Rừng Ngập Mặn Giảm Sóng Và Quản Lý Kỹ Thuật Ven Biển Hiệu Quả Tại Hậu Lộc, Thanh Hóa

• Tác giả: Pham Hoai Thuong
• Người hướng dẫn: Dr. Nguyen Quang Chien
• Trường học: Thuyloi University
• Chuyên ngành: Marine and Coastal Engineering
• Đề tài: Tác Động Của Rừng Ngập Mặn Trong Giảm Sóng Và Quản Lý Kỹ Thuật Ven Biển Tại Huyện Hậu Lộc, Thanh Hóa
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hanoi

• DECLARATION
• ACKNOWLEDGEMENTS
• CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: LITERATURE REVIEW
• 1.1. The characteristics of mangrove species
• 1.2. The mechanism of wave attenuation through mangroves forest
• 1.3. SWAN-VEG Model
• 1.4. Some studies about wave attenuation by mangrove forest in Vietnam
• 2. CHAPTER 2: STUDY AREA
• 2.1. Location
• 2.2. The reality of mangroves forest
• 2.3. State of the dyke system
• 2.4. Topography
• 2.5. Wind
• 2.6. Wave
• 2.7. Rain fall
• 2.8. Sunny hour
• 2.9. Bed characteristic
• 3. CHAPTER 3: WAVE ATTENUATION THROUGH MANGROVES FOREST
• 3.1. Selection of appropriate types of mangroves and vegetation parameters
• 3.2. Determine bed elevation to plant mangroves
• 3.3. Scenario selection
• 3.4. Computational domain and bathymetry
• 3.5. Hydro-meteorological condition for normal case
• 3.6. Water level
• 3.7. Hydro-meteorologic condition for storm case
• 3.7.1. Design return period
• 3.7.2. Design water level
• 3.8. Offshore wave parameters
• 3.9. Wave propagation using Swan 2D model
• 3.10. Results of wave attenuation by mangrove forest
• 3.11. Comparison with an empirical formula
• 4. CHAPTER 4: IMPACT OF CLIMATE CHANGE TO MANGROVE FOREST AND WAVE ATTENUATION IN CLIMATE CHANGE SCENARIOS
• 4.1. Impact of climate change and other factors to the development of mangrove forest
• 4.1.1. Rise in surface temperature
• 4.1.2. Storm and extreme weather events
• 4.2. Wave attenuation through mangrove forest in Climate change scenarios
• 4.2.1. Input data
• 4.2.2. Results
• CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• ANNEX
• Annex 1. SWAN 2D input file
• Annex 1.1. SWAN 2D input file in Scenario 1
• Annex 1.2. SWAN 2D input file in Scenario 2
• Annex 1.3. SWAN 2D input in Scenario 3
• Annex 2. SWAN-VEG input file
• Annex 2.1. Example of SWAN-VEG input file in normal condition, SE monsoon
• Annex 2.2. Example of SWAN-VEG input file in normal condition, NE monsoon
• Annex 2.3. Example of SWAN-VEG input file in Storm condition
• Annex 3. Hs, Kt, R in Scenario 1,2,3 with 5-year-old tree and 9-year-old tree
• Annex 3.1. Hs in scenario 1,2,3 with 5-year-old tree and 9-year-old tree
• Annex 3.2. Kt in scenario 1,2,3 with 5-year-old tree and 9-year-old tree
• Annex 3.3. R in scenario 1,2,3 with 5-year-old tree and 9-year-old tree
• Annex 4. Hs in scenarios in which density of mangrove forest varies
• Annex 5. Hs in Scenarios with and without climate change
• Annex 6. Some photos from the field trip
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES

I. Rừng ngập mặn và vai trò giảm sóng

Rừng ngập mặn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm sóng và bảo vệ bờ biển. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, rừng ngập mặn không chỉ giúp giảm năng lượng sóng mà còn bảo vệ hệ thống đê điều và khu dân cư ven biển. Cơ chế giảm sóng của rừng ngập mặn bao gồm sự cản trở của thân cây, rễ, và ma sát với đáy biển. Đặc biệt, các loài như Sonneratia caseolaris và Kandelia obovata được chọn nghiên cứu do khả năng thích nghi và hiệu quả trong việc giảm sóng.

