Tổng quan nghiên cứu

Cửa Tiên Châu thuộc địa phận huyện Tuy An, tỉnh Phú Yên giữ vị trí chiến lược đặc biệt quan trọng trong mạng lưới giao thương thủy văn và phát triển kinh tế biển vùng duyên hải Nam Trung Bộ. Đây là nơi tiếp nhận toàn bộ lưu lượng nước từ lưu vực sông Kỳ Lộ rộng 1.950 km² đổ ra vịnh Xuân Đài trước khi hòa vào Biển Đông. Hoạt động hàng hải tại khu vực diễn ra sôi động với hơn 2.000 lượt tàu thuyền có công suất lên tới 800 mã lực qua lại mỗi ngày, phục vụ trực tiếp cho cộng đồng dân cư địa phương có mật độ tập trung đạt mức 308 người/km².

Tuy nhiên, khu vực cửa sông thường xuyên đối mặt với hiện tượng bồi lấp nghiêm trọng do sự dịch chuyển của doi cát bờ Bắc. Sự bồi lắng này làm thu hẹp luồng tàu chạy, gây cạn cục bộ lòng dẫn và làm suy giảm nghiêm trọng khả năng thoát lũ của hạ lưu sông Kỳ Lộ. Điển hình như các đợt mưa lũ lịch sử, cửa sông bị bồi lấp nghẽn dòng đã gây ngập lụt trên diện rộng, làm hư hại hàng nghìn hecta hoa màu và đe dọa trực tiếp an toàn dân sinh.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là phân tích quy luật hình thái diễn biến của doi cát bờ Bắc qua tư liệu ảnh viễn thám đa thời gian từ năm 1988 đến năm 2020, đồng thời ứng dụng mô hình số trị để đánh giá định lượng các yếu tố thủy động lực sông - biển tương tác tại cửa Tiên Châu. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học chuẩn xác nhằm định hướng quy hoạch các công trình chỉnh trị luồng tàu, duy trì năng lực tiếp nhận 60 lượt tàu 600 mã lực cập cảng Tiên Châu mỗi ngày và giảm thiểu rủi ro thiên tai vùng hạ du.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết động lực học hình thái cửa sông ven biển của Dalrymple, Zaitlin và Boyd cùng khung phân loại cửa sông theo cán cân năng lượng tương tác giữa sóng, triều và dòng chảy sông của Coleman và Wright. Bên cạnh đó, luận văn kế thừa phương pháp phân loại cửa sông Việt Nam của Lương Phương Hậu để xác định cửa Tiên Châu là dạng cửa sông lưỡi cát càng cua đặc trưng của miền Trung. Các khái niệm học thuật chủ chốt được vận dụng xuyên suốt gồm: động lực học trầm tích ven bờ, sự tiến hóa hình thái doi cát chắn cửa, trường sóng nước nông và cơ chế tương tác thủy lực giữa dòng chảy lũ và triều cường. Mô hình nghiên cứu tích hợp phương pháp viễn thám không gian và mô phỏng số trị 2 chiều nhằm làm rõ cơ chế biến đổi lòng dẫn dưới các tác động ngoại sinh phức tạp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu kế thừa trực tiếp từ Đề tài độc lập cấp Nhà nước mã số ĐTĐL.33/18. Bộ cơ sở dữ liệu bao gồm số liệu đo đạc địa hình đáy biển, bình đồ công trình bảo vệ bờ, chuỗi số liệu mực nước triều trạm Tiên Châu (giai đoạn tháng 6/2019 đến tháng 6/2020) và trạm Quy Nhơn (giai đoạn 1995 đến 2020).

