Tổng quan nghiên cứu

Khu vực biển Cát Hải – Hải Phòng là vùng cửa ngõ quan trọng đối với phát triển kinh tế vùng Bắc Bộ, đặc biệt trong bối cảnh lưu lượng hàng hóa qua cảng Hải Phòng ngày càng tăng, dẫn đến hiện tượng quá tải và bồi lắng luồng tàu. Theo ước tính, luồng tàu hiện tại bị bồi lấp nhanh chóng do vận chuyển bùn cát từ sông Bạch Đằng, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tiếp nhận tàu lớn và tốc độ phát triển kinh tế khu vực. Việc xây dựng cảng Lạch Huyện với đê chắn sóng dài khoảng 7 km nhằm tạo vùng nước lặng, giảm tải cho cảng Hải Phòng và thúc đẩy phát triển kinh tế vùng tam giác Hà Nội – Hải Phòng – Quảng Ninh. Tuy nhiên, công trình này cũng làm thay đổi chế độ thủy động lực và diễn biến bồi lắng khu vực biển Cát Hải.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định trường dòng chảy, sóng và vận chuyển bùn cát trước và sau khi xây dựng đê chắn sóng Lạch Huyện, từ đó đánh giá diễn biến bồi lắng khu vực biển Cát Hải. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vùng biển đảo Cát Hải, Hải Phòng, với dữ liệu khí tượng thủy văn thu thập từ trạm Hòn Dấu trong giai đoạn 1983-2004. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc quản lý bồi lắng, bảo vệ công trình đê biển và phát triển bền vững cảng biển, góp phần nâng cao năng lực vận tải hàng hải và phát triển kinh tế vùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực ven biển hiện đại, trong đó:

  • Mô hình thủy động lực học Mike 21 FM: Giải các phương trình Navier-Stokes trung bình theo chiều sâu, bao gồm phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng, mô phỏng dòng chảy 2 chiều không nén trong môi trường ven biển. Các phương trình này được biểu diễn qua các biến chiều sâu nước $h(x,y,t)$, lưu lượng đơn vị dòng theo hướng X và Y ($p, q$), và các lực tác động như lực Coriolis, lực gió, ứng suất tiếp xúc đáy.

  • Mô hình phổ sóng Mike 21 SW: Mô phỏng sự phát triển, lan truyền và suy giảm của sóng gió ven bờ, tính đến các hiện tượng khúc xạ, tiêu hao năng lượng do ma sát đáy, sóng vỡ và tương tác sóng-dòng chảy. Mô hình sử dụng phương trình bảo toàn hoạt động sóng với phổ năng lượng sóng ngẫu nhiên, cho phép mô phỏng chính xác phổ sóng theo thời gian và không gian.

  • Mô đun vận chuyển bùn cát MIKE 21ST: Tính toán vận chuyển bùn cát không kết dính dưới tác động đồng thời của sóng và dòng chảy, dựa trên các lý thuyết vận chuyển bùn cát như Engelund-Hansen, Meyer-Peter, Ackers-Whitr. Mô hình mô phỏng phân bố thẳng đứng của bùn cát lơ lửng bằng phương pháp khuếch tán, từ đó đánh giá biến đổi đáy và diễn biến bồi lắng.

Các khái niệm chính bao gồm: trường dòng chảy, phổ sóng, vận chuyển bùn cát, bồi lắng và xói mòn ven biển, lực Coriolis, hệ số nhám đáy, và mô hình số trị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn từ trạm Hòn Dấu (1983-2004), số liệu địa hình ven bờ, địa chất thủy văn, và các thông số vật lý của lớp đất đáy biển. Dữ liệu được hiệu chỉnh và chuẩn hóa về hệ tọa độ UTM-48, hệ cao độ quốc gia.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp:

  • Điều tra thực địa: Thu thập số liệu địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn và hiện trạng công trình đê biển.

  • Mô hình số trị: Sử dụng bộ phần mềm Mike 21 để mô phỏng thủy động lực, sóng và vận chuyển bùn cát. Lưới tính toán gồm 7012 nút, chia lưới tam giác phi cấu trúc với độ phân giải cao tại vùng cửa sông và ven bờ, giúp tăng độ chính xác mô phỏng.

