Tổng quan nghiên cứu

Vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ven biển là một quá trình thủy động lực phức tạp, đa chiều và đa quy mô, ảnh hưởng trực tiếp đến sự biến đổi địa hình, môi trường và phát triển kinh tế ven biển. Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng, với 5 cửa sông chính gồm Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình, chịu tác động đồng thời của thủy triều, dòng chảy sông và gió mùa, tạo nên chế độ thủy động lực rất phức tạp. Theo số liệu quan trắc, nồng độ trầm tích lơ lửng trong khu vực biến động từ 10 đến 1000 mg/l, với giá trị cao nhất vào mùa lũ (53-215 mg/l) và thấp hơn vào mùa kiệt (42-94 mg/l). Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng mô hình thủy động lực ba chiều VNU/MDEC để tính toán chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích lơ lửng, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý, quy hoạch tuyến luồng tàu và tính toán sa bồi luồng trong khu vực. Nghiên cứu được thực hiện trên phạm vi vùng cửa sông ven biển Hải Phòng, với dữ liệu thu thập trong nhiều năm, đặc biệt tập trung vào các mùa lũ và kiệt để phản ánh biến động thủy văn và khí tượng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc dự báo biến động trầm tích, hỗ trợ phát triển bền vững kinh tế biển và bảo vệ môi trường ven biển.

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 động lực học biển ven bờ, vận chuyển trầm tích và tương tác sóng-dòng chảy. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Mô hình thủy động lực ba chiều (3D) VNU/MDEC: Phát triển dựa trên mô hình GHER của Đại học Liege, mô hình này sử dụng hệ phương trình động lực biển nguyên thủy, phương trình bảo toàn khối lượng, và phương trình vận chuyển trầm tích lơ lửng. Mô hình áp dụng phương pháp biến đổi tọa độ sigma kép theo chiều thẳng đứng, phương pháp thể tích hữu hạn và sơ đồ lưới Arakawa C để rời rạc hóa không gian và thời gian. Hệ số nhớt rối được tham số hóa khác nhau theo phương ngang và phương thẳng đứng, đồng thời mô hình tính đến tác động của sóng trên mặt biển thông qua mô hình tương tác sóng-gió và lớp biên đáy.

  2. Lý thuyết vận chuyển trầm tích: Sử dụng phương trình bình lưu-khuếch tán 3D để mô phỏng nồng độ trầm tích lơ lửng, kết hợp với mô hình biến đổi độ dày lớp trầm tích đáy lỏng. Vận tốc chìm lắng được tính theo công thức thực nghiệm của Van Rijn, vận tốc tới hạn cho quá trình lắng đọng và xói mòn được xác định dựa trên ứng suất trượt đáy và tham số Shields. Mô hình cũng tính đến quá trình bứt tách và lắng đọng trầm tích trên đáy, đồng thời mô phỏng sự biến đổi địa hình đáy do vận chuyển trầm tích.

Các khái niệm chính bao gồm: ứng suất trượt đáy, vận tốc chìm lắng, số Richardson, hệ số nhớt rối, phương pháp biến đổi tọa độ sigma kép, và sơ đồ lưới Arakawa C.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm số liệu địa hình biển và đất liền (bản đồ số độ sâu của Bộ Tư lệnh Hải quân, bản đồ DEM 90m), số liệu lưu lượng sông, nồng độ trầm tích lơ lửng tại các cửa sông, và số liệu gió thu thập từ trạm Hòn Dau trong giai đoạn 1960-2002. Các số liệu này được lựa chọn và hiệu chỉnh dựa trên các nghiên cứu trước đây và số liệu thực đo của Viện Tài nguyên Môi trường biển Hải Phòng.

Phương pháp phân tích chính là mô hình hóa số trị với mô hình VNU/MDEC, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải hệ phương trình động lực và vận chuyển trầm tích. Cỡ mẫu mô hình bao gồm lưới không gian với phân bố theo sơ đồ Arakawa C, gồm 5 tầng theo chiều thẳng đứng (1 tầng lớp nước mặt và 4 tầng lớp nước dưới), đảm bảo mô phỏng chi tiết các quá trình hoàn lưu và phân bố trầm tích theo chiều dọc. Phương pháp chọn mẫu dữ liệu dựa trên các phương án tính toán khác nhau, mô phỏng trong khoảng thời gian 15 ngày, bao gồm các điều kiện thủy triều, lưu lượng sông cực tiểu và cực đại, nồng độ trầm tích mùa lũ và kiệt, cùng các hướng gió đặc trưng của mùa đông và mùa hè.

