Tài liệu Nghiên cứu biến động hình thái bờ đảo lý sơn và đề xuất các giải pháp đảm bảo ổn định

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sự giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được tác giả ghi rõ nguồn gốc. Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Hải i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Trần Thanh Tùng - Trường Đại học Thủy lợi và TS. Kiều Xuân Tuyển – Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung và Tây Nguyên, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và có những định hướng nghiên cứu khoa học giúp cho tác giả hoàn thành luận văn này. Tác giả xin chân thành cảm ơn các cá nhân, cơ quan thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả được tham gia chương trình đào tạo cao học và hoàn thành khóa học, cũng như hoàn thành Luận văn cao học. Tác giả xin cảm ơn tập thể Viện Khoa học Thủy lợi miền Trung và Tây nguyên, đơn vị đã cung cấp các số liệu trong đề tài KC.09.15/11-15 “Nghiên cứu đánh giá biến động cực trị các yếu tố khí tượng thủy văn biển, tác động của chúng tới môi trường, phát triển kinh tế xã hội và đề xuất giải pháp phòng tránh cho các đảo đông dân cư thuộc vùng biển miền Trung (chủ yếu là đảo Lý Sơn, đảo Phú Quý)” để tác giả hoàn thành được Luận văn cao học của mình. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa sau đại học, Trường Đại học Thuỷ lợi đã luôn luôn giúp đỡ học viên trong việc truyền thụ kiến thức và rèn luyện con người trong thời gian học tập ở trường, để tác giả có được kết quả như ngày hôm nay. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân đã luôn ủng hộ tác giả trên con đường học tập cũng như nghiên cứu khoa học. Xin chân thành cảm ơn mọi sự giúp đỡ quí báu đó! Hà Nội, ngày 16 tháng 03 năm 2017 Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Hải ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH..................................................................................... V DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU................................................................................ VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ VIII MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỜ ĐẢO, DIỄN BIẾN BỜ ĐẢO VÀ GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH BỜ ĐẢO ........................................................................................................4 1.1. Khái quát chung về nghiên cứu diễn biến bờ đảo và giải pháp bảo vệ ....................4 1.1.1. Khái niệm về diễn biến bờ biển .........................................................................4 1.1.2. Các nguyên nhân gây xói lở bờ biển và giải pháp bảo vệ .................................4 1.2. Các nghiên cứu về diễn biến bờ và xâm thực đảo ....................................................6 1.2.1. Các nghiên cứu diễn biến bờ trên thế giới .........................................................6 1.2.2. Các nghiên cứu diễn biến bờ ở Việt Nam .........................................................9 1.2.3. Các nghiên cứu diễn biến bờ trên đảo Lý Sơn ................................................11 1.3. Các giải pháp công nghệ phòng chống xâm thực sạt lở phổ biến ..........................12 1.3.1. Giải pháp công trình ........................................................................................12 1.3.2. Giải pháp phi công trình ..................................................................................14 1.4. Kết luận chương 1 ..................................................................................................15 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC KHU VỰC ĐẢO LÝ SƠN…………… ...........................................................................................................16 2.1. Giới thiệu chung về đảo Lý Sơn .............................................................................16 2.1.1. Đặc điểm tự nhiên............................................................................................16 2.1.1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên ..........................................................................16 2.1.1.2. Đặc điểm khí tượng thủy hải văn .............................................................19 2.1.2. Tình hình phát triển kinh tế xã hội trên đảo Lý Sơn .......................................21 2.1.2.1. Tình hình dân sinh ....................................................................................21 2.1.2.2. Tình hình phát triển kinh tế xã hội ...........................................................22 2.1.2.3. Định hướng quy hoạch phát triển kinh tế xã hội ......................................24 2.2. Nghiên cứu lựa chọn mô hình tính toán .................................................................26 2.2.1. Lựa chọn mô hình tính toán.............................................................................26 2.2.2. Cơ sở lý thuyết của mô hình được lựa chọn tính toán .....................................27 2.2.2.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình dòng chảy Mike 21 HD ..............................27 2.2.2.2. Cơ sở lý thuyết của mô hình sóng Mike 21 SW.......................................29 2.3. Thiết lập, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy động lực....................................30 iii 2.3.1. Thiết lập mô hình, xây dựng miền tính, lưới tính ........................................... 30 2.3.2. Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu .............................................. 32 2.3.3. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy động lực khu vực đảo Lý Sơn .............. 33 2.3.3.1. Số liệu thực đo để hiệu chỉnh, kiểm định ................................................. 33 2.3.3.2. Bộ thông số mô hình ................................................................................ 35 2.3.3.3. Hiệu chỉnh thông số mô hình thủy động lực ............................................ 36 2.3.3.4 Kiểm định mô hình thủy động lực ........................................................... 37 2.4. Mô phỏng trường dòng chảy và xu thế vận chuyển bùn cát khu vực đảo Lý Sơn. 41 2.4.1. Phân chia các đoạn đường bờ nghiên cứu ....................................................... 41 2.4.2. Xây dựng các kịch bản mô phỏng trường dòng chảy theo mùa ...................... 43 2.4.3. Mô phỏng trường dòng chảy và đánh giá xu thế vận chuyển bùn cát ............ 45 2.4.3.1. Điều kiện biên tính toán ........................................................................... 45 2.4.3.2. Kết quả tính toán ...................................................................................... 46 2.5. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 60 CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG XÂM THỰC BỜ ĐẢO LÝ SƠN ............................................................................................................... 62 3.1. Diễn biến xâm thực và sạt lở bờ đảo Lý Sơn ......................................................... 62 3.1.1. Điều tra diễn biến xâm thực và sạt lở bờ đảo .................................................. 62 3.1.2. Lịch sử diễn biến bờ đảo từ kết quả phân tích ảnh viễn thám......................... 63 3.2. Các công trình phòng chống xâm thực, sạt lở hiện có trên đảo Lý Sơn ................ 65 3.3. Đề xuất giải pháp bảo vệ bờ ................................................................................... 68 3.3.1. Xây dựng các tiêu chí ...................................................................................... 68 3.3.2. Giải pháp công trình ........................................................................................ 68 3.3.2.1. Giải pháp công trình bảo vệ bờ trực tiếp .................................................. 69 3.3.2.2. Giải pháp công trình bảo vệ bờ gián tiếp cho một số vị trí. ..................... 70 3.3.3. Giải pháp phi công trình .................................................................................. 74 3.4. Hiệu quả mang lại sau khi xây dựng công trình bảo vệ bờ .................................... 75 3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 76 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 77 1. Kết luận ..................................................................................................................... 77 2. Kiến nghị ................................................................................................................... 