Phương pháp chọn mẫu viễn thám được thực hiện thông qua việc sàng lọc từ hơn 5.000 cảnh ảnh vệ tinh lưu trữ trên hệ thống dữ liệu quốc tế. Cỡ mẫu được chọn là 65 ảnh vệ tinh Landsat có chất lượng cao nhất với độ che phủ mây dưới 10%, bao gồm: 40 ảnh Landsat 4–5 độ phân giải 30 m giai đoạn 1988–2011, 10 ảnh Landsat 7 ETM+ độ phân giải 15 m giai đoạn 1999–2003 và 15 ảnh Landsat 8 OLI độ phân giải 15 m giai đoạn 2013–2020.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa giải đoán chiết tách đường bờ tự động có hiệu chỉnh triều và mô hình toán thủy động lực Delft-3D tích hợp hai chiều giữa mô đun dòng chảy và mô đun sóng SWAN. Lý do lựa chọn mô hình Delft-3D là nhờ khả năng mô phỏng liên tục trường vận tốc, mực nước và sự biến đổi đáy biển trên lưới tính cong phi cấu trúc phù hợp với đường bờ phức tạp. Mức độ chính xác của mô hình được kiểm định nghiêm ngặt qua các chỉ số thống kê như sai số trung bình BIAS, sai số trung bình quân phương RMSE và hệ số hiệu quả Nash–Sutcliffe.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, phân tích chuỗi ảnh viễn thám 32 năm (1988–2020) cho thấy doi cát bờ Bắc cửa Tiên Châu có xu thế bồi tụ và phát triển mạnh về phía Nam trong mùa khô, kéo dài chắn ngang cửa sông. Ngược lại, vào mùa mưa lũ, khi dòng chảy sông Kỳ Lộ chiếm tới 75% tổng lượng dòng chảy cả năm (so với mức chỉ 25% trong 8 tháng mùa khô), áp lực dòng chảy lớn làm xói phá mũi cát, mở rộng độ mở cửa sông lên gấp 2 đến 3 lần.

Thứ hai, có sự tương quan hàm mũ chặt chẽ giữa lưu lượng đỉnh lũ và độ rộng mở của cửa biển. Trong trận lũ lịch sử tháng 11 năm 2009, mực nước tại trạm thủy văn Hà Bằng đạt đỉnh 13,47 m (vượt mức báo động III là 3,97 m), vận tốc dòng chảy qua cửa sông tăng vọt khiến toàn bộ doi cát bị cắt xẻ mạnh, đẩy lùi mũi cát về phía Bắc. Tương tự, đợt lũ tháng 11 năm 2016 với mực nước 10,99 m (vượt báo động III là 1,49 m) cũng tạo ra biến động hình thái sâu sắc tại khu vực lòng dẫn.

Thứ ba, trường sóng gió mùa Đông Bắc là nhân tố chính gây bồi lấp luồng tàu. Kết quả mô phỏng sóng cho thấy sóng hướng Đông Bắc thịnh hành từ tháng 10 đến tháng 4 năm sau với độ cao trung bình từ 0,8 m đến 3,0 m, cá biệt lên tới 4,0 m ngoài khơi với tần suất xuất hiện chiếm 60% đến 70%. Trường sóng này tạo ra dòng ven bờ mang lượng bùn cát lớn bồi lắng trực tiếp vào lòng luồng cảng cá Tiên Châu với độ dày bồi tích từ 0,5 m đến 1,2 m sau mỗi mùa gió.

Thảo luận kết quả

Cơ chế động lực chi phối hình thái cửa Tiên Châu là sự cạnh tranh không cân bằng giữa động lực biển (sóng, dòng ven do sóng và triều) và động lực sông (lũ và dòng chảy kiệt). Trong mùa khô, năng lượng sóng Đông Bắc áp đảo hoàn toàn dòng chảy kiệt của sông Kỳ Lộ, dẫn đến cát bị đẩy dồn bồi lấp luồng chạy tàu. Quy luật này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu tại các cửa sông dạng lưỡi cát càng cua ở miền Trung như cửa An Dũ (Bình Định) hay cửa Tư Hiền (Thừa Thiên Huế).