Timeline nghiên cứu trải dài từ thu thập số liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh và chạy mô phỏng, đến phân tích kết quả và đề xuất giải pháp ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của thủy triều và lưu lượng sông đến trường dòng chảy: Kết quả mô phỏng cho thấy vận tốc dòng chảy tổng hợp trong vùng cửa sông ven biển Hải Phòng dao động trong khoảng 0,4 - 1,0 m/s, với hướng dòng chủ yếu song song với đường bờ. Vận tốc dòng chảy tăng lên đáng kể khi lưu lượng sông đạt cực đại trong mùa lũ, tăng khoảng 30-40% so với mùa kiệt. Mực nước dao động theo chu kỳ thủy triều với biên độ có thể đạt tới 2,0 m, ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố dòng chảy và trầm tích.

  2. Phân bố nồng độ trầm tích lơ lửng: Nồng độ trầm tích lơ lửng tại các cửa sông biến động mạnh theo mùa, với giá trị trung bình mùa lũ từ 53 đến 215 mg/l, cao hơn khoảng 2-3 lần so với mùa kiệt (42-94 mg/l). Tại các điểm gần cửa Nam Triệu và Lạch Tray, nồng độ trầm tích cao nhất đạt tới 700-964 mg/l trong mùa lũ, phản ánh sự tập trung trầm tích do dòng chảy mạnh và tác động của thủy triều.

  3. Ảnh hưởng của gió mùa và sóng: Gió mùa Đông Nam Á và sóng ven biển có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh trường dòng chảy và vận chuyển trầm tích. Mùa đông với gió hướng Bắc, Đông Bắc làm giảm vận tốc dòng chảy trung bình xuống khoảng 15-20 cm/s, trong khi mùa hè với gió hướng Nam, Đông Nam làm tăng vận tốc lên 20-25 cm/s. Sóng có độ cao trung bình từ 0,64 m (mùa đông) đến 0,72 m (mùa hè), với sóng cực đại lên tới 5,6 m trong điều kiện bão, góp phần làm tăng ứng suất đáy và thúc đẩy quá trình xói mòn, vận chuyển trầm tích.

  4. Hiệu quả mô hình VNU/MDEC: Mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm chứng với số liệu thực tế, cho kết quả phù hợp với các quan trắc mực nước, vận tốc dòng chảy và nồng độ trầm tích. Mô hình cho phép mô phỏng chi tiết sự biến đổi theo thời gian và không gian của trường thủy động lực và trầm tích, hỗ trợ đánh giá tác động của các yếu tố tự nhiên và nhân tạo trong khu vực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến động mạnh về vận tốc dòng chảy và nồng độ trầm tích là do sự kết hợp phức tạp giữa thủy triều, lưu lượng sông và tác động của gió mùa. So với các nghiên cứu trước đây tại các cửa sông khác trong khu vực Đông Nam Á, kết quả mô hình VNU/MDEC cho thấy khả năng mô phỏng chi tiết hơn nhờ áp dụng tọa độ sigma kép và phương pháp thể tích hữu hạn, giúp giảm sai số tại các vùng có biến đổi độ sâu đột ngột.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ biến thiên vận tốc dòng chảy theo thời gian tại các điểm cửa sông, bản đồ phân bố nồng độ trầm tích lơ lửng theo mùa, và bảng so sánh vận tốc dòng chảy giữa các phương án tính toán với điều kiện thủy triều và gió khác nhau. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng yếu tố đến quá trình vận chuyển trầm tích, từ đó giúp định hướng các giải pháp quản lý hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc dự báo biến động trầm tích, hỗ trợ quy hoạch luồng tàu, phòng chống xói lở và bồi tụ, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường ven biển trong bối cảnh biến đổi khí hậu và phát triển kinh tế biển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát thủy động lực và trầm tích: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động tại các cửa sông chính để thu thập dữ liệu vận tốc dòng chảy, mực nước và nồng độ trầm tích theo thời gian thực, nhằm cập nhật và hiệu chỉnh mô hình định kỳ. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Phòng; Thời gian: 1-2 năm.

  2. Ứng dụng mô hình VNU/MDEC trong quy hoạch luồng tàu: Sử dụng kết quả mô hình để xác định các khu vực có nguy cơ bồi tụ hoặc xói lở cao, từ đó điều chỉnh tuyến luồng tàu và kế hoạch nạo vét hợp lý, giảm thiểu chi phí duy tu và đảm bảo an toàn giao thông thủy. Chủ thể thực hiện: Cảng vụ Hải Phòng; Thời gian: 6-12 tháng.