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 80 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Kè lát mái bảo vệ bờ biển ......................................................................13 Hình 1.2 Trồng rừng bảo vệ bờ biển ....................................................................14 Hình 2.1 Vị trí địa lý đảo Lý Sơn và tỉnh Quảng Ngãi .........................................16 Hình 2.2 Bản đồ đảo lớn Lý Sơn ...........................................................................17 Hình 2.3 Các dạng địa hình đảo Lý Sơn ...............................................................18 Hình 2.4 Lượng mưa cực đại và trung bình tháng tại Lý Sơn (1985-2012) .........20 Hình 2.5 Lượng mưa cực đại ngày theo tháng tại Lý Sơn (1985-2012) ...............20 Hình 2.6 Đảo Lý Sơn nhìn từ biển ........................................................................21 Hình 2.7 Địa hình khu vực nghiên cứu .................................................................31 Hình 2.8 Minh họa lưới sử dụng trong mô phỏng .................................................32 Hình 2.9 Các biên tính toán khu vực đảo Lý Sơn .................................................32 Hình 2.10 Vị trí trạm đo mực nước trên đảo Lý Sơn ............................................34 Hình 2.11 Quá trình mực nước giờ tại Lý Sơn (12/2012) .....................................34 Hình 2.12 Vị trí đo đạc dòng chảy khu vực Lý Sơn..............................................35 Hình 2.13 Biểu đồ vận tốc dòng chảy trung bình 13 tầng (17-29/12/2012) .........35 Hình 2.14 So sánh mực nước giữa thực đo và trong tính toán (12/2012) .............36 Hình 2.15 Độ cao sóng thực đo bằng máy AWAC (17-29/12/2012) ....................38 Hình 2.16 Hướng sóng chính ................................................................................38 Hình 2.17 Vận tốc gió trên đảo Lý Sơn (17 - 29/12/2012) ...................................39 Hình 2.18 Kết quả tính toán kiệm định vận tốc dòng chảy ...................................40 Hình 2.19 Phân chia địa hình khu vực nghiên cứu................................................42 Hình 2.20 Vận tốc và hướng dòng chảy khu vực đảo Lý Sơn (KB1) ...................46 Hình 2.21 Xu thế vận chuyển bùn cát với hướng sóng NE (KB1) .......................47 Hình 2.22 Vận tốc và hướng dòng chảy tại phía Đông Bắc của đảo (KB1) .........48 Hình 2.23 Khu vực có xu thế xói lở lớn nhất với hướng sóng NE (KB1) ............48 Hình 2.24 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Tây đảo Lý Sơn (KB1) ..................49 Hình 2.25 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Bắc đảo Lý Sơn (KB1) ..................50 Hình 2.26 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Đông đảo Lý Sơn (KB1) ...............50 Hình 2.27 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Nam đảo Lý Sơn (KB1) ................51 Hình 2.29 Khu vực có xu thế xói lở lớn nhất với hướng sóng ENE (KB2) ..........52 v Hình 2.30 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Tây đảo Lý Sơn (KB2) ................. 53 Hình 2.31 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Bắc đảo Lý Sơn (KB2) ................. 53 Hình 2.32 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Đông đảo Lý Sơn (KB2) ............... 54 Hình 2.33 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Nam đảo Lý Sơn (KB2) ................ 55 Hình 2.34 Vận tốc và hướng dòng chảy khu vực đảo Lý Sơn (KB3) ................... 56 Hình 2.35 Xu thế vận chuyển bùn cát với hướng sóng SSE (KB3) ...................... 57 Hình 2.36 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Tây đảo Lý Sơn (KB3) ................. 58 Hình 2.37 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Bắc đảo Lý Sơn (KB3) .................. 58 Hình 2.38 Vận tốc và hướng dòng chảy khu vực phía Đông đảo (KB3) ............. 59 Hình 2.39 Vận tốc và hướng dòng chảy phía Nam đảo Lý Sơn (KB3) ................ 59 Hình 3.1 Hiện trạng sạt lở trên đảo Lý Sơn .......................................................... 63 Hình 3.2 Biến động đường bờ đảo Lý Sơn (1965-2013) ...................................... 64 Hình 3.3 Phân bố vùng biến động đảo Lý Sơn (1965-2013) ................................ 64 Hình 3.4 Kè bờ phía Tây đảo Lý Sơn ................................................................... 66 Hình 3.5 Kè bờ phía Đông đảo Lý Sơn ................................................................. 