1.1. Cơ chế giảm sóng

Cơ chế giảm sóng của rừng ngập mặn được phân tích qua ba yếu tố chính: thân cây, rễ, và ma sát đáy biển. Khi sóng đi qua rừng ngập mặn, năng lượng sóng bị tiêu hao do sự cản trở của thân cây và hệ thống rễ phức tạp. Đặc biệt, rễ chống và rễ bạnh vè của các loài Sonneratia caseolaris và Kandelia obovata tạo ra ma sát lớn với đáy biển, giúp giảm đáng kể năng lượng sóng.

1.2. Ứng dụng thực tiễn

Các nghiên cứu thực tế tại Huyện Hậu Lộc, Thanh Hóa cho thấy, rừng ngập mặn đã bảo vệ hiệu quả hệ thống đê điều trước các cơn bão lớn. Ví dụ, trong cơn bão số 7 năm 2005 và số 5 năm 2007, các đoạn đê được bảo vệ bởi rừng ngập mặn không bị hư hại, trong khi các đoạn đê không có rừng ngập mặn bị phá hủy nghiêm trọng.

II. Quản lý kỹ thuật ven biển

Quản lý kỹ thuật ven biển là một phần quan trọng trong việc bảo vệ bờ biển và giảm thiểu tác động của thiên tai. Tại Huyện Hậu Lộc, Thanh Hóa, việc quản lý và phát triển rừng ngập mặn được coi là giải pháp bền vững để bảo vệ đê điều và khu dân cư. Các yếu tố như độ rộng của rừng ngập mặn, loài cây, và mật độ trồng được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu quả giảm sóng.

2.1. Lựa chọn loài cây phù hợp

Việc lựa chọn loài cây phù hợp là yếu tố then chốt trong quản lý kỹ thuật ven biển. Các loài Sonneratia caseolaris và Kandelia obovata được ưu tiên do khả năng thích nghi cao với điều kiện tự nhiên tại Huyện Hậu Lộc, Thanh Hóa. Nghiên cứu chỉ ra rằng, Kandelia obovata có hiệu quả giảm sóng tốt hơn so với Sonneratia caseolaris trong một số điều kiện cụ thể.

2.2. Tác động của biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của rừng ngập mặn. Sự gia tăng mực nước biển và các hiện tượng thời tiết cực đoan làm thay đổi điều kiện sống của các loài cây ngập mặn. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp như nâng cấp hệ thống đê điều và mở rộng diện tích rừng ngập mặn để thích ứng với biến đổi khí hậu.

III. Phòng chống thiên tai và bảo vệ môi trường

Phòng chống thiên tai và bảo vệ môi trường là hai mục tiêu chính trong việc phát triển rừng ngập mặn tại Huyện Hậu Lộc, Thanh Hóa. Rừng ngập mặn không chỉ giúp giảm sóng mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ hệ sinh thái ven biển và chống xói mòn. Các chương trình trồng và bảo vệ rừng ngập mặn được triển khai nhằm giảm thiểu tác động của thiên tai và bảo vệ môi trường sống.

3.1. Bảo vệ hệ sinh thái ven biển

Rừng ngập mặn là một phần không thể thiếu của hệ sinh thái ven biển. Chúng cung cấp môi trường sống cho nhiều loài động thực vật, đồng thời giúp cân bằng hệ sinh thái. Việc bảo vệ và phát triển rừng ngập mặn tại Huyện Hậu Lộc, Thanh Hóa góp phần duy trì đa dạng sinh học và bảo vệ môi trường.

