CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẢO NỔI XA BỜ, KẾT CẤU NGẦM REEF BALLTM VÀ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA KẾT CẤU NGẦM 1. Đảo nổi xa bờ 1.1 Khái niệm về đảo nổi xa bờ Các nhà khoa học chia các rạn san hô biển ra làm ba loại cơ bản là: rạn viền bờ (fringing reef), rạn chắn bờ (barrier reef) và rạn xa bờ (rạn vòng atoll) [1] (Hình 1. Theo cách phân loại này, đối tượng nghiên cứu trong luận án là đảo nổi xa bờ, về bản chất là rạn san hô xa bờ mà có một phần diện tích luôn nổi cao trên mặt nước kể cả khi thủy triều cao nhất.1 Các rạn san hô biển [1] Theo thống kê trên thế giới hiện nay có khoảng 400 rạn san hô xa bờ. Các rạn phân bố chủ yếu ở các vùng biển nhiệt đới thuộc Ấn Độ Dương và Thái Bình Dương, các vùng khác có số lượng nhỏ [1].
Các rạn xa bờ có hình dạng, kích thước cũng như độ sâu khác nhau; chúng không tồn tại đơn lẻ, mà thường tập hợp thành nhóm, dãy hoặc quần đảo, ví dụ nhóm các đảo ở Maldives thuộc Ấn Độ Dương, nhóm các đảo Marshalls thuộc tây Thái Bình Dương, quần đảo Seychelles ở Ấn Độ Dương, quần đảo Trường Sa và Hoàng Sa trên biển Đông của Việt Nam [2]. Trên biển Đông hiện có trên 250 cấu trúc địa lý, bao gồm các quần đảo, các bãi cạn và bãi ngầm. Trong đó, quần đảo Trường Sa (QĐTS) thuộc huyện Trường Sa, tỉnh Khánh Hòa là một phần lãnh thổ thiêng liêng của tổ quốc. Nằm cách bờ biển Việt Nam khoảng 250 hải lý về phía Đông Nam, QĐTS có khoảng 100 đảo, cồn, đụn, đá được đặt tên, trải rộng trong một vùng biển có diện tích khoảng 180 000 km2.
Hiện nay, QĐTS bao gồm 6 21 điểm đảo với 09 đảo nổi và 12 đảo chìm. Đặc điểm địa hình, chế độ thủy hải văn điển hình của đảo nổi liên quan tới quá trình truyền và giảm sóng trên các đảo nổi xa bờ như trình bày dưới đây: 1.2 Cấu tạo địa hình của đảo nổi Các dãy núi ngầm ở mức độ sâu cột nước lớn hàng nghìn mét chính là nền móng cho các rạn san hô xa bờ phát triển. Trên nền các rạn san hô này, bề mặt đỉnh của chúng tạo nên các đảo nổi hoặc các bãi ngầm ở nhiều mức độ sâu khác nhau [3]. Ở QĐTS nước ta, đa số các đảo có dạng kéo dài hình ôvan với hướng trục dài phổ biến là Đông Bắc - Tây Nam, do ảnh hưởng của hai mùa gió chính là gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam trên biển Đông.
Tuy nhiên, hình dáng, kích thước và cao độ bề mặt của các đảo luôn thay đổi do chịu tác động của sóng, gió, thủy triều gây ra,. một số đảo lại có trục dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam [4]. Địa hình đảo nổi hoàn toàn khác biệt so với các dạng bờ biển thông thường (Hình 1.2): Vách dốc đứng Biển sâu Thềm đảo Lõi đảo Hình 1.2 Địa hình đặc trưng của đảo nổi (nguồn google earth) a. Lõi đảo (reef core) có diện tích nhỏ, khoảng vài chục hecta trở xuống.
Về mặt địa hình, bề mặt lõi đảo nổi nhìn chung địa hình khá bằng phẳng và nghiêng thoải từ tâm ra 7 phía biển. Phần lõi đảo thường được phân thành các mức độ cao khác nhau: 0. Về cấu tạo địa chất, khu vực lõi đảo có thành phần chủ yếu là đá san hô có tính chất khác biệt. Có những nơi san hô có mật độ cao và rắn chắc nhưng có nhiều nơi trầm tích san hô có độ rỗng lớn thậm chí bở rời, rất dễ bị sóng biển phá hủy.