66 Hình 3.6 Kè bờ phía Nam đảo Lý Sơn .................................................................. 67 Hình 3.7 Sạt lở phía bờ Bắc đảo Lý Sơn ............................................................... 67 Hình 3.8 Các kết cấu cứng hóa bở biển ................................................................ 69 Hình 3.9 Kết cấu bảo vệ bờ giữ bãi ....................................................................... 70 Hình 3.10 Kè mỏ hàn bảo vệ bờ ............................................................................ 70 Hình 3.11 Đê ngầm chắn sóng, giảm sóng............................................................ 71 Hình 3.12 Công trình tổng hợp ngăn cát, giảm sóng ............................................ 71 Hình 3.13 Phân chia đoạn ứng với các giải pháp bảo vệ bờ ................................. 73 Hình 3.14 Các hình thức đề xuất bảo vệ bờ đảo ................................................... 74 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Đặc trưng thống kê tốc độ gió (trung bình và cực đại) theo tháng tại Lý Sơn (1985 - 2012) ..................................................................................................19 Bảng 2.2 Thống kê tốc độ gió (trung bình và cực đại) theo hướng tại Lý Sơn (1985 - 2012) .........................................................................................................19 Bảng 2.3 Năng lượng sóng tương đương trong năm tại vùng biển Lý Sơn ..........44 Bảng 2.4 Năng lượng gió tương đương trong năm tại đảo Lý Sơn .......................44 Bảng 2.5 Điều kiện biên sóng, gió cho các kịch bản.............................................45 Bảng 2.6 Vận tốc dòng chảy lớn nhất tác động lên bờ đảo ứng với các kịch bản 60 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GTSX Giá trị sản xuất THCS Trung học sơ sở THPT Trung học phổ thông UBND Ủy ban nhân dân V Vận tốc N Hướng Bắc NE Hướng Đông Bắc E Hướng Đông SE Hướng Đông Nam S Hướng Nam SW Hướng Tây Nam W Hướng Tây NW Hướng Tây Bắc Hs Chiều cao sóng Ts Chu kỳ sóng MC Mặt cắt viii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Biển đảo Việt Nam là một phần lãnh thổ không thể tách rời của đất nước, qua nghìn năm nó luôn gắn chặt với đời sống của người dân nước Việt cả về vật chất và tinh thần. Vị trí của các đảo này trong lãnh hải và cộng đồng dân cư ở đây đóng một vai trò cực kỳ quan trọng về chính trị, an ninh quốc phòng, bảo vệ chủ quyền Tổ quốc. Trên các đảo có thể lập những căn cứ kiểm soát vùng biển, vùng trời của nước ta, kiểm tra hoạt động của tàu thuyền, đảm bảo an ninh quốc phòng, xây dựng kinh tế, bảo vệ chủ quyền toàn vẹn lãnh thổ của đất nước. Chính vì thế, trong những năm gần đây Chính phủ nước ta rất chú trọng vào phát triển kinh tế xã hội, quốc phòng trên các đảo tiền tiêu của đất nước. Bên cạnh đó, Chính phủ cũng có nhiều chế độ ưu tiên về phát triển con người, nhân lực chất lượng cao cho các đảo, từ đó thu hút được người dân bám biển, bám đảo thiêng liêng của tổ quốc. Huyện đảo Lý Sơn tỉnh Quảng Ngãi cũng chính là một đảo tiều tiêu trong số các đảo tiền tiêu của đất nước. Huyện đảo Lý Sơn của tỉnh Quảng Ngãi được tách ra từ huyện Bình Sơn của tỉnh Quảng Ngãi vào năm 1993. Đảo Lý Sơn còn có tên là Cù Lao Ré nằm trên vùng biển Đông Bắc tỉnh Quảng Ngãi, trong phạm vi 15o22’00’’ đến 15o23’00’’vĩ độ Bắc và 109o05’50’’ đến 109o08’20’’ kinh độ Đông, cách đất liền (Cảng Sa Kỳ) khoảng 24 km; cách thành phố Quảng Ngãi 44 km về phía Đông Bắc và cách khu công nghiệp Dung Quất 37 km về phía Đông Nam. Diện tích đảo vào khoảng 10,7 km2. Nằm cách đảo Lý Sơn khoảng trên 4 km về phía Bắc là đảo Bé (hay còn được gọi là Cù Lao Bờ Bãi) với diện tích khoảng 0,5 km2. Những năm gần đây đời sống của người dân trên các đảo và người dân trên đất liền có khoảng cách ngày càng được thu hẹp. Lý Sơn là huyện đảo thứ ba của Việt Nam kết nối với hệ thống điện lưới quốc gia vào năm 2014. 