  3. Phát triển các giải pháp bảo vệ bờ biển và cửa sông: Áp dụng các biện pháp kỹ thuật như xây dựng kè chắn sóng, bãi triều nhân tạo, và trồng rừng ngập mặn để giảm thiểu tác động của sóng và dòng chảy mạnh, hạn chế xói mòn và giữ ổn định trầm tích. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án phát triển ven biển; Thời gian: 2-3 năm.

  4. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích cho cán bộ kỹ thuật và nhà khoa học, đồng thời thúc đẩy hợp tác quốc tế để cập nhật công nghệ và phương pháp mới. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN; Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ven biển: Nhận được thông tin khoa học chính xác để xây dựng các chính sách quản lý bền vững, quy hoạch phát triển kinh tế biển và bảo vệ môi trường.

  2. Các chuyên gia và kỹ sư cảng biển, giao thông thủy: Áp dụng kết quả mô hình để thiết kế, duy tu và vận hành các luồng tàu, cảng biển hiệu quả, giảm thiểu rủi ro do biến động trầm tích.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực hải dương học, thủy văn: Tham khảo phương pháp mô hình hóa tiên tiến, dữ liệu thực nghiệm và kết quả phân tích để phát triển nghiên cứu sâu hơn về thủy động lực và vận chuyển trầm tích.

  4. Các tổ chức bảo vệ môi trường và phát triển bền vững: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá tác động môi trường, đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ hệ sinh thái ven biển.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình VNU/MDEC có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    Mô hình VNU/MDEC sử dụng tọa độ sigma kép và phương pháp thể tích hữu hạn, giúp mô phỏng chính xác các vùng có biến đổi độ sâu đột ngột như cửa sông, đồng thời tính đến tương tác sóng-gió và lớp biên đáy, nâng cao độ tin cậy kết quả so với các mô hình 2D hoặc 3D truyền thống.

  2. Dữ liệu đầu vào quan trọng nhất để mô hình hoạt động hiệu quả là gì?
    Dữ liệu địa hình biển và đất liền, lưu lượng sông, nồng độ trầm tích lơ lửng và số liệu gió là các yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của mô hình trong việc mô phỏng trường dòng chảy và vận chuyển trầm tích.

  3. Mô hình có thể áp dụng cho các khu vực ven biển khác không?
    Có, mô hình VNU/MDEC có thể được điều chỉnh và áp dụng cho nhiều khu vực ven biển khác nhau, đặc biệt là các vùng cửa sông có chế độ thủy động lực phức tạp, với điều kiện có đủ dữ liệu đầu vào phù hợp.

  4. Ảnh hưởng của gió mùa đến vận chuyển trầm tích như thế nào?
    Gió mùa thay đổi hướng và cường độ dòng chảy ven bờ, làm tăng hoặc giảm vận tốc dòng chảy, từ đó ảnh hưởng đến khả năng xói mòn và lắng đọng trầm tích. Ví dụ, gió mùa hè với hướng Nam, Đông Nam làm tăng vận tốc dòng chảy lên 20-25 cm/s, thúc đẩy vận chuyển trầm tích mạnh hơn.

  5. Làm thế nào để sử dụng kết quả mô hình trong quản lý thực tế?
    Kết quả mô hình cung cấp bản đồ phân bố dòng chảy, mực nước và nồng độ trầm tích theo thời gian, giúp các nhà quản lý xác định khu vực nguy cơ cao, lập kế hoạch nạo vét, xây dựng công trình bảo vệ bờ biển và điều chỉnh hoạt động khai thác, vận tải phù hợp.

Kết luận

  • Mô hình VNU/MDEC đã được phát triển và hiệu chỉnh thành công để mô phỏng chế độ thủy động lực và vận chuyển trầm tích lơ lửng tại vùng cửa sông ven biển Hải Phòng.
  • Kết quả mô hình cho thấy sự biến động rõ rệt của dòng chảy và nồng độ trầm tích theo mùa, chịu ảnh hưởng mạnh của thủy triều, lưu lượng sông và gió mùa.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho công tác quản lý, quy hoạch luồng tàu và bảo vệ môi trường ven biển.
  • Đề xuất các giải pháp giám sát, ứng dụng mô hình trong quy hoạch và phát triển bền vững khu vực ven biển.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng hệ thống quan trắc, nâng cao năng lực mô hình hóa và đào tạo chuyên môn cho cán bộ kỹ thuật.

Hành động ngay hôm nay để ứng dụng mô hình VNU/MDEC trong quản lý vùng cửa sông ven biển, góp phần phát triển kinh tế biển bền vững và bảo vệ môi trường sống!