Tổng quan nghiên cứu

Cửa sông Nhật Lệ, nằm ở phía Đông Nam thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình, là một trong năm cửa sông chính của tỉnh với vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội địa phương. Khu vực này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các yếu tố thủy văn, hải văn, khí tượng và tác động của con người, dẫn đến hiện tượng xói lở và bồi tụ diễn ra phức tạp, ảnh hưởng trực tiếp đến giao thông thủy, hoạt động neo đậu tàu thuyền và an toàn bờ biển. Theo số liệu khảo sát địa hình và ảnh viễn thám từ năm 1988 đến 2019, tốc độ xói lở bờ biển tại một số đoạn có thể lên tới 6-10 m, trong khi các khu vực bồi tụ cũng diễn ra với mức độ đáng kể, gây bồi lấp cửa sông và làm giảm khả năng lưu thông thủy. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hiện trạng diễn biến hình thái cửa sông Nhật Lệ, xác định nguyên nhân gây xói lở và bồi tụ, từ đó đề xuất các giải pháp ổn định bờ biển và cửa sông phù hợp. Phạm vi nghiên cứu tập trung trong bán kính 10 km quanh cửa sông, với dữ liệu thu thập từ các nguồn ảnh viễn thám Landsat, Sentinel và khảo sát địa hình thực địa trong giai đoạn 1988-2019. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc bảo vệ môi trường ven biển, đảm bảo an toàn giao thông thủy và phát triển kinh tế bền vững cho tỉnh Quảng Bình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về động lực học bờ biển và cửa sông, trong đó nổi bật là:

  • Lý thuyết vận chuyển bùn cát của Van Rijn: Mô tả cơ chế vận chuyển trầm tích dưới tác động của sóng, dòng chảy và thủy triều, giúp giải thích quá trình xói lở và bồi tụ tại cửa sông.
  • Mô hình thủy động lực học Delf3D: Một mô hình toán học tích hợp các quá trình dòng chảy, sóng, vận chuyển bùn cát và biến đổi hình thái đáy biển, được sử dụng để mô phỏng diễn biến hình thái cửa sông Nhật Lệ.
  • Khái niệm biến động đường bờ (LRR - Linear Regression Rate): Được sử dụng để đánh giá tốc độ biến đổi đường bờ biển qua các giai đoạn thời gian dựa trên phân tích ảnh viễn thám và dữ liệu khảo sát địa hình.

Các khái niệm chính bao gồm: xói lở, bồi tụ, vận chuyển bùn cát, thủy triều bán nhật triều không đều, sóng gió mùa Đông Bắc và Tây Nam, và ảnh hưởng của bão.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm 30 ảnh viễn thám Landsat có độ phân giải 30m từ năm 1988 đến 2019, ảnh Sentinel 2 độ phân giải 10m năm 2018-2019, cùng với bản đồ địa hình tỷ lệ 1/10.000 khảo sát thực địa năm 2015 và 2018. Dữ liệu thủy văn, khí tượng và sóng gió được thu thập từ các trạm quan trắc và báo cáo ngành.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Phân tích ảnh viễn thám và GIS: Xác định biến động đường bờ qua chỉ số NDWI và phân tích LRR bằng phần mềm DSAS tích hợp trong ArcGIS 10.2, giúp đánh giá tốc độ và xu hướng biến đổi đường bờ theo từng giai đoạn 10 năm.
  • Mô hình toán Delf3D: Thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát dựa trên dữ liệu thực tế, mô phỏng các kịch bản sóng gió và dòng chảy để xác định nguyên nhân gây xói lở, bồi tụ.
  • Khảo sát đo đạc thực địa: Thu thập dữ liệu địa hình đáy biển, mực nước thủy triều và vận tốc dòng chảy để hiệu chỉnh mô hình và đánh giá biến động địa hình đáy.