1 Với sự biến đổi khí hậu toàn cầu đang diễn ra hiện nay, nước biển có xu thế ngày một dâng cao, bên cạnh đó tình hình thiên tai từ biển đang diễn ra ngày càng phức tạp, cường độ và tần suất xuất hiện ngày càng lớn đe dọa đến sự ổn định của bờ đảo. Theo các tư liệu của người Pháp để lại, đảo Lý Sơn vào những năm đầu khi Pháp xâm lược có diện tích vào khoảng 20km2, nhưng cho đến nay, theo số liệu thống kê của huyện đảo thì diện tích đảo Lý Sơn hiện nay chỉ còn vào khoảng 10,7km2; có nghĩa là đảo Lý Sơn bị xâm thực sạt lở mất đi gần một nửa diện tích trong vòng hơn một thế kỷ. Hiện nay đường bờ biển phía Bắc đang ngày một bị sạt lở rất nghiêm trọng. Do xâm thực, đường bờ đảo bị sạt lở tạo thành những vệt hình răng cưa, hình thành các rãnh lấn sâu vào bờ đất của đảo. Diện tích đất ở và sản xuất trên đảo vốn đã hẹp, nay với sự xâm thực của nước biển thì diện tích đó ngày càng bị thu hẹp hơn. Để xác định rõ bản chất, nguyên nhân của sự biến động đường bờ cần nghiên cứu các quá trình thủy động lực tác động lên bờ đảo Lý Sơn. Từ đó đưa ra các giải pháp hợp lý để bảo vệ bờ đảo, hạn chế tối đa các bất lợi từ thiên nhiên. Trong quá trình học tập lớp Cao học chuyên ngành Xây dựng công trình thủy của trường Đại học Thủy lợi, tác giả nhận thấy nghiên cứu về tình hình xâm thực của nước biển trên các đảo rất phù hợp với chuyên ngành mà mình đang theo học. Với tầm quan trọng và tính cấp thiết như vậy, tác giả đã lựa chọn và nghiên cứu luận văn tốt nghiệp của mình với tên gọi: “Nghiên cứu biến động hình thái bờ đảo Lý Sơn và đề xuất các giải pháp đảm bảo ổn định”. 2. Mục đích nghiên cứu Đánh giá được hiện trạng xâm thực bờ và bãi biển khu vực đảo Lý Sơn, các tác động của hiện tượng xâm thực này đối với bờ và bãi biển khu vực đảo Lý Sơn. Đề xuất được các định hướng giải pháp bảo vệ bờ và bãi biển khu vực đảo Lý Sơn trên cơ sở các nghiên cứu về diễn biến bờ đảo và tình hình kinh tế xã hội trên đảo. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu 2 Vùng ven bờ và bãi biển khu vực đảo Lý Sơn, chế độ thủy thạch động lực (sóng, mực nước, dòng chảy, bùn cát) khu vực đảo Lý Sơn. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Huyện đảo Lý Sơn (đảo lớn) tỉnh Quảng Ngãi. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp điều tra thực địa, thu thập tổng hợp số liệu cơ bản về khí tượng thủy văn, hải văn, địa hình đáy khu vực đảo. - Phương pháp viễn thám và GIS, nghiên cứu diễn biến bờ đảo bằng ảnh vệ tinh, bổ sung thêm thông tin về diễn biến bờ đảo trong quá khứ. - Phương pháp mô hình toán: ứng dụng mô hình toán thủy động lực hình thái 2 chiều MIKE 21 với các mô đun sóng, dòng chảy để mô phỏng các diễn biến bờ đảo trong điều kiện hiện tại. - Phương pháp phân tích, tổng hợp, đề xuất các giải pháp bảo vệ bờ phù hợp. 5. Kết quả đạt được - Xác định được bức tranh thủy động lực (mực nước, dòng chảy) khu vực đảo Lý Sơn. - Mô phỏng được các trường dòng chảy và xu thế vận chuyển bùn cát theo mùa với các kịch bản mô phỏng đặc trưng cho khu vực đảo Lý Sơn. - Xác định được hiện trạng xói lở, bồi tụ vùng ven bờ và bãi biển khu vực đảo Lý Sơn. - Đề xuất được các giải pháp bảo vệ bờ đảo, phòng tránh các diễn biến gây xâm thực bờ đảo và bãi biển trong tương lai tại khu vực đảo Lý Sơn. 6. Bố cục của luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận, Luận văn gồm có những nội dung chính như sau: - Chương 1: Tổng quan về bờ đảo, diễn biến bờ đảo và giải pháp ổn định bờ đảo. - Chương 2: Mô hình hóa chế độ thủy động lực khu vực đảo Lý Sơn. - Chương 3: Đề xuất các giải pháp phòng chống xâm thực bờ đảo Lý Sơn. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BỜ ĐẢO, DIỄN BIẾN BỜ ĐẢO VÀ GIẢI PHÁP ỔN ĐỊNH BỜ ĐẢO 1.1. Khái quát chung về nghiên cứu diễn biến bờ đảo và giải pháp bảo vệ 1.1.1. Khái niệm về diễn biến bờ biển Bờ biển luôn biến đổi một cách liên tục dưới tác dụng của sóng và dòng chảy tại nhiều phạm vi không gian và bước thời gian khác nhau. Ví dụ như khi bờ biển chịu tác động của một con sóng đơn làm bùn cát ở ven bờ nổi lơ lửng trong nước và dòng chảy do sóng sinh ra sẽ vận chuyển bùn cát bị nổi lơ lửng này về phía hạ lưu của dòng chảy dọc bờ. Quá trình tác động của sóng đơn này chỉ diễn ra trong vòng vài giây và có phạm vi tác động dải sóng vỡ mà thôi. Nhưng khi quá trình này diễn ra liên tục trong nhiều ngày hoặc nhiều năm, nó có thể gây ra hiện tượng xói lở bờ biển kéo dài trên một vùng rộng vài trăm mét đến hàng chục kilômét. Hiện tượng xói lở hoặc bồi tụ liên tục trong thời gian nhiều tháng, nhiều năm sẽ dẫn tới đường bờ bị suy thoái. Cũng có những diễn biến bờ biển đòi hỏi phải được xem xét trên một phạm vi rộng đến hàng trăm kilômét và trong khoảng thời gian hàng trăm năm, ví dụ như những quá trình thành tạo và phát triển của các đồng bằng châu thổ sông Hồng hay đồng bằng sông Cửu Long, hay quá trình phát