CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ XÓI MÒN BỜ BIỂN VÀ CÁC GIẢI PHÁP BẢO VỆ 1. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VỀ XÓI LỞ BỜ BIỂN Vùng ven biển (gần cửa sông) là nơi tương tác giữa các yếu tố đến từ sông, từ biển, từ con người, từ vĩ mô đến vi mô, từ nội sinh đến ngoại sinh, từ thường xuyên đến đột xuất. Mỗi khi có sự thay đổi một hoặc các thành phần trong hệ thống thì sẽ kéo theo nhiều sự thay đổi của các thành phần khác nhằm thiết lập một sự cân bằng mới. Trong những năm gần đây, dưới sự tác động của các yếu tố như nước biển dâng cao, các hoạt động kinh tế xã hội của con người ở vùng ven biển được đẩy mạnh,… đã làm cho quá trình bồi tụ – xói lở diễn biến phức tạp về cả quy mô lẫn cường độ.
Do đó, các hoạt động khoa học- công nghệ trong lĩnh vực nghiên cứu về bờ biển luôn phải đối mặt với những vấn đề khó khăn, phức tạp mà mặc dầu nó đã thật sự phát triển vào đầu thế kỷ XXI, ở trình độ hiện nay vẫn còn nhiều tồn tại chưa thể giải quyết được thỏa đáng. Nguyên nhân và cơ chế xói lở/bồi lắng của bờ biển bùn có rừng ngập mặn a) Các yếu tố động lực tác động lên vùng bờ biển Diễn biến của các dải bờ biển phụ thuộc nhiều vào các yếu tố thủy động lực tác động trực tiếp lên nó. Có rất nhiều các yếu tố tác động như sóng, thủy triều, gió, dòng ven bờ, dòng chảy từ sông,… làm biến đổi hình thái bờ biển theo thời gian, sự biến đổi hình thái này đôi khi làm cản trở các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội của con người. Vì vậy, từ thời cổ đại con người đã có những giải pháp nhằm chỉnh trị các tác động này.
Dấu tích của các công trình cảng và đê chắn sóng xây dựng tại cửa sông Nile vào khoảng 2500 năm trước Công nguyên [16] cho thấy rằng từ rất sớm con người đã quan tâm nghiên cứu các yếu tố thủy thạch động lực vùng ven bờ. 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tuy nhiên, phải đến đầu thế kỷ XX các kết quả nghiên cứu về lĩnh vực cửa sông ven biển mới bắt đầu thăng hoa. Những nghiên cứu ban đầu đã xây dựng nên các cơ sở lý thuyết cơ bản, phương pháp luận khoa học từ đó định danh được các yếu tố tác động gây nên diễn biến bờ biển, cửa sông và khái quát hóa được quá trình diễn biến của chúng bằng các phương trình toán học. - Nghiên cứu tác động của sóng đến diễn biến bờ biển.
Sóng được tạo nên bởi gió và sự thay đổi trong áp suất khí quyển. Đối với hình thái ven biển và thiết kế bảo vệ bờ biển sóng ngắn là một trong những thông số quan trọng nhất. Sóng ngắn có chu kỳ ít hơn khoảng 20 giây [18]. Sóng ngắn có thể chia thành sóng gió (gần bờ) và sóng lừng [55]: + Sóng gió (wind waves): Đây là những sóng tạo ra và chịu ảnh hưởng của trường gió địa phương.
Sóng gió bình thường tương đối dốc (cao và ngắn) và không đều. Sóng gió tạo ra sự vận chuyển bùn cát từ bờ ra ngoài khơi. + Sóng lừng (swell waves): Đây là sóng tự do, được hình thành sau khi gió ngừng thổi hoặc sóng gió truyền đi đến thủy vực khác không có gió. Sóng lừng có xu hướng hình thành mặt cắt ven biển.
