Nghiên cứu thủy động lực học đầm phá Tam Giang - Cầu Hai và hệ thống cửa biển tại Thừa Thiên Huế

• Tác giả: Nghiem Tien Lam
• Người hướng dẫn: Prof. Bela Petry, IHE, Chairman
• Trường học: The International Institute for Infrastructural, Hydraulic and Environmental Engineering
• Chuyên ngành: Hydraulic and Environmental Engineering
• Đề tài: A Preliminary Study on Hydrodynamics of the Tam Giang - Cau Hai Lagoon and Tidal Inlet System in Thua Thien-Hue Province, Vietnam
• Loại tài liệu: Master of Science Thesis
• Năm xuất bản: 2002
• Địa điểm: Delft

• 1. CHAPTER 1: THE TAM GIANG-CAU HAI LAGOON AND THE ISSUED PROBLEMS
• 1.1. Description of the study area
• 1.2. General description of the area
• 1.3. The Tam Giang-Cau Hai lagoon and tidal inlets system
• 1.4. Objectives of the study
• 1.5. Scopes of the study. Methodology and approach of the study
• 1.6. General Description of the Tam Giang-Cau Hai Lagoon and Coastal Inlets
• 2. CHAPTER 2: THE FORMATION AND DEVELOPMENT OF THE LAGOON
• 2.1. The conditions for the formation of the system
• 2.2. The formation and evolution process of the system
• 2.3. The structure of the Tam Giang-Cau Hai lagoon system
• 2.3.1. The water body
• 2.3.2. The tidal inlets
• 2.3.3. The sand barriers and the shoreline
• 2.3.4. The inland banks
• 2.4. Governing factors and system characteristics
• 2.4.1. River system and river flow to the lagoon
• 2.4.2. The characteristics of the lagoon water body
• 2.4.3. Past studies on the Tam Giang-Cau Hai lagoon system
• 2.4.4. Historical development of the inlets
• 2.4.5. Previous studies on the area
• 2.4.6. Overview on the studies on lagoons and inlets morphology
• 3. CHAPTER 3: HYDRODYNAMIC ANALYSIS OF TIDAL INLETS
• 3.1. Tidal inlet morphology and processes
• 3.2. Inlet stability criteria
• 3.2.1. Cross sectional stabilities
• 3.2.2. The P/M criterion
• 3.3. Numerical Modeling of Tidal Inlets
• 3.3.1. Physical processes considered
• 3.3.2. DUFLOW model
• 4. CHAPTER 4: BASIC DATA COLLECTION AND PROCESSING
• 4.1. River flow data
• 4.1.1. Monthly and annual flow
• 4.1.2. River cross sections
• 4.2. Lagoon and inlet cross sections
• 4.3. Sediment transport in the rivers
• 4.4. Characteristics of sediment in the inlets and at the beach
• 4.5. Long-shore sediment transport
• 4.6. Sediment transport in the inlets
• 4.7. Numerical Model of the Lagoon and Inlet System
• 5. CHAPTER 5: DOWNSTREAM BOUNDARY CONDITIONS
• 5.1. Upstream boundary conditions
• 5.2. Effect of the cross sectional topography and bottom roughness
• 5.3. Effect of the time step Δt
• 5.4. Effect of the weighting factor
• 5.5. Effect of the storm surges and downstream water levels
• 5.6. Effect of inlet openings
• 5.7. Model verification with the flood event of November 1999
• 5.8. Model verification with the flow in the dry season of 2000
• 6. CHAPTER 6: HYDRAULIC CHARACTERISTICS AND TIDAL STABILITY ANALYSIS
• 6.1. The hydraulic characteristics of the system in dry season
• 6.1.1. Hydraulic characteristics of the lagoon and inlets
• 6.1.2. Effects of the M2 tidal parameter
• 6.1.3. Effects of the sea level rise
• 6.1.4. Effects of inlet openings in an extreme condition of flood
• 6.2. The hydraulic characteristics of the system
• 6.2.1. The flood of November 1999 with different scenarios of storm surges
• 6.2.2. The flood of November 1999 with different scenarios of inlet openings
• 6.3. Cross sectional stability
• 6.4. Stabilisation of the inlets
• 6.5. Conclusions on the hydrodynamic characteristics of the system and stability of the inlets
• 6.5.1. The hydrodynamic characteristics of the system
• 6.5.2. The stability situation of the inlets
• 6.6. Recommendations on the relevant processes and related data for further studies
• 6.6.1. Recommendations for study on the foundation for the system
• 6.6.2. Recommendations for the data collection
• 7. CHAPTER 7: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• APPENDIX I: GEOMORPHOLOGICAL EVOLUTION OF THE SYSTEM
• I.1. Tidal water level
• I.2. River flow data
• I.3. Topographic data
• I.4. Sedimentary data
• APPENDIX II: HYDRAULIC SIMULATION RESULT
• II.1. List of simulations and scenarios
• II.2. Results of Model Calibration of October for Flood at 1983
• II.3. Effect of bottom roughness
• II.4. Effect of time step Δt
• II.5. Effect of weighting factor
• II.6. Effect of storm surges and downstream water levels
• II.7. Effect of inlet openings
• II.8. Results of Model verification for Flood of November 1999
• II.9. Results of Model Simulation for Dry Season
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES

I. Giới thiệu về đầm phá Tam Giang Cầu Hai

Đầm phá Tam Giang - Cầu Hai là một trong những đầm phá ven biển quan trọng nhất tại Việt Nam, nằm ở tỉnh Thừa Thiên Huế. Đầm phá này được hình thành từ thời kỳ Holocen muộn, khoảng hơn 2000 năm trước. Hệ thống cửa biển hiện tại bao gồm hai cửa chính là cửa Thuan An và cửa Tu Hien, có đặc điểm hình thái động và thường xuyên thay đổi. Sự di chuyển của các cửa biển, sự xói mòn bãi biển và cồn cát ảnh hưởng lớn đến phát triển kinh tế xã hội và môi trường của tỉnh. Những hậu quả nghiêm trọng từ các quá trình này bao gồm lũ lụt, ngập úng, và tác động tiêu cực đến giao thông, nuôi trồng thủy sản, và hệ sinh thái đầm phá.

1.1. Đặc điểm thủy động lực học của đầm phá

Nghiên cứu về thủy động lực học của đầm phá Tam Giang - Cầu Hai cho thấy rằng dòng chảy từ các con sông là lực tác động chính trong mùa lũ. Các yếu tố như thủy triều, sóng bão và cấu hình cửa biển cũng đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi các đặc tính thủy động lực học của hệ thống. Trong mùa khô, các yếu tố như thủy triều và sự gia tăng mực nước biển trở nên quan trọng hơn. Mô hình DUFLOW đã được sử dụng để mô phỏng hành vi thủy động lực học của hệ thống dưới các điều kiện biên khác nhau.

II. Các vấn đề phát sinh từ hệ thống cửa biển

Hệ thống cửa biển tại đầm phá Tam Giang - Cầu Hai đang đối mặt với nhiều vấn đề nghiêm trọng. Sự di chuyển của các cửa biển và sự xói mòn bãi biển đã dẫn đến tình trạng ngập úng và lũ lụt, gây thiệt hại cho mùa màng và cơ sở hạ tầng. Các nghiên cứu cho thấy rằng sự đóng cửa của cửa Tu Hien có thể ngăn cản hoạt động đánh bắt cá và nuôi trồng thủy sản, làm thay đổi đặc tính hóa lý của nước trong đầm phá. Những thay đổi này không chỉ ảnh hưởng đến sinh kế của người dân mà còn tác động tiêu cực đến hệ sinh thái địa phương.

2.1. Tác động đến sinh kế và môi trường

Sự thay đổi trong cấu trúc sinh thái của đầm phá do sự biến động của các cửa biển có thể dẫn đến sự suy giảm đa dạng sinh học. Việc thay đổi độ mặn của nước trong đầm phá ảnh hưởng đến các loài thủy sản và nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là tôm và cá. Hệ sinh thái đầm phá không chỉ cung cấp nguồn thực phẩm mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng sinh thái. Do đó, việc nghiên cứu và quản lý bền vững hệ thống cửa biển là rất cần thiết để bảo vệ môi trường và sinh kế của người dân.

III. Phương pháp nghiên cứu và mô hình hóa

Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong nghiên cứu này bao gồm việc sử dụng mô hình DUFLOW để mô phỏng hành vi thủy động lực học của hệ thống. Các dữ liệu cơ bản về hình học, độ sâu và lưu lượng nước đã được thu thập và xử lý để tạo ra các điều kiện biên cho mô hình. Mô hình được hiệu chỉnh và xác thực với các điều kiện thực tế để đảm bảo tính chính xác của các kết quả mô phỏng. Các kịch bản tính toán đã được thiết lập để nghiên cứu sự nhạy cảm của hệ thống dưới tác động của các yếu tố như mực nước biển, lưu lượng sông và cấu hình cửa biển.