triển, suy thoái và thay thế của các cửa sông trên một hệ thống các cửa sông đổ ra biển. Vậy quá trình diễn biến bờ biển là gì ? Nó được hiểu là các quá trình tự nhiên có tác động tới sự biến đổi hình dạng đường bờ, vùng ven bờ và được xem xét, nghiên cứu ở nhiều phạm vi không gian và thời gian khác nhau tùy thuộc vào tính chất và mức độ phát triển của các quá trình này. Ví dụ như quá trình xói lở bãi biển, tại chân các đụn cát do bão thường được xem xét trong thời gian xảy ra bão (có thể vài giờ, hoặc một ngày) nhưng quá trình tự khôi phục lại bãi biển sau đó có thể xảy ra trong một vài tháng hoặc trong mùa kế tiếp. 1.1.2. Các nguyên nhân gây xói lở bờ biển và giải pháp bảo vệ a. Khái quát các nguyên nhân gây xói lở bờ biển 4 Xói lở và bồi tụ được định nghĩa là các hiện tượng nhằm chỉ sự biến đổi đáng kể của đường bờ dưới tác dụng của các yếu tố tự nhiên như sóng, dòng chảy, gió và dưới tác động của con người. Vì vậy, khi tình trạng xói lở bồi tụ diễn ra tại khu vực nào đó của bờ biển, chúng sẽ làm tăng khả năng mất ổn định của đường bờ. Các nguyên nhân gây xói lở bờ biển được khái quát bao gồm các hình thức sau: - Do suy giảm nguồn bùn cát từ sông đổ ra biển. - Do suy giảm nguồn cung cấp bùn cát từ các đụn cát gần bờ. - Do hoạt động khai thác trầm tích và khoáng sản ở ven bờ hoặc trực tiếp trên bãi biển. - Do hiện tượng gia tăng năng lượng sóng ven bờ khi thềm bãi bị hạ thấp. - Do hiện tượng gián đoạn dòng vận chuyển trầm tích dọc bờ (do xây dựng công trình ven bờ hoặc do các tác động của tự nhiên). - Do sự thay đổi của góc sóng tới so với đường bờ. - Do hiện tượng gia tăng số lần xuất hiện và cường độ của các trận bão đổ bộ vào bờ biển. - Do hiện tượng hình thành các sóng phản xạ ở ven bờ làm gia tăng xói lở bờ. - Do giải rừng ngập mặn tự nhiên ven bờ bị suy thoái, phá hủy làm gia tăng sóng tới gây xói lở bờ biển. Trên đảo Lý Sơn, tình trạng khai thác cát và khoáng sản gần bờ để phục vụ cho canh tác trồng tỏi của người dân địa phương được diễn ra hàng năm, đây là nguyên nhân rất lớn gây ra mất ổn định cho bờ đảo. Ngoài ra, còn có các nguyên nhân khác như do gián đoạn của vận chuyển bùn cát dọc bờ, do sự thay đổi của góc sóng tới so với đường bờ, do hiện tượng gia tăng năng lượng sóng ven bờ... b. Các giải pháp bảo vệ Sau đây là các giải pháp được sắp xếp theo trình tự từ giải pháp mang tính bị động tới giải pháp mang tính chủ động trên quan điểm bảo vệ bờ đảo bằng công trình. 5 - Giải pháp di dời và dịch chuyển dân đến nơi an toàn. Địa hình nguồn gốc núi lửa chiếm đến 70% diện tích của đảo nên quỹ đất để ở và sản xuất ở đây rất hạn chế. Tại các vị trí có địa hình cao, với tàn tích của núi lửa để lại chỉ là những dải núi đá, những vị trí này không thể xây dựng nhà cửa và sản xuất được. Vì vậy, với giải pháp di dời và dịch chuyển dân rất khó để áp dụng cho đảo Lý Sơn. - Giải pháp bảo vệ mềm: Nuôi bãi nhân tạo và trồng rừng ngập mặn bảo vệ bờ. Với đặc điểm địa chất ven đảo chủ yếu là đá ngầm và cát kết hợp với đặc trưng sóng gió khu vực đảo Lý Sơn thì giải pháp nuôi bãi nhân tạo và trồng rừng ngập mặn bảo vệ bờ đảo là giải pháp không khả thi. - Giải pháp cứng – Xây dựng công trình ổn định bảo vệ bờ: Xây dựng các công trình kiên cố như đập mỏ hàn, kè bảo vệ bờ, tường chắn sóng, đập phá sóng ngoài khơi... Với đặc điểm địa hình, địa chất của đảo Lý Sơn thì bảo vệ bờ bằng giải pháp xây dựng các công trình kiên cố nhằm cứng hóa đường bờ như kè bảo vệ bờ, tường chắn sóng... là giải pháp hợp lý nhất. 1.2. Các nghiên cứu về diễn biến bờ và xâm thực đảo 1.2.1. Các nghiên cứu diễn biến bờ trên thế giới Nghiên cứu tác động của sóng lên bờ biển và công trình biển đã có từ thế kỷ 18, 19 và phát triển mạnh nhất từ sau thế chiến thứ 2. Nổi bật nhất là các nhà khoa học của 2 cường quốc lúc bấy giờ là Mỹ và Liên xô, các nhà nghiên cứu coi sóng, gió như là quá trình ngẫu nhiên, chuẩn dừng và áp dụng lý thuyết phân tích phổ để nghiên cứu. Từ phân tích phổ sóng, cho phép phát hiện nhiều đặc điểm của quá trình sóng. Những năm gần đây nghiên cứu xói lở bờ biển còn theo hướng nghiên cứu theo lượng năng lượng mang bởi sóng đánh vào bờ, tiêu biểu là các nghiên cứu của M.T.Savin, A.P.Zhinlyev (1980-1990)[1]. Năm 1951, Chính phủ Mỹ thành lập cơ quan chuyên nghiên cứu về vận chuyển bùn cát và xâm thực bãi biển là Beach Erosion Board (BEB). Dưới sự lãnh đạo của