Trên mặt đảo là lớp phân chim xen lẫn với đá san hô vỡ vụn tạo nên môi trường cho thảm phủ thực vật trên đảo phát triển tự nhiên [3]. Thềm đảo (reef flat) rộng gấp nhiều lần so với lõi đảo, trên đó luôn tồn tại các rạn san hô, cỏ biển, rong biển. Độ nhám của bề mặt thềm đảo lớn do quá trình sinh trưởng, phát triển và thoái hoá của san hô. Thềm đảo dài và có độ nhám lớn có tác dụng làm giảm tốc độ và hạn chế sự phá hủy của sóng đối với bờ đảo.
Tuy nhiên, do hoạt động của con người mà có nhiều nơi quần thể sinh vật này đã bị phá hủy, chết dần, mức độ phục hồi khá chậm [3]. Vách dốc đứng (fore-reef slope) có độ sâu thay đổi đột ngột trong khoảng 5-20m, có nhiều khe rãnh sâu và hầu như được phủ bằng san hô sống. Đây là vành đai triệt tiêu, giảm năng lượng dòng chảy và sóng biển, bảo vệ thềm san hô ở phía trong [4]. Sườn ngầm: ở khoảng độ sâu trên 50m bề mặt sườn hầu như là đá san hô chết, vì độ sâu này không thích hợp cho san hô sống phát triển.
Đây là nơi tập trung nhiều loại cá và cũng là nơi neo đậu của tàu thuyền khi đến đảo [4]. Biển sâu: đáy biển có độ sâu trên 1500m, nhiều nơi sâu trên 2000m, trầm tích là đá, bùn, vỏ trùng lỗ [4]. Đặc điểm khác biệt thứ hai là các đảo nổi thường có độ dốc sườn khá lớn, nhưng các sườn lại không đối xứng, thường sẽ có một sườn với độ dốc lớn và một sườn đối diện thoải hơn. Nguyên nhân là đa phần các đảo nổi không đứng riêng lẻ mà thường tập trung lại trong một cụm đảo của rạn san hô vòng.
Cũng do nằm trong cụm đảo nên đảo sẽ thường có một sườn với độ dốc lớn hướng ra phía biển sâu và một sườn đối diện thoải hơn hướng vào trong cụm đảo. Bên cạnh đó, mặt cắt ngang đảo cũng không đồng nhất: phần tiếp giáp với vùng biển sâu có độ dốc của sườn đảo rất lớn, nhưng đến gần mặt nước, đặc biệt từ độ sâu khoảng 8 20m trở lên, do có sự phát triển mạnh của san hô mà khu vực này có độ dốc của sườn đảo giảm mạnh. Kết quả đo đạc mặt cắt ngang và tính độ dốc sườn cho các đảo nổi trên biển Đông theo bản đồ các tỉ lệ từ 1/5000 đến 1/25000 như Bảng 1. 1 Độ dốc sườn xác định theo công thức: tan βs = ; m là hệ số mái của sườn đảo (Hình1.1 Hệ số mái của sườn đảo tại một số đảo nổi trên biển Đông Hệ số mái m của sườn đảo (Fore-reef slope) Đảo nổi STT (hướng mặt cắt) Phần dưới sâu Phần gần đỉnh rạn (từ-500 đến -50) (từ -50 đến đỉnh) 1 AB (Đông Bắc) 1.8 Kết quả trong Bảng 1.1 cho thấy: - Độ dốc sườn vách dốc đứng phần dưới sâu khi độ sâu từ -500m đến -50m rất lớn, từ 1/1 đến 1/2, trung bình 1/1.
- Khi lên gần mặt nước đặc biệt là từ khoảng độ sâu -20m trở lên, độ dốc sườn giảm mạnh, độ dốc vách dốc đứng trong khoảng từ 1/5 đến 1/10. Trung bình là 1/6.3 Mặt cắt ngang một số đảo nổi Hình 1.4 Trích đoạn mặt cắt ngang gần mặt nước của một số đảo nổi xa bờ 10 1.3 Đặc điểm thềm đảo nổi Thềm đảo tương đối bằng phẳng và thường xuyên ngập nước. Trên bề mặt phát triển quần thể san hô (coral) đang sống với mật độ che phủ khá cao [3]. Tuy nhiên, những năm gần đây các hoạt động như khai thác san hô trái phép làm "cây cảnh", "san hô bộ", dùng thuốc nổ để đánh bắt cá, đổ chất thải, rác thải trực tiếp xuống biển cũng là những nguy cơ lâu dài làm cho quần thể san hô bị phá hủy nghiêm trọng.