Về mặt biểu diễn dữ liệu, sự tiến hóa của doi cát được thể hiện sinh động qua các chuỗi biểu đồ hoa sóng giai đoạn 2011–2014, đồ thị tương quan giữa góc doi cát và chiều rộng cửa, cùng các bản đồ vector trường vận tốc dòng chảy thời điểm lũ đạt đỉnh. Bảng ma trận so sánh các kịch bản lũ và bão (như kịch bản bão Damrey năm 2017) đã minh chứng rõ nét sự thay đổi phân bố bùn cát đáy luồng, qua đó khẳng định tính đúng đắn và độ tin cậy của phương pháp mô hình hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, triển khai dự án nạo vét thông luồng định kỳ: Ủy ban nhân dân huyện Tuy An phối hợp với Ban Quản lý Cảng cá tổ chức nạo vét khoảng 375.000 m³ bùn cát bồi lấp tại luồng vào Cảng cá Tiên Châu và lạch Vạn Củi. Mục tiêu đưa cao trình đáy luồng đạt mức –3,5 m, chiều rộng đáy nạo vét tối thiểu 30 m và luồng quay trở tàu rộng 130 m, hoàn thành thực hiện trong giai đoạn 2026–2028.

Thứ hai, đầu tư xây dựng công trình chỉnh trị đê chắn cát kết hợp mỏ hàn: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Phú Yên chủ trì lập dự án xây dựng tuyến đê mỏ hàn giảm sóng và chắn cát bờ Bắc nhằm ngăn chặn 60% đến 70% lượng bùn cát dịch chuyển dọc bờ vào cửa sông. Công trình cần được triển khai thi công trong kế hoạch trung hạn 2026–2030.

Thứ ba, nâng cấp hệ thống quan trắc hải văn tự động: Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ thiết lập 02 trạm quan trắc tự động liên tục về sóng, mực nước và dòng chảy tại vịnh Xuân Đài và cửa Tiên Châu. Mục tiêu nâng độ chính xác dự báo bão lũ và sa bồi lên trên 90%, đưa vào vận hành trước năm 2027.

Thứ tư, siết chặt quản lý hành lang bảo vệ luồng tiêu thoát lũ: Chính quyền địa phương các xã An Ninh Đông, An Ninh Tây xử lý dứt điểm 100% các trường hợp lấn chiếm lòng lạch Vạn Củi (hiện bị lấn từ 4 m đến 60 m làm hồ nuôi tôm trái phép), khôi phục mặt cắt thoát lũ tự nhiên rộng trung bình 88 m nhằm giảm 40% nguy cơ ngập úng nội đồng giai đoạn 2026–2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm 1 - Cơ quan quản lý nhà nước (Sở Nông nghiệp & PTNT, Sở Giao thông Vận tải tỉnh Phú Yên, UBND huyện Tuy An): Sử dụng dữ liệu mô phỏng để hoạch định quy hoạch hạ tầng cảng cá, bảo vệ an toàn cho 45 km bờ biển và quản lý hành lang thoát lũ lưu vực sông Kỳ Lộ.

Nhóm 2 - Đơn vị tư vấn thiết kế và quy hoạch công trình thủy công: Khai thác bộ thông số thủy lực, trường sóng cực trị và các kịch bản diễn biến đáy để tính toán kết cấu đê kè, bến cập tàu cho phương tiện từ 500 đến 800 mã lực và tối ưu hóa phương án nạo vét 375.000 m³ cát.

Nhóm 3 - Các viện nghiên cứu, trường đại học chuyên ngành Thủy lợi và Kỹ thuật biển: Kế thừa chuỗi dữ liệu 65 ảnh viễn thám Landsat 32 năm và bộ thông số hiệu chỉnh mô hình Delft-3D để phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về hình thái cửa sông miền Trung.

Nhóm 4 - Ban quản lý cảng cá và cộng đồng ngư dân vịnh Xuân Đài: Nắm bắt quy luật diễn biến bồi lấp luồng theo mùa để chủ động điều phối hơn 2.000 lượt tàu thuyền ra vào neo đậu an toàn, tránh mắc cạn và bảo vệ hơn 670 ha diện tích nuôi trồng thủy sản.

Câu hỏi thường gặp

Cửa Tiên Châu thuộc loại hình cửa sông nào và có đặc điểm gì nổi bật? Cửa Tiên Châu là dạng cửa sông lưỡi cát càng cua đặc trưng của miền Trung. Cửa được che chắn bởi doi cát bờ Bắc, nối liền sông Kỳ Lộ với vịnh Xuân Đài. Khu vực này chịu sự tương tác mạnh mẽ giữa dòng chảy lũ chiếm 75% lưu lượng năm và trường sóng Đông Bắc có chiều cao từ 0,8 m đến 3,0 m.