J.Spender Smith, BEB nghiên cứu các biện pháp hữu hiệu chống lại quá trình xâm 6 thực bờ biển do sóng và dòng chảy tại các vùng ven đại dương nước Mỹ. BEB đã đóng góp rất quan trọng vào việc phát triển kỹ thuật công trình ven biển và nghiên cứu các quá trình động lực học ven bờ. Nổi bật nhất trong nghiên cứu sóng tác động lên bờ biển, lên công trình ven biển là các nghiên cứu của Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật bờ biển (Coastal Engineering Research Center CERC)[2] của quân đội Mỹ. Bộ cẩm nang kỹ thuật nổi tiếng Shore Protection Manual SPM[3] với lần sửa đổi bổ sung tái bản năm 1984 của CERC được sử dụng trên khắp thế giới ngày nay. Hiện nay trên thế giới có hai nhánh nghiên cứu về khí tượng thủy văn biển: a. Nhánh thứ nhất: Nghiên cứu bản chất, cơ chế động học phát sinh, phát triển và mối quan hệ của các yếu tố khí tượng thủy văn biển. Trong nhánh nghiên cứu thứ nhất, ngoài hướng dùng các phương pháp toán học mô phỏng quá trình vật lý của các yếu tố khí tượng, còn có một hướng nghiên cứu khá phổ biến và thông dụng hầu hết ở tất cả các quốc gia hiện nay, vì nó đơn giản, phục vụ trực tiếp rất nhiều các yêu cầu của hoạt động kinh tế, xã hội và con người, đó là: Nghiên cứu khảo sát, đo đạc, phân tích tính toán các biến đổi của chuỗi các yếu tố khí tượng thủy hải văn trong quá khứ và hiện tại. Căn cứ vào các chuỗi số liệu khí hậu, khí tượng quan trắc được, lựa chọn ra các yếu tố cần nghiên cứu, sau đó dùng phương pháp thống kê để tính toán các trị số đặc trưng của chuỗi số liệu đó là: Trị số trung bình, trị số cực trị (max, min )... cùng quy luật biến động tập trung hay phân tán các chuỗi số liệu này. Từ đó nhận định hoặc phán đoán theo xu thế biến động của chuỗi liệt số và các giá trị cực trị của nó. Trong vài chục năm trở lại đây, một vấn đề được quan tâm rất lớn của cộng đồng quốc tế là Biến đổi khí hậu và Nước biển dâng. Biến đổi khí hậu, sự nóng lên của trái đất và nước biển dâng trực tiếp phản ánh vào các biến động của các yếu tố khí tượng, thủy văn biển. Các biến động này càng trở nên mãnh liệt hơn và cực đoan hơn. Các cực trị của nó đều lớn hơn rất nhiều các cực trị mà các thời kỳ trước đây đạt được. b. Nhánh thứ hai: Nghiên cứu những tác động của các yếu tố khí tượng thủy văn biển lên công trình trên biển, lên bờ biển và các giải pháp chống lại các tác động này. Đây là hướng mà tác giả đi sâu nghiên cứu trong luận văn này. 7 Trong nhánh thứ hai còn đi sâu vào nghiên cứu giải pháp chống lại hoặc hạn chế các tác động bất lợi của yếu tố khí tượng thủy văn biển mà chủ yếu là yếu tố sóng, yếu tố vận chuyển bùn cát, yếu tố dòng chảy ven bờ... Các yếu tố này phá hoại công trình, phá hoại đường bờ, xâm thực bờ, bãi biển... Ngày nay với sự phát triển của mô hình toán, tác động của sóng cho phép đưa ra những lời giải định lượng trong khoảng thời gian ngắn, tiết kiệm kinh phí. Có thể nêu một số dạng mô hình như sau: Nghiên cứu tính toán sóng ven bờ: Năm 1992 Trung tâm kỹ thuật bờ biển quân đội Mỹ (CERC) đã đưa ra mô hình tính sóng ổn định RCPWAVE[2] nổi tiếng. Ngoài ra, còn có các mô hình của các viện nghiên cứu lớn trên thế giới như Mô hình Mike-21[7] do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xây dựng là hệ thống phần mềm đa năng, ngoài tính sóng còn bao gồm tính dòng chảy, sa bồi và nước dâng. Nghiên cứu ổn định bờ và đáy biển: Trong nghiên cứu vấn đề này có thể chia làm 2 nhóm sau: - Mô hình biến động đường bờ: Mô hình này được áp dụng tính toán cho biến động đường bờ, thời gian tính toán nhanh, nhưng không sử dụng được để dự báo biến đổi đáy. - Mô hình biến động đáy: Loại này thường là mô hình 3D, phạm vi ứng dụng rộng hơn nhưng thời gian tính toán đòi hỏi nhiều hơn. Khi áp dụng, các mô hình này cần được kiểm chứng và thận trọng khi tính toán dự báo dài hạn. Các mô hình tính toán biến động đường bờ thông dụng và phổ biến là: - Mô hình GENESIS là mô hình tính toán biến động đường bờ do trung tâm nghiên cứu công nghệ bờ biển thuộc Hải quân Mỹ và trường Đại học Lund Thụy Điển đưa ra năm 1989. - Mô hình UNIBEST do viện Delf Hydraulic (Hà Lan) đưa ra năm 1990. 