Cỡ mẫu dữ liệu ảnh viễn thám là 30 ảnh, lựa chọn theo tiêu chí chất lượng ảnh và thời điểm chụp trong mùa khô (tháng 2-6). Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện và khả năng so sánh theo thời gian. Phân tích số liệu sử dụng hồi quy tuyến tính để xác định tốc độ biến đổi đường bờ, kết hợp mô hình toán để đánh giá cơ chế vận chuyển bùn cát.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tốc độ biến động đường bờ: Qua phân tích ảnh viễn thám, tốc độ xói lở bờ biển phía Nam cửa Nhật Lệ trong giai đoạn 2015-2018 đạt từ 6 đến 10 m, tạo thành các vách cát cao khoảng 2 m với độ dốc lớn, trong khi bờ Bắc có xu hướng bồi tụ nhẹ với tốc độ khoảng 2-3 m/năm. Tốc độ biến động đường bờ trung bình giai đoạn 1988-2019 dao động từ -0,5 m/năm (bồi tụ) đến +0,7 m/năm (xói lở) tùy vị trí.
  2. Biến động địa hình đáy biển: Mô hình số độ cao (DEM) và khảo sát thực địa cho thấy sự thay đổi rõ rệt về độ sâu và hình thái đáy biển quanh cửa sông, với các khu vực bồi tụ có độ cao đáy tăng trung bình 0,3-0,5 m/năm, trong khi khu vực xói lở có độ sâu tăng lên 0,4-0,6 m/năm.
  3. Ảnh hưởng của sóng gió và dòng chảy: Mô hình Delf3D xác định sóng mùa Đông Bắc với độ cao trung bình 0,5-1 m và sóng lớn nhất lên tới 4,5 m chiếm khoảng 40% thời gian trong năm, là nguyên nhân chính gây xói lở bờ biển phía Bắc và Nam cửa sông. Dòng chảy mùa lũ tập trung trong 4 tháng (tháng 8-11) với lưu lượng trung bình 68,3 l/s/km², kết hợp với sóng lớn làm tăng cường quá trình vận chuyển bùn cát.
  4. Tác động của bão và thủy triều: Các cơn bão từ năm 2005 đến 2018 làm tăng mực nước động dao động từ 0,22 m đến 0,95 m, gây biến động mạnh về mực nước và sóng, làm gia tăng xói lở và bồi tụ cục bộ. Thủy triều bán nhật triều không đều với biên độ khoảng 0,8 m ảnh hưởng đến phân bố bùn cát và sự thay đổi lòng dẫn cửa sông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng xói lở và bồi tụ tại cửa sông Nhật Lệ là sự phối hợp giữa sóng gió mùa Đông Bắc mạnh, dòng chảy lũ lớn và tác động của thủy triều không đều. So với các nghiên cứu trước đây tại các cửa sông miền Trung, kết quả này phù hợp với mô hình vận chuyển bùn cát của Van Rijn và các nghiên cứu ứng dụng mô hình Delf3D tại cửa sông Thuận An và cửa sông Đà Rằng. Biểu đồ hồi quy tuyến tính LRR và bản đồ biến động địa hình đáy biển minh họa rõ ràng sự phân bố không đồng đều của quá trình xói lở và bồi tụ, cho thấy các khu vực cần ưu tiên xử lý.