- Nghiên cứu tác động của thủy triều đến diễn biến bờ biển: Triều thiên văn là hiện tượng dao động lên xuống theo chu kỳ của nước trên trái đất do chịu ảnh hưởng của lực hấp dẫn từ các thiên thể (chủ yếu là của mặt trăng và thứ đến là của mặt trời) [18] [55]. Biến đổi mực nước gây ra bởi thủy triều thiên văn tạo ra các dòng thủy triều. Dòng thủy triều quan trọng nhất liên quan đến hình thái ven biển là dòng chảy được tạo ra trong các cửa triều, nơi mà dòng chảy bị ép vào một khu vực hẹp. Vận tốc dòng thủy triều mạnh có thể đạt từ 1 – 3 m/s [64] [73].
- Nghiên cứu ảnh hưởng của nước biển dâng đến diễn biến bờ biển. Có 2 dạng nước biển dâng cơ bản: + Nước biển dâng dài hạn do biến đổi khí hậu: Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu đã đưa ra kết luận rằng trong suốt 100 năm qua, mực nước 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com biển trung bình đã tăng từ 10 đến 25 cm, thay đổi theo từng vùng khác nhau. Mực nước biển dâng sẽ làm tăng nguy cơ ngập lụt của các vùng trũng thấp, làm thay đổi chế độ vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ven biển [18]. Tất cả các yếu tố này sẽ dẫn đến những biến đổi cực đoan của bờ biển.
Ngoài ra, sự lún của mặt đất ở vùng ven biển cũng có thể coi như là một hình thức nước biển dâng lên tương đối và sẽ gây ra xói mòn ở phần trên của mặt cắt bờ biển. Lún có thể là một hiện tượng tự nhiên nhưng cũng có thể do các tác động của con người (như bơm hút nước ngầm, dầu khí,. + Nước biển dâng tức thời do sự kiện bão: Năm 1962 Bruun đặt ra giả thiết mực nước biển dâng là một nguyên nhân gây ra sự xói mòn bờ biển [28], và năm 1988 ông phát triển định luật Bruun, đưa ra công thức tính toán độ xói mòn bờ biển dựa trên độ dâng mặt nước và độ dốc bờ biển [29]. Lý thuyết này của ông được nhiều nhà khoa học ủng hộ và sử dụng nó như một công cụ quản lý ven biển cho nhiều cộng đồng và quốc gia (ví dụ Leatherman, 1991, 2001; Leatherman et al, 1994, 2000.
Nicholls và Leatherman, 1994; Nicholls et al. Andrew đã chứng minh định luật Bruun bỏ qua các yếu tố quan trọng về địa chất và hải dương học, do đó kết quả dự báo là không chính xác và khẳng định không thể dự đoán bờ biển rút lui do mực nước biển tăng một cách chính xác mà phải xét đến trong một tổng thể ảnh hưởng của nhiều yếu tố tác động [47]. - Nghiên cứu về sự tương tác ảnh hưởng giữa nước biển dâng và thủy triều lên diễn biến bờ biển có Friendich T. năm 1990 đã sử dụng mô hình toán để dự đoán tác động ban đầu của tăng mực nước biển lên sự biến dạng thủy triều trong hệ thống, kết hợp với các kết quả mô hình hóa số được sử dụng để suy ra mô hình vận chuyển bùn cát đáy và xu hướng chung của sự phát triển cửa sông [42].
Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ mô hình toán, việc tính toán các kịch bản nước biển dâng đã trở nên dễ dàng hơn với khoảng thời gian dự báo dài hơn. năm 2012 sử dụng mô hình số Delft3D xem xét các kịch bản bao gồm cả nước biển dâng và sự sụt 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lún tại địa phương trong suốt thời gian nghiên cứu 110 năm. Kết quả tính toán cho thấy rằng, sự gia tăng mực nước biển sẽ làm gia tăng tình trạng ngập lụt và gia tăng hiện tượng xói mòn các vùng đồng bằng ngập triều [38]. - Nghiên cứu tác động của dòng chảy từ sông đến diễn biến bờ biển: Dòng chảy từ sông đổ ra biển là một yếu tố động lực quan trọng, nhiều khi là quyết định trong quá trình diễn biến vùng cửa sông, ven biển.