3.1. Kết quả mô phỏng và phân tích

Kết quả từ mô hình cho thấy rằng các yếu tố như lưu lượng sông và thủy triều có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của các cửa biển. Cửa Thuan An hiện đang ở tình trạng ổn định từ 'khá đến kém', trong khi cửa Tu Hien luôn ở tình trạng 'kém'. Việc sử dụng mô hình thủy động lực học không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hành vi của hệ thống mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo về hình thái học của đầm phá và các cửa biển.

Tổng quan nghiên cứu

Tam Giang-Cầu Hai là hệ đầm phá ven biển lớn nhất Việt Nam, nằm tại tỉnh Thừa Thiên-Huế với diện tích khoảng 216 km², chiếm 3% diện tích tỉnh và 17,2% diện tích đồng bằng Huế. Hệ đầm phá này hình thành từ cuối kỷ Holocene, cách đây hơn 2000 năm, đang trong giai đoạn phát triển với hai cửa biển chính là Thuận An và Tư Hiền. Các cửa biển này có tính động học cao, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của thủy triều, dòng chảy sông và quá trình vận chuyển trầm tích, dẫn đến hiện tượng di chuyển cửa, bồi lấp, xói lở bờ biển và đê cát. Những biến đổi này ảnh hưởng nghiêm trọng đến phát triển kinh tế - xã hội và môi trường của tỉnh, như gây ngập lụt, cản trở giao thông thủy, ảnh hưởng đến thủy sản, nuôi trồng thủy sản, nông nghiệp và hệ sinh thái đầm phá.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình số để mô phỏng và phân tích đặc tính thủy lực của hệ thống đầm phá và cửa biển, đánh giá tình trạng ổn định của các cửa biển, đồng thời đề xuất các quá trình và dữ liệu cần thiết cho nghiên cứu tiếp theo về hình thái học hệ thống. Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của mực nước biển, lưu lượng sông, cấu hình cửa biển và các điều kiện biên khác trong giai đoạn từ năm 1999 đến 2000, với phạm vi nghiên cứu chủ yếu tại hệ đầm phá Tam Giang-Cầu Hai và các cửa biển Thuận An, Tư Hiền, Hoa Duan.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho quản lý bền vững hệ đầm phá, phòng chống thiên tai, bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế địa phương, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng.

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 thủy động lực học cửa biển và đầm phá ven biển, bao gồm:

• Lý thuyết thủy lực cửa biển: Hệ phương trình Saint-Venant một chiều được sử dụng để mô tả dòng chảy không ổn định trong các kênh mở, bao gồm các thành phần vận chuyển trầm tích và ảnh hưởng của thủy triều, dòng sông, sóng và gió.

• Mô hình ổn định cửa biển: Các tiêu chí ổn định dựa trên mối quan hệ giữa thể tích thủy triều (tidal prism) và diện tích mặt cắt ngang cửa biển (P/A), cũng như các chỉ số như hệ số P/M (tỷ lệ giữa lượng trầm tích vận chuyển dọc bờ và thể tích thủy triều) theo Bruun và Gerritsen.

• Mô hình hình thái học cửa biển: Phân tích quá trình di chuyển cửa biển, bồi lấp, xói lở dựa trên tương tác giữa sóng, dòng chảy thủy triều, vận chuyển trầm tích dọc bờ và dòng chảy sông.

Các khái niệm chính bao gồm: thủy triều bán nhật triều, vận chuyển trầm tích dọc bờ, dòng chảy không ổn định, ổn định cửa biển, mô hình số DUFLOW.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu địa hình, mặt cắt ngang đầm phá và cửa biển, lưu lượng và mực nước sông, mực nước thủy triều quan trắc tại các trạm Thuận An, Tư Hiền, Hoa Duan, dữ liệu trầm tích và sóng thu thập từ các cơ quan như VIWRR, HMS, các dự án nghiên cứu trước đây.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình số một chiều DUFLOW để mô phỏng dòng chảy không ổn định trong hệ thống đầm phá và cửa biển, với các điều kiện biên là mực nước biển (bao gồm thủy triều, bão, nước biển dâng), lưu lượng sông và cấu hình cửa biển. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng dữ liệu quan trắc các đợt lũ lớn năm 1983 và 1999, cũng như điều kiện mùa khô năm 2000.

• Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý dữ liệu từ năm 1999-2000, xây dựng và hiệu chỉnh mô hình trong năm 2001-2002, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp trong năm 2002.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc tính thủy lực mùa khô: Tại mùa khô (tháng 1-8), thủy triều là lực chi phối chính, lưu lượng sông đóng góp khoảng 7% tổng thể tích nước trao đổi hàng ngày. Tidal prism tại cửa Thuận An khoảng 32x10^6 m³, Hoa Duan 16x10^6 m³, Tư Hiền 12x10^6 m³. Vận tốc dòng chảy tại cửa Thuận An và Hoa Duan khoảng 0.6 m/s, tại Tư Hiền từ 0.8 đến 1.1 m/s, phù hợp cho việc vận chuyển trầm tích duy trì cửa biển.

2. Ảnh hưởng của mực nước biển dâng và biến đổi thủy triều: Mực nước biển dâng 0.1 m làm tăng khoảng 4% tidal prism và 2-3% vận tốc dòng chảy tại các cửa biển. Sai số 10% trong thành phần thủy triều M2 gây sai số khoảng 3% trong tính toán vận tốc và tidal prism, cho thấy độ nhạy thấp và khả năng hiệu chỉnh cao.

3. Tình trạng ổn định cửa biển: Theo tiêu chí P/M, cửa Thuận An ở mức “khá đến kém” ổn định, cửa Tư Hiền luôn ở mức “kém” ổn định. Cửa Hoa Duan có xu hướng kém ổn định khi mở, đóng góp lớn vào sự phân bố dòng chảy và vận chuyển trầm tích. Vận tốc dòng chảy tại các cửa biển có thể lên đến 3 m/s trong điều kiện lũ lớn, gây xói lở và thay đổi hình thái cửa biển.

4. Ảnh hưởng của các kịch bản mở cửa biển và bão: Mở rộng hoặc thu hẹp cửa Thuận An và Hoa Duan ảnh hưởng lớn đến vận tốc và lưu lượng dòng chảy tại các cửa này, nhưng ảnh hưởng đến cửa Tư Hiền rất nhỏ (<6%). Bão và sóng thần làm tăng lưu lượng dòng chảy và thay đổi vận tốc tại cửa biển, nhưng ảnh hưởng đến mực nước tại các trạm trong đầm phá không lớn do địa hình và khoảng cách.

Thảo luận kết quả

• Sự chi phối của thủy triều trong mùa khô phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hệ đầm phá ven biển có chế độ thủy triều bán nhật triều. Lưu lượng sông thấp trong mùa khô làm giảm ảnh hưởng đến thủy lực hệ thống.

• Mực nước biển dâng và biến đổi thủy triều có ảnh hưởng rõ rệt đến thủy lực cửa biển, tuy nhiên sự thích nghi của hình thái cửa biển có thể làm giảm tác động thực tế.

• Tình trạng ổn định cửa biển kém phản ánh sự biến động mạnh của hình thái cửa, phù hợp với các quan sát về di chuyển cửa, bồi lấp và xói lở trong thực tế.

• Mô hình DUFLOW một chiều cho kết quả phù hợp với dữ liệu quan trắc, tuy nhiên cần bổ sung mô hình 2D để mô phỏng chi tiết hơn các quá trình vận chuyển trầm tích và tương tác sóng.

• Các kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ mực nước, vận tốc dòng chảy, tidal prism theo thời gian và không gian, bảng so sánh các kịch bản mở cửa và mực nước biển dâng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng mô hình 2D chi tiết cho khu vực cửa biển và vùng lân cận, tích hợp các yếu tố sóng, gió, dòng chảy mật độ, vận chuyển trầm tích để mô phỏng chính xác quá trình di chuyển cửa, bồi lấp và xói lở.

2. Tăng cường quan trắc thủy triều và mực nước biển tại các cửa Thuận An, Tư Hiền và Hoa Duan với chu kỳ quan trắc tối thiểu 30 ngày liên tục, bao gồm cả mùa bão để xác định chính xác các thành phần thủy triều và sóng thần.

3. Quan trắc lưu lượng và vận chuyển trầm tích tại các cửa biển, sông đổ vào đầm phá, đặc biệt là sông Ô Lâu và sông Hương, trong cả mùa lũ và mùa khô để đánh giá chính xác nguồn cung trầm tích và ảnh hưởng đến hình thái cửa biển.

4. Thiết kế và xây dựng các công trình kiểm soát lũ và ổn định cửa biển, như đê chắn sóng, kè chắn, cống điều tiết kết hợp với hồ chứa điều hòa lũ thượng nguồn nhằm giảm thiểu ngập lụt và duy trì ổn định cửa biển.

