biến động đường bờ biển Tây Nam Việt Nam giai đoạn 2005–2017.
  • Xác lập bức tranh tương phản rõ nét với xu thế xói lở khốc liệt ở dải bờ Tây Kiên Giang - Cà Mau (tốc độ 2–24 m/năm) và bồi tụ mở rộng nhanh chóng tại mũi Cà Mau (tốc độ 35–80 m/năm).
  • Cung cấp bộ bản đồ chuyên đề và phân vùng biến động đường bờ tỷ lệ 1:50.000 có độ tin cậy cao, được kiểm chứng chặt chẽ với 21 điểm định vị GPS thực địa.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp phân vùng linh hoạt kết hợp công trình đê ngầm phá sóng và phi công trình khôi phục rừng phòng hộ ven biển, định hướng lộ trình triển khai cụ thể đến năm 2030.
  • Đây là tài liệu khoa học chuẩn xác, khuyến khích các nhà quản lý, kỹ sư công trình và các đơn vị nghiên cứu tiếp tục khai thác, ứng dụng vào thực tiễn quản lý dải ven biển Đồng bằng sông Cửu Long.