3.2. Chống xói mòn và bảo vệ bờ biển

Rừng ngập mặn đóng vai trò quan trọng trong việc chống xói mòn và bảo vệ bờ biển. Hệ thống rễ phức tạp của các loài cây ngập mặn giúp giữ đất, ngăn chặn sự xói mòn do sóng và dòng chảy. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc trồng và bảo vệ rừng ngập mặn là giải pháp hiệu quả và bền vững để bảo vệ bờ biển trước tác động của thiên tai.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng mạnh mẽ nhất bởi bão và các hiện tượng thời tiết cực đoan trên thế giới. Từ năm 1958 đến 2015, số lượng bão nhiệt đới hoạt động trên vùng biển Đông Nam Á ngày càng gia tăng về tần suất và cường độ, gây ra thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản, đặc biệt tại các vùng ven biển. Theo báo cáo của ngành, diện tích rừng ngập mặn Việt Nam năm 2010 đạt khoảng 209.741 ha, chiếm khoảng 38% tổng diện tích đầm lầy ven biển. Tuy nhiên, nhiều khu vực ven biển vẫn thiếu các vành đai rừng ngập mặn bảo vệ đê điều, làm gia tăng nguy cơ sạt lở và hư hại đê khi có bão lớn.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn, đặc biệt là hai loài bản địa Sonneratia caseolaris và Kandelia obovata, tại huyện Hậu Lộc, tỉnh Thanh Hóa – một trong những vùng chịu ảnh hưởng nặng nề của bão. Nghiên cứu nhằm xác định mối quan hệ giữa các thông số rừng ngập mặn (chiều rộng, mật độ, tuổi cây) với khả năng giảm chiều cao sóng, đồng thời phân tích tác động của biến đổi khí hậu đến sự phát triển rừng và hiệu quả giảm sóng trong các kịch bản biến đổi mực nước biển. Phạm vi nghiên cứu bao gồm dữ liệu từ năm 1990 đến 2015, tập trung vào khu vực ven biển Hậu Lộc với diện tích rừng ngập mặn thay đổi từ 200 ha (1964) đến 468 ha (2015).

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ quy hoạch, thiết kế hệ thống đê biển kết hợp với phát triển rừng ngập mặn nhằm giảm thiểu thiệt hại do thiên tai, đồng thời góp phần thích ứng với biến đổi khí hậu và bảo vệ bền vững vùng ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: cơ chế giảm năng lượng sóng qua rừng ngập mặn và mô hình số SWAN-VEG. Cơ chế giảm sóng được giải thích qua ba yếu tố: lực cản của thân và rễ cây làm giảm chuyển động quỹ đạo của hạt nước, ma sát đáy bùn tăng lên do hệ rễ phức tạp, và tác động chắn gió của tán lá làm giảm sự phát triển sóng. Ba khái niệm chính bao gồm: chiều rộng rừng ngập mặn, mật độ cây và hệ số lực cản (drag coefficient) của từng bộ phận cây (rễ, thân, cành).

Mô hình SWAN-VEG là một module mở rộng của mô hình sóng SWAN, bổ sung thêm thuật toán tính toán tổn thất năng lượng do lực cản của thực vật dưới dạng các vật cản hình trụ. Mô hình này đã được hiệu chỉnh và chứng minh độ tin cậy trong nhiều nghiên cứu quốc tế và được áp dụng để mô phỏng sự giảm chiều cao sóng qua rừng ngập mặn tại khu vực nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thủy văn – khí tượng (mực nước, gió, sóng), đặc tính địa hình đáy và thông số sinh học của hai loài cây ngập mặn Sonneratia caseolaris và Kandelia obovata. Dữ liệu được thu thập từ các trạm quan trắc tại Thanh Hóa, các báo cáo của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, và khảo sát thực địa tại Hậu Lộc.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng số bằng mô hình SWAN-VEG với các kịch bản khác nhau về điều kiện sóng (bình thường và bão với chu kỳ lặp 30 năm), cấu trúc rừng (không có cây, cây 5 năm tuổi, cây 9 năm tuổi), và các kịch bản biến đổi khí hậu (tăng mực nước biển). Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm vùng tính toán rộng 24.200 m x 26.100 m, lưới tính toán 50x100 m, đảm bảo loại bỏ ảnh hưởng biên. Phương pháp chọn mẫu dựa trên dữ liệu thực tế và các nghiên cứu trước đó để hiệu chỉnh mô hình. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 1990 đến 2015, tập trung phân tích biến động rừng và hiệu quả giảm sóng trong giai đoạn này.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn tăng theo chiều rộng và mật độ cây: Mô hình cho thấy khi chiều rộng rừng ngập mặn tăng từ 0 đến 350 m, hệ số giảm chiều cao sóng (Kt) tăng lên đến khoảng 0,5 – tức sóng giảm 50% chiều cao sau khi đi qua rừng. Mật độ cây cao hơn cũng làm tăng hiệu quả giảm sóng, với sự khác biệt lên đến 20% so với rừng thưa.