5. Theo dõi và quản lý bền vững hệ sinh thái đầm phá, đặc biệt là kiểm soát xâm nhập mặn, bảo vệ nguồn lợi thủy sản và nuôi trồng thủy sản phù hợp với biến đổi thủy lực và hình thái cửa biển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách vùng ven biển: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các kế hoạch phát triển bền vững, phòng chống thiên tai và bảo vệ môi trường đầm phá Tam Giang-Cầu Hai.

2. Các nhà khoa học và kỹ sư thủy lợi, thủy văn: Áp dụng mô hình số và phương pháp phân tích thủy lực để nghiên cứu các hệ thống đầm phá và cửa biển tương tự, phát triển các giải pháp kỹ thuật phù hợp.

3. Ngành thủy sản và nuôi trồng thủy sản: Hiểu rõ ảnh hưởng của biến đổi thủy lực và xâm nhập mặn đến môi trường sống và sản xuất, từ đó điều chỉnh kỹ thuật nuôi trồng và khai thác hợp lý.

4. Cộng đồng dân cư và các tổ chức phi chính phủ: Nâng cao nhận thức về tác động của biến đổi môi trường và các giải pháp bảo vệ đầm phá, tham gia vào các hoạt động bảo tồn và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình DUFLOW có thể mô phỏng chính xác các quá trình thủy lực trong đầm phá không?
   Mô hình DUFLOW một chiều cho kết quả phù hợp với dữ liệu quan trắc về mực nước và lưu lượng, tuy nhiên hạn chế trong mô phỏng vận chuyển trầm tích và ảnh hưởng sóng. Nên kết hợp với mô hình 2D để tăng độ chính xác.

2. Ảnh hưởng của mực nước biển dâng đến hệ thống đầm phá như thế nào?
   Mực nước biển dâng làm tăng tidal prism và vận tốc dòng chảy tại cửa biển khoảng 4% và 2-3% cho mỗi 0.1 m tăng, có thể làm thay đổi hình thái cửa biển và ảnh hưởng đến ngập lụt vùng ven biển.

3. Tại sao cửa Tư Hiền ít chịu ảnh hưởng từ các cửa Thuận An và Hoa Duan?
   Do có chướng ngại vật là bãi triều cửa sông Thủy Tú, cửa Tư Hiền hoạt động tương đối độc lập, ảnh hưởng chủ yếu bởi thủy triều và dòng chảy tại cửa này.

4. Các biện pháp ổn định cửa biển nào được đề xuất?
   Xây dựng kè chắn, đê chắn sóng, cống điều tiết kết hợp với hồ chứa điều hòa lũ thượng nguồn, đồng thời đóng cửa Hoa Duan để tăng ổn định cửa Thuận An.

5. Dữ liệu quan trắc nào cần được bổ sung để nâng cao chất lượng mô hình?
   Quan trắc thủy triều dài hạn tại các cửa biển, lưu lượng và vận chuyển trầm tích sông và cửa biển, sóng và gió ven biển, mực nước và dòng chảy trong đầm phá, đặc biệt trong mùa bão và lũ lớn.

Kết luận

• Hệ đầm phá Tam Giang-Cầu Hai chịu ảnh hưởng phức tạp của thủy triều, dòng chảy sông và vận chuyển trầm tích, với hai cửa biển chính có tính động học cao.

• Mô hình DUFLOW một chiều được xây dựng, hiệu chỉnh và kiểm định thành công, phù hợp để mô phỏng thủy lực hệ thống trong điều kiện thủy triều và lưu lượng sông.

• Cửa Thuận An có tình trạng ổn định “khá đến kém”, cửa Tư Hiền luôn “kém” ổn định, cần các biện pháp kỹ thuật để duy trì và ổn định.

• Mực nước biển dâng và biến đổi thủy triều ảnh hưởng rõ rệt đến thủy lực cửa biển, cần được theo dõi và dự báo chính xác.

• Đề xuất nghiên cứu tiếp theo sử dụng mô hình 2D chi tiết, tăng cường quan trắc thủy lực, trầm tích và sóng, đồng thời xây dựng các giải pháp kỹ thuật và quản lý bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai quan trắc dài hạn, phát triển mô hình 2D, và phối hợp các giải pháp kỹ thuật để bảo vệ và phát triển bền vững hệ đầm phá Tam Giang-Cầu Hai. Đề nghị các nhà quản lý, nhà khoa học và cộng đồng cùng tham gia thực hiện.

Hành động ngay: Xây dựng kế hoạch quan trắc và nghiên cứu chi tiết, đồng thời triển khai các biện pháp ổn định cửa biển phù hợp với điều kiện thực tế.