Cấu trúc địa mạo của thềm đảo nổi là dạng cấu trúc thềm san hô hỗn hợp của cành nhánh lẫn cát sạn và cục tảng, có độ rỗng và hệ số thấm lớn rất khác biệt với địa mạo đáy biển ven bờ lục địa. Một nét đặc trưng của hình dạng thềm là sự kéo dài theo một hướng nhất định. Với các đảo nổi ở QĐTS, thềm san hô kéo dài chủ yếu theo 3 hướng chính: Đông Bắc - Tây Nam (chiếm 52%); Tây Bắc - Đông Nam (38%) và Đông - Tây (10%). Trong đó các bãi có hướng kéo dài Tây Bắc - Đông Nam gặp chủ yếu ở các bãi có đảo nổi (63% số bãi có đảo nổi) [3].
Thềm san hô rộng với kích thước gấp nhiều lần so với kích thước lõi đảo, trung bình từ 300-600m, có những đảo bề rộng thềm lên đến hàng kilomet. Số liệu đo đạc bề rộng thềm đảo của các đảo nổi trong QĐTS, xác định từ các bản đồ địa hình tỉ lệ 1/5000 đến 1/25000 trong các năm 2019, 2011, 2012 được trình bày tại Bảng 1.2 Bề rộng thềm đảo tại một số đảo trên QĐTS Bề rộng thềm (m) STT Đảo nổi Lớn nhất Trung bình Nhỏ nhất 1 AB 2300 450 200 2 NY 2500 450 300 3 PV 900 370 400 4 ST 700 360 250 5 STĐ 600 400 350 6 SC 700 500 300 7 STT 1200 400 300 8 TS 1100 400 200 9 TSĐ 1700 400 250 11 Độ sâu mực nước trên thềm nhìn chung không lớn và dao động theo thủy triều. Độ sâu mực nước tại đỉnh vách dốc đứng có thể lên tới 10m nhưng trên thềm đảo thì dao động khoảng một vài mét. Các bãi có độ sâu lớn là Sinh Tồn, Len Đao, Cô Lin, Sinh Tồn Đông, Núi Le, Tiên Nữ, Tốc Tan, Trường Sa Đông, Đá Nam, Đá Lớn.
Các bãi còn lại nằm ở độ sâu trung bình, bãi có độ sâu khoảng 1m rất ít (Đá Lát) [3].4 Chế độ thủy hải văn khu vực đảo nổi 1.1 Mực nước Tài liệu mực nước trên khu vực đảo nổi được thu thập từ các nguồn như: trạm Trường Sa chuỗi từ (2005-2015), cơ sở dữ liệu triều toàn cầu cho khu vực biển Đông và tham khảo kết quả của các đề tài, dự án và nhiệm vụ đặc thù trong khu vực như dự án ĐTB giai đoạn 1, 2; Đề tài độc lập cấp Quốc gia 19/15. Kết quả mực nước bình quân nhiều năm trên khu vực đảo nổi là 1.15m và mực nước cực trị theo cao độ hải đồ với tần suất P=1% là +2.12 m; với tần suất P=3.2 Đặc trưng sóng khí hậu Dựa trên tài liệu quan trắc từ năm 2004 đến 2015 tại trạm Trường Sa có thể thấy chế độ sóng trên biển Đông có hai mùa rõ rệt với thời gian duy trì dài gần bằng nhau. Mùa đông từ tháng 10 đến tháng 4 có sóng mạnh hướng Bắc và Đông Bắc, mùa hè từ tháng 5 đến tháng 9 có sóng hướng Tây. thể hiện hoa sóng 12 tháng tại trạm Trường Sa.
Vì đối tượng nghiên cứu là kết cấu ngầm giúp giảm sóng, gây bồi tạo bãi thì đặc trưng sóng khí hậu là tham số quan trọng để tính toán thiết kế công năng cho giải pháp.