Tại sao luồng vào cảng cá Tiên Châu thường xuyên bị sa bồi nghiêm trọng? Hiện tượng sa bồi xảy ra chủ yếu trong 8 tháng mùa khô khi dòng chảy sông chỉ chiếm 25% lưu lượng cả năm. Sóng biển hướng Đông Bắc mạnh mẽ vận chuyển lượng lớn bùn cát dọc bờ bồi lắng vào lòng luồng, trong khi lòng dẫn chưa có công trình đê kè chắn cát hoàn chỉnh để ổn định luồng chạy tàu.

Ứng dụng ảnh vệ tinh Landsat mang lại lợi thế gì cho nghiên cứu này? Chuỗi 65 ảnh Landsat thu thập từ năm 1988 đến 2020 cho phép tái hiện chi tiết bức tranh biến động hình thái doi cát suốt 32 năm. Việc giải đoán ảnh đa thời gian kết hợp hiệu chỉnh mực nước triều giúp khắc phục tình trạng thiếu hụt dữ liệu đo đạc thực địa và tiết kiệm đáng kể chi phí khảo sát.

Các trận lũ lớn tác động như thế nào đến độ mở của cửa Tiên Châu? Dòng chảy lũ có tác dụng xói thông lòng dẫn mạnh mẽ. Điển hình như trận lũ năm 2009 (mực nước đỉnh 13,47 m) và năm 2016 (mực nước 10,99 m gây thiệt hại trên 311,5 tỷ đồng) đã tạo lưu tốc lớn đẩy trôi bùn cát, mở rộng cửa sông tức thời lên gấp 2 đến 3 lần so với mùa kiệt.

Độ tin cậy của mô hình thủy động lực Delft-3D trong luận văn được đánh giá ra sao? Mô hình Delft-3D được thiết lập với lưới tính chi tiết và hiệu chỉnh, kiểm định bằng chuỗi số liệu thực đo mực nước từng giờ tại trạm Tiên Châu và trường sóng thực tế. Mức độ phù hợp của mô hình đạt chuẩn khoa học cao qua chỉ số Nash–Sutcliffe và sai số RMSE nhỏ, bảo đảm độ chính xác cho các kịch bản mô phỏng.

Kết luận

  • Luận văn đã làm sáng tỏ quy luật biến động hình thái 32 năm (1988–2020) của doi cát bờ Bắc cửa Tiên Châu thông qua việc phân tích chuỗi 65 tư liệu ảnh vệ tinh Landsat đa phổ.
  • Xác định định lượng nguyên nhân gây sa bồi cửa sông là do tương tác giữa trường sóng mùa Đông Bắc có độ cao 0,8 m đến 3,0 m và sự phân bổ dòng chảy lũ không đều (mùa mưa chiếm 75% tổng lượng năm).
  • Thiết lập và kiểm định thành công bộ công cụ mô hình Delft-3D 2 chiều phản ánh chính xác trường thủy động lực, sóng và phân bố bùn cát qua các kịch bản lũ và bão cực đoan.
  • Đóng góp luận cứ khoa học thực tiễn vững chắc cho Đề tài cấp Nhà nước mã số ĐTĐL.33/18 và quy hoạch hệ thống chỉnh trị cửa sông phục vụ phát triển kinh tế biển tỉnh Phú Yên.
  • Đề xuất đồng bộ 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình, trọng tâm là nạo vét 375.000 m³ luồng lạch và xây dựng đê chắn cát bờ Bắc trong giai đoạn 2026–2030.

Công trình nghiên cứu của tác giả Mai Duy Khánh dưới sự hướng dẫn của các nhà khoa học tại Trường Đại học Thủy lợi mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc giải quyết bài toán bồi lấp luồng hàng hải tại khu vực duyên hải miền Trung. Các cơ quan quản lý và đơn vị tư vấn hãy chủ động ứng dụng kết quả mô hình số trị của luận văn vào công tác thiết kế, thi công nạo vét và chỉnh trị luồng tàu ngay trong giai đoạn 2026–2030 nhằm bảo đảm an toàn sinh kế cho hàng nghìn ngư dân địa phương!