Sự gia tăng tần suất và cường độ bão trong những năm gần đây làm tăng áp lực lên hệ sinh thái ven biển và các hoạt động kinh tế xã hội, đặc biệt là giao thông thủy và neo đậu tàu thuyền tại cửa sông. Việc sử dụng mô hình toán học hiệu chỉnh và kiểm định kỹ lưỡng đã nâng cao độ tin cậy của kết quả, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống đê ngăn sóng và kè chắn bùn cát: Thiết kế và bố trí hai đê ngăn sóng tại bờ Bắc và bờ Nam cửa sông Nhật Lệ với chiều dài lần lượt khoảng 625 m và 515 m, kết hợp với 7 đê chắn sóng hình chữ Y để giảm thiểu tác động của sóng lớn và hạn chế bồi lấp cửa sông. Thời gian thực hiện dự kiến trong 3-5 năm, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn Quảng Bình chủ trì.
  2. Nạo vét luồng lạch định kỳ: Thực hiện nạo vét luồng lạch cửa sông nhằm duy trì độ sâu và đảm bảo giao thông thủy thuận lợi, giảm thiểu nguy cơ tàu thuyền mắc cạn. Tần suất nạo vét 2 năm/lần, phối hợp với các cơ quan quản lý cảng và giao thông thủy.
  3. Giám sát và cập nhật dữ liệu viễn thám định kỳ: Thiết lập hệ thống giám sát biến động đường bờ và địa hình đáy biển bằng ảnh viễn thám và GIS hàng năm để kịp thời phát hiện các biến động bất thường, phục vụ công tác quản lý và điều chỉnh các giải pháp kỹ thuật.
  4. Tuyên truyền và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình đào tạo, hội thảo về bảo vệ bờ biển và cửa sông cho ngư dân, doanh nghiệp và chính quyền địa phương nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực từ hoạt động khai thác và xây dựng không hợp lý.
  5. Nghiên cứu bổ sung về tác động biến đổi khí hậu: Tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến diễn biến cửa sông Nhật Lệ để điều chỉnh các giải pháp kỹ thuật phù hợp trong dài hạn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách địa phương: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các kế hoạch phát triển bền vững, quản lý tài nguyên ven biển và phòng chống thiên tai.
  2. Các chuyên gia kỹ thuật công trình biển và thủy lợi: Áp dụng mô hình Delf3D và phương pháp phân tích viễn thám trong thiết kế và hiệu chỉnh các công trình bảo vệ bờ biển, cửa sông.
  3. Ngư dân và doanh nghiệp vận tải thủy: Hiểu rõ về diễn biến cửa sông để điều chỉnh hoạt động neo đậu, tránh rủi ro do xói lở và bồi tụ, nâng cao hiệu quả khai thác và an toàn giao thông thủy.
  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật công trình biển, địa lý môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu tích hợp viễn thám, GIS và mô hình toán học trong đánh giá biến động môi trường ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cửa sông Nhật Lệ lại bị xói lở và bồi tụ phức tạp?
    Hiện tượng này do sự kết hợp của sóng gió mùa Đông Bắc mạnh, dòng chảy lũ lớn và thủy triều không đều, gây biến động liên tục về bùn cát và hình thái đáy biển.

  2. Phương pháp viễn thám và GIS được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Ảnh viễn thám Landsat và Sentinel được xử lý để xác định đường bờ qua chỉ số NDWI, phân tích biến động đường bờ bằng phần mềm DSAS trong ArcGIS, giúp đánh giá tốc độ và xu hướng biến đổi trong nhiều năm.

  3. Mô hình Delf3D có vai trò gì trong nghiên cứu?
    Delf3D mô phỏng thủy động lực, sóng và vận chuyển bùn cát, giúp xác định nguyên nhân xói lở, bồi tụ và dự báo diễn biến hình thái cửa sông dưới các kịch bản sóng gió và dòng chảy khác nhau.

  4. Giải pháp kỹ thuật nào được đề xuất để ổn định cửa sông?
    Xây dựng hệ thống đê ngăn sóng, kè chắn bùn cát, nạo vét luồng lạch định kỳ, kết hợp giám sát viễn thám và nâng cao nhận thức cộng đồng là các giải pháp tổng thể được đề xuất.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các cửa sông khác không?
    Phương pháp tích hợp viễn thám, GIS và mô hình toán học Delf3D có thể áp dụng cho các cửa sông ven biển khác có điều kiện tương tự để đánh giá biến động hình thái và đề xuất giải pháp quản lý.

Kết luận

  • Cửa sông Nhật Lệ chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của sóng gió mùa Đông Bắc, dòng chảy lũ và thủy triều không đều, gây xói lở và bồi tụ phức tạp với tốc độ biến động đường bờ lên tới 10 m trong một số khu vực.
  • Phương pháp viễn thám kết hợp GIS và mô hình toán Delf3D đã cung cấp kết quả chính xác, giúp xác định nguyên nhân và cơ chế biến động hình thái cửa sông.
  • Các giải pháp kỹ thuật tổng thể gồm xây dựng đê ngăn sóng, kè chắn bùn cát, nạo vét luồng lạch và giám sát định kỳ được đề xuất nhằm ổn định cửa sông và bảo vệ bờ biển.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết khoa học về diễn biến cửa sông miền Trung, hỗ trợ quản lý tài nguyên và phát triển kinh tế bền vững tại Quảng Bình.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực hiện các giải pháp kỹ thuật, tiếp tục giám sát biến động và nghiên cứu tác động biến đổi khí hậu để điều chỉnh chiến lược quản lý phù hợp.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ và phát triển bền vững cửa sông Nhật Lệ – nguồn tài nguyên quý giá của Quảng Bình!