  • Phân tích mô phỏng theo kịch bản: Hai kịch bản chính được xây dựng gồm: (1) Trước khi xây dựng đê chắn sóng (KB1) và (2) Sau khi xây dựng đê chắn sóng (KB2), mỗi kịch bản mô phỏng cho mùa đông và mùa hè. Thời gian mô phỏng tập trung vào các tháng 2 và 7 năm 2000 với bước thời gian 60 giây.

  • Kiểm định mô hình: Đánh giá độ chính xác mô hình bằng hệ số Nash-Sutcliffe, đạt giá trị 0,87, cho thấy mô hình có độ tin cậy cao trong mô phỏng mực nước và dòng chảy.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ thu thập số liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, mô phỏng và phân tích kết quả trong khoảng thời gian phù hợp với dữ liệu khí tượng thủy văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thay đổi trường dòng chảy sau khi xây dựng đê chắn sóng: Mô phỏng cho thấy vận tốc dòng chảy tại các điểm trích xuất A1 đến A5 giảm trung bình từ 10% đến 25% trong mùa hè và mùa đông khi có công trình đê chắn sóng. Ví dụ, tại điểm A1, vận tốc giảm từ khoảng 0,45 m/s xuống còn 0,34 m/s trong mùa hè (PA12 so với PA22).

  2. Diễn biến bồi lắng khu vực biển Cát Hải: Sau khi xây dựng đê chắn sóng, vùng phía trong đê có xu hướng bồi lắng mạnh hơn, với tốc độ bồi lắng tăng khoảng 15-20% so với trước khi có công trình. Ngược lại, vùng ngoài đê có hiện tượng xói mòn nhẹ do thay đổi dòng chảy và sóng.

  3. Ảnh hưởng của mùa vụ đến diễn biến bồi lắng: Mùa hè với gió Đông Nam và Nam chiếm tần suất cao (khoảng 26-31%) gây sóng lớn hơn (độ cao sóng trung bình 1,45 m), làm tăng vận chuyển bùn cát và bồi lắng so với mùa đông, khi gió chủ yếu từ hướng Đông và Bắc với vận tốc gió trung bình thấp hơn (khoảng 4-6 m/s).

  4. Hiệu quả của đê chắn sóng trong việc tạo vùng nước lặng: Đê chắn sóng dài 7 km đã tạo ra vùng nước lặng phía trong, giảm đáng kể sóng và vận tốc dòng chảy, giúp bảo vệ luồng tàu và giảm thiểu bồi lắng luồng vào cảng Lạch Huyện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi diễn biến bồi lắng là do công trình đê chắn sóng làm thay đổi chế độ thủy động lực, giảm vận tốc dòng chảy và sóng trong vùng bảo vệ, dẫn đến giảm khả năng vận chuyển bùn cát ra ngoài và tăng tích tụ bùn cát trong vùng đê chắn. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu về tác động của công trình chắn sóng ven biển trên thế giới, cho thấy công trình làm thay đổi cân bằng bùn cát và dòng chảy ven bờ.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, mức giảm vận tốc dòng chảy từ 10-25% và tăng bồi lắng 15-20% là trong phạm vi dự kiến, chứng tỏ mô hình Mike 21 có độ tin cậy cao trong mô phỏng thủy lực và vận chuyển bùn cát. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ vận tốc dòng chảy tại các điểm A1-A5 và bản đồ phân bố bồi lắng trước và sau khi xây dựng đê chắn sóng, giúp trực quan hóa sự thay đổi.

Ý nghĩa của kết quả là cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý bồi lắng, bảo trì luồng tàu và phát triển bền vững cảng Lạch Huyện, đồng thời cảnh báo về nguy cơ xói mòn vùng ngoài đê cần được giám sát và xử lý kịp thời.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát diễn biến bồi lắng và xói mòn: Thiết lập hệ thống quan trắc định kỳ tại các điểm trọng yếu trong và ngoài vùng đê chắn sóng, nhằm phát hiện sớm các biến động bất thường về bồi lắng và xói mòn, đảm bảo an toàn luồng tàu. Thời gian thực hiện: hàng quý; Chủ thể: Ban quản lý cảng và cơ quan thủy lợi.

  2. Nâng cấp và bảo trì hệ thống đê biển và kè mỏ hàn: Đặc biệt tại các đoạn đê đá hộc có hiện tượng xói mòn mạnh như đoạn Bến Gót – Hoàng Châu, cần gia cố bằng vật liệu đá lớn hơn hoặc bê tông cốt thép để tăng độ bền và khả năng chống sóng. Thời gian: 1-2 năm; Chủ thể: Sở xây dựng và Ban quản lý dự án.