2. So sánh hai loài cây: Sonneratia caseolaris có hệ số lực cản lớn hơn Kandelia obovata, dẫn đến khả năng giảm sóng hiệu quả hơn khoảng 15% trong các kịch bản mô phỏng. Điều này được giải thích do cấu trúc rễ và thân cây của S. caseolaris phức tạp hơn, tạo lực cản lớn hơn.

3. Tác động của tuổi cây: Rừng ngập mặn 9 năm tuổi giảm sóng hiệu quả hơn 5 năm tuổi khoảng 10-12%, do cây trưởng thành có kích thước lớn hơn và mật độ thân cây dày đặc hơn.

4. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu: Trong các kịch bản mực nước biển dâng, chiều cao sóng sau rừng ngập mặn tăng lên khoảng 10-15% so với hiện trạng, do rừng bị ngập sâu hơn, giảm khả năng sinh trưởng và thu hẹp diện tích rừng. Điều này làm giảm hiệu quả giảm sóng của rừng, đòi hỏi phải có các biện pháp thích ứng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả giảm sóng là do lực cản thủy động học từ thân và rễ cây, cùng với ma sát đáy bùn tăng lên. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam và quốc tế, đồng thời cung cấp số liệu cụ thể cho khu vực Thanh Hóa. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa chiều rộng rừng và hệ số giảm sóng, cũng như sự khác biệt giữa hai loài cây, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng yếu tố.

So với các nghiên cứu trước, luận văn đã bổ sung phân tích tác động của biến đổi khí hậu, đặc biệt là mực nước biển dâng, điều ít được đề cập trong các nghiên cứu trước. Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kết hợp quản lý rừng ngập mặn với các giải pháp kỹ thuật để bảo vệ đê biển trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng và trồng mới rừng ngập mặn với chiều rộng tối thiểu 350 m tại các khu vực ven biển Thanh Hóa nhằm tăng hiệu quả giảm sóng, giảm áp lực lên hệ thống đê biển. Thời gian thực hiện trong 5 năm tới, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn chủ trì phối hợp với các địa phương.

2. Ưu tiên trồng loài Sonneratia caseolaris do khả năng giảm sóng vượt trội, đồng thời kết hợp với Kandelia obovata để tăng đa dạng sinh học và thích ứng với điều kiện môi trường khác nhau. Kế hoạch trồng xen kẽ trong các dự án trồng rừng ngập mặn hiện có.

3. Tăng cường quản lý và bảo vệ rừng ngập mặn hiện hữu, đặc biệt là các rừng 5-9 năm tuổi, nhằm duy trì mật độ và sức khỏe rừng, tránh phá rừng trái phép và khai thác không hợp lý. Cần xây dựng hệ thống giám sát và xử lý vi phạm nghiêm ngặt trong vòng 3 năm tới.

4. Xây dựng các kịch bản thích ứng với biến đổi khí hậu, bao gồm nâng cao mực đê, cải tạo địa hình trồng rừng, và phát triển các công trình hỗ trợ sinh thái nhằm duy trì diện tích và chức năng rừng ngập mặn trong điều kiện mực nước biển dâng. Các đề án này cần được triển khai song song với các dự án phát triển kinh tế ven biển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách về phòng chống thiên tai và phát triển bền vững ven biển: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách phát triển rừng ngập mặn kết hợp với hệ thống đê biển, giúp giảm thiểu thiệt hại do bão và biến đổi khí hậu.