Những đặc tính của dòng chảy sông phải được xác định từ số liệu của trạm thủy văn cuối cùng trước địa điểm có ảnh hưởng của sóng triều. Dòng chảy từ sông là một dòng chảy không ổn định, chuyển động trong một lòng dẫn phức tạp nên có kết cấu nội bộ vừa rối, vừa có dòng thứ cấp mang bùn cát. - Ngoài ra, yếu tố nước dâng, nước hạ trong gió bão và tác động của lực Coriolis cũng là các yếu tố quan trọng tác động lên chế độ thủy động lực vùng cửa sông ven biển. Lực Coriolis là lực quán tính sinh ra do tác dụng tự quay của trái đất.
Cấp độ của lực Coriolis rất nhỏ, trong nhiều vấn đề cơ học khác có thể bỏ qua, nhưng đối với cửa sông ảnh hưởng triều do vùng nước rộng lớn, lực Coriolis có thể làm xuất hiện độ dốc ngang đáng kể. Ở vùng cửa sông có chiều rộng 5km, chênh lệch mực nước hai bờ là 8cm [17] [49] [54] [52]. Đến khoảng những năm 60, công trình nghiên cứu của K. Fedorop đã kết luận rằng lực Coriolis có thể bỏ qua đối với vùng bờ có độ nước sâu dưới 20m [17].
Trong số liệu thực đo về dòng chảy tại một vùng biển nào đó, thông thường là kết quả tổng hợp của dòng chảy triều và dòng chảy phi triều. Dòng phi triều bao gồm dòng do gió và dòng ven do sóng. Tại các vùng biển gần các cửa sông lớn còn chịu ảnh hưởng rõ rệt của dòng chảy sông. Thông thường gộp chung các loại dòng phi triều ở ven bờ gọi là dòng dư [7].
Hoàn lưu dòng ven bờ là một thành phần dòng chảy do dòng biển ven bờ và ngoài bờ hợp thành, như hình 1. Dòng ngoài bờ là một loại dòng cận hải, thường tồn tại ở lân cận đới sóng vỡ và vùng biển có độ sâu lớn ngoài đó, chảy song song với đường bờ, thông 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thường không có quan hệ sóng, mà thường do tác dụng của thủy triều, gió và sự phân bố của các khối nước. Dòng ven bờ là dòng chảy của đới sóng vỡ và lân cận, chủ yếu do tác dụng của sóng mà có, bao gồm: (i) Dòng dọc bờ (chuyển động song song với bờ biển, chuyển tải khối nước vào bờ); (ii) Dòng ngang bờ (nước chảy từ bờ ra biển). Dòng chảy gần bờ xảy ra sau khi sóng vỡ là một trong những vấn đề cơ bản nhất của động lực học ven bờ biển.
Loại dòng chảy này có liên quan trực tiếp đến chuyển động bùn cát ven bờ và diễn biến bờ biển. 1: Sơ đồ dòng mặt của dòng ngoài bờ và hệ thống dòng ven bờ (chiều dài mũi tên biểu thị thị trị số lưu tốc tương đối) [7] b) Quá trình vận chuyển bùn cát ven biển Vận chuyển bùn cát nói chung được nghiên cứu từ rất sớm như ở Trung Quốc cổ đại, Hy Lạp và Đế quốc La Mã. Nghiên cứu bằng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm sớm nhất được thực hiện bởi nhà khoa học DuBuat (1734-1809) người Pháp. Ông xác định vận tốc dòng chảy gây ra xói mòn đáy, trong đó có xem xét đến sự khác nhau của vật liệu đáy.