  3. Áp dụng các biện pháp kỹ thuật giảm bồi lắng trong vùng đê chắn sóng: Sử dụng kè mỏ hàn, tạo bãi bồi nhân tạo hoặc điều chỉnh dòng chảy bằng các công trình phụ trợ để cân bằng vận chuyển bùn cát, giảm tích tụ quá mức. Thời gian: 2-3 năm; Chủ thể: Viện nghiên cứu thủy lợi và cơ quan quản lý cảng.

  4. Phát triển mô hình dự báo bồi lắng dài hạn: Kết hợp mô hình Mike 21 với dữ liệu khí tượng thủy văn cập nhật để dự báo diễn biến bồi lắng theo mùa và năm, hỗ trợ ra quyết định quản lý hiệu quả. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu và đào tạo thủy lợi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý cảng biển và giao thông thủy: Sử dụng kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch bảo trì luồng tàu, đảm bảo an toàn giao thông và nâng cao năng lực vận tải.

  2. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp logistics: Hiểu rõ diễn biến bồi lắng và tác động của công trình đê chắn sóng giúp tối ưu hóa hoạt động khai thác cảng và đầu tư phát triển hạ tầng.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình biển, thủy lợi: Tham khảo phương pháp mô hình số trị, ứng dụng Mike 21 trong nghiên cứu thủy lực và bồi lắng ven biển.

  4. Cơ quan quản lý tài nguyên và môi trường ven biển: Áp dụng kết quả để đánh giá tác động môi trường của công trình đê chắn sóng, đề xuất các biện pháp bảo vệ hệ sinh thái ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu diễn biến bồi lắng khu vực Cát Hải trước và sau khi xây dựng đê chắn sóng?
    Việc nghiên cứu giúp đánh giá tác động của công trình đê chắn sóng đến chế độ thủy động lực và vận chuyển bùn cát, từ đó quản lý hiệu quả bồi lắng, bảo vệ luồng tàu và phát triển bền vững cảng biển.

  2. Mô hình Mike 21 có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Mike 21 là mô hình số trị đa module, mô phỏng chính xác dòng chảy, sóng và vận chuyển bùn cát trong môi trường ven biển phức tạp, giúp dự báo diễn biến bồi lắng với độ tin cậy cao.

  3. Diễn biến bồi lắng có ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động cảng Lạch Huyện?
    Bồi lắng quá mức có thể làm thu hẹp luồng tàu, gây tắc nghẽn và tăng chi phí duy tu, ảnh hưởng đến khả năng tiếp nhận tàu lớn và hiệu quả khai thác cảng.

  4. Các biện pháp kỹ thuật nào được đề xuất để giảm bồi lắng?
    Bao gồm nâng cấp đê biển, xây dựng kè mỏ hàn, tạo bãi bồi nhân tạo và điều chỉnh dòng chảy bằng công trình phụ trợ nhằm cân bằng vận chuyển bùn cát.

  5. Làm thế nào để giám sát hiệu quả diễn biến bồi lắng?
    Thiết lập hệ thống quan trắc định kỳ tại các điểm trọng yếu, sử dụng công nghệ đo đạc hiện đại và mô hình dự báo để phát hiện và xử lý kịp thời các biến động bồi lắng.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ sự thay đổi trường dòng chảy và diễn biến bồi lắng khu vực biển Cát Hải trước và sau khi xây dựng đê chắn sóng Lạch Huyện, với vận tốc dòng chảy giảm 10-25% và bồi lắng tăng 15-20%.
  • Mô hình Mike 21 được hiệu chỉnh và kiểm định với hệ số Nash đạt 0,87, đảm bảo độ tin cậy trong mô phỏng thủy lực và vận chuyển bùn cát.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho quản lý bồi lắng, bảo trì luồng tàu và phát triển bền vững cảng Lạch Huyện.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và giám sát nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của bồi lắng và bảo vệ công trình đê biển.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai hệ thống quan trắc định kỳ, nâng cấp công trình bảo vệ và phát triển mô hình dự báo dài hạn để hỗ trợ quản lý hiệu quả.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ và phát triển bền vững khu vực biển Cát Hải – Hải Phòng, góp phần thúc đẩy kinh tế vùng Bắc Bộ phát triển mạnh mẽ.