2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia môi trường, thủy lợi: Tài liệu chi tiết về mô hình SWAN-VEG và các thông số sinh học của rừng ngập mặn giúp nghiên cứu sâu hơn về tương tác sóng – thực vật và ứng dụng mô hình số trong các vùng ven biển khác.

3. Các tổ chức phi chính phủ và dự án phát triển rừng ngập mặn: Thông tin về hiệu quả giảm sóng và tác động biến đổi khí hậu hỗ trợ thiết kế các dự án trồng rừng phù hợp với điều kiện địa phương, nâng cao hiệu quả bảo vệ môi trường.

4. Cộng đồng dân cư ven biển và các nhà đầu tư phát triển kinh tế biển: Hiểu rõ vai trò của rừng ngập mặn trong bảo vệ đê và giảm thiểu rủi ro thiên tai, từ đó tham gia tích cực vào công tác bảo vệ và phát triển rừng, đồng thời cân nhắc các giải pháp đầu tư bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Rừng ngập mặn có thể giảm sóng hiệu quả đến mức nào?
   Theo mô hình SWAN-VEG, rừng ngập mặn với chiều rộng khoảng 350 m có thể giảm chiều cao sóng đến 50%, giúp giảm áp lực lên đê biển và hạn chế xói lở bờ biển.

2. Loài cây nào phù hợp nhất để trồng bảo vệ đê biển?
   Sonneratia caseolaris được đánh giá có khả năng giảm sóng tốt hơn Kandelia obovata khoảng 15% nhờ cấu trúc rễ và thân cây phức tạp hơn, phù hợp với điều kiện ven biển Thanh Hóa.

3. Biến đổi khí hậu ảnh hưởng thế nào đến rừng ngập mặn?
   Mực nước biển dâng làm giảm diện tích và sức khỏe rừng ngập mặn, làm giảm hiệu quả giảm sóng khoảng 10-15%, đòi hỏi phải có các biện pháp thích ứng như nâng cao đê và cải tạo địa hình trồng rừng.

4. Chiều rộng rừng ngập mặn cần thiết để bảo vệ đê là bao nhiêu?
   Nghiên cứu đề xuất chiều rộng tối thiểu khoảng 350 m để đạt hiệu quả giảm sóng đáng kể, đồng thời cần duy trì mật độ cây phù hợp từ 2.500 đến 10.000 cây/ha tùy loài.

5. Làm thế nào để duy trì và phát triển rừng ngập mặn bền vững?
   Cần tăng cường quản lý, bảo vệ rừng hiện hữu, xử lý nghiêm các hành vi phá rừng, kết hợp với các dự án trồng mới và xây dựng kịch bản thích ứng với biến đổi khí hậu nhằm duy trì chức năng sinh thái và bảo vệ đê biển.

Kết luận

• Rừng ngập mặn tại Hậu Lộc, Thanh Hóa có vai trò quan trọng trong giảm chiều cao sóng, bảo vệ hệ thống đê biển và giảm thiểu thiệt hại do bão.
• Sonneratia caseolaris được xác định là loài cây có hiệu quả giảm sóng cao hơn so với Kandelia obovata, đặc biệt khi cây đạt tuổi trưởng thành (9 năm).
• Biến đổi khí hậu và mực nước biển dâng ảnh hưởng tiêu cực đến diện tích và hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn, đòi hỏi các giải pháp thích ứng đồng bộ.
• Mô hình SWAN-VEG là công cụ hiệu quả để mô phỏng và đánh giá tác động của rừng ngập mặn đến sóng biển trong các điều kiện khác nhau.
• Các bước tiếp theo cần tập trung vào mở rộng diện tích rừng, nâng cao quản lý bảo vệ, và xây dựng các kịch bản thích ứng với biến đổi khí hậu nhằm bảo vệ bền vững vùng ven biển.

Luận văn khuyến nghị các nhà quản lý, chuyên gia và cộng đồng ven biển phối hợp triển khai các giải pháp trồng và bảo vệ rừng ngập mặn, đồng thời áp dụng mô hình số để hỗ trợ ra quyết định trong công tác phòng chống thiên tai và thích ứng biến đổi khí hậu.