8 - Mô hình LIPACK do Viện Thuỷ lực Đan Mạch công bố năm 1991. - Mô hình NPM (Nearshone Profile Model) do Viện Thuỷ lực Wallingford vương quốc Anh quốc đưa ra năm 1993. Như đã nêu ở trên, hiện có rất nhiều kết quả nghiên cứu về khí tượng thủy văn biển và tác động của nó lên bờ biển. Song những nghiên cứu riêng biệt khí tượng thủy văn biển ở vùng hải đảo và những tác động này lên hải đảo lại không nhiều, có chăng chỉ là những nghiên cứu của từng vùng, từng khu vực riêng lẻ với các đặc tính riêng, mà chưa có những nghiên cứu tổng quát. Do đó khi nghiên cứu về hải đảo đều phải vận dụng các nghiên cứu chung về tương tác giữa các yếu tố khí tượng thủy hải văn biển với đất liền như đã trình bày ở trên. 1.2.2. Các nghiên cứu diễn biến bờ ở Việt Nam Nước ta có bờ biển và hải đảo dài trên 3000 km, vai trò của biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội. Đặc biệt, nước ta có một vùng lãnh hải đầy tiềm năng về dầu khí và tài nguyên biển. Vì vậy hiểu biết về biển, nghiên cứu về biển là vô cùng cần thiết. Nghiên cứu khảo sát đo đạc tác động của các yếu tố khí tượng thủy văn biển lên bờ biển được tiến hành vào những năm 70, 80 của thế kỷ trước. Đó là khi có vấn đề xâm thực, sạt lở bờ biển vùng Hải Hậu (Nam Định), ngành Thủy lợi đã cho khảo sát đo đạc biến động thủy hải văn và thực hiện các giải pháp phòng chống xâm thực biển đầu tiên ở đây. Trạm đo sóng Văn Lý - Hải Hậu - Nam Định của Viện Khoa học Thủy lợi là trạm đầu tiên đo sóng ở miền Bắc (1974). Máng thí nghiệm nghiên cứu mô hình sóng tuy còn đơn sơ song cũng là thiết bị nghiên cứu sóng đầu tiên ở Việt Nam do Viện Khoa học Thủy lợi tự chế tạo (1976). Từ những năm 90 đến nay Nhà nước ta có chiến lược biển Đông thì các nghiên cứu về xâm thực bờ biển được quan tâm rất nhiều. Các cơ quan khoa học có điều kiện tiếp cận và nghiên cứu nhiều vấn đề của biển Đông. Có thể kể ra một số đơn vị nghiên cứu tiêu biểu như Viện nghiên cứu biển thuộc Viện Khoa học Việt Nam, Viện Hải dương học Nha Trang, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Trường Đại học xây dựng, Viện Khí tượng Thủy Văn, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Trường Đại học Thủy lợi... Các 9 nhà khoa học tiêu biểu như GS.TS. Lương Phương Hậu[4], PGS.TS. Đinh Văn Ưu[5], PGS.TSKH Nguyễn Văn Cư[6]... Nghiên cứu về khí tượng thủy văn biển ở nước ta cũng được chia làm 2 nhánh tương tự như của thế giới: a. Nhánh thứ nhất: Nghiên cứu bản chất, cơ chế động học và mối quan hệ giữa các yếu tố khí tượng thủy văn biển. Nhánh nghiên cứu này tuy chưa được tập trung nghiên cứu rộng và sâu như nghiên cứu khí tượng thủy văn lục địa, song điểm nổi bật của nhánh này là đã đi đầu nghiên cứu và sớm khởi động ngay khi miền Bắc vừa được giải phóng (1955). Nhánh này đã để lại một thành tựu rất to lớn là nghiên cứu những đặc tính cơ bản của yếu tố thủy văn biển nước ta. Đó là xác định đặc tính của chế độ thủy triều ở vùng biển Việt Nam; phân định các chế độ thủy triều trên các khu vực biển, thiết lập được các nguyên tắc tính thủy triều ở biển Việt Nam. Hàng năm xuất bản đều đặn lịch thủy triều. Lịch thủy triều cho đến nay được xác định là rất phù hợp với dao động thực tế của thủy triều ở vùng biển Đông nước ta. GS. Nguyễn Ngọc Thụy[8] là chủ biên của lịch thủy triều Việt Nam trong nhiều thập kỷ. Lịch thủy triều ngày nay hàng năm là bước tiếp của các lịch thủy triều do GS Nguyễn Ngọc Thụy xác lập. Trong nhánh nghiên cứu thứ nhất còn kể tới đóng góp của các nhà khoa học của các Viện nghiên cứu: Viện Cơ học, Viện Địa lý thuộc Viện Khoa học Việt Nam, Viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường thuộc Tổng cục Khí tượng Thủy văn... Các nhà khoa học ở các Viện này có nhiều nghiên cứu rất có giá trị về lĩnh vực khí tượng thủy văn biển như: Cố GS. Phạm Văn Ninh[9], GS. Đỗ Ngọc Quỳnh[10], GS. Hoàng Xuân Lượng[11], GS. Nguyễn Văn Cư[6], GS. Nguyễn Đức Ngữ[12], PGS.TS. Trần Đức Thạnh[13], GS. Lương Phương Hậu[4], GS. Đinh Văn Ưu[5]... b. Nhánh thứ 2: Nghiên cứu tác động của yếu tố khí tượng thủy văn biển lên bờ và các công trình trên biển. Nhánh nghiên cứu này phát triển rất mạnh và có rất nhiều tiến bộ cả về chất và về lượng. Trong nhánh nghiên cứu này, đã có rất nhiều đề tài ứng dụng vào thực tế có 10 hiệu quả cao và đã giải quyết nhiều vấn đề bức xúc của xã hội của yêu cầu phát triển kinh tế. Nghiên cứu tác động của các yếu tố khí tượng thủy văn biển lên bờ biển và công trình biển làm cơ sở cho xây dựng công trình ven biển và trên biển tập trung giải quyết các vấn đề sau: - Nghiên cứu tính toán chế độ về trường sóng ven bờ phục vụ thiết kế công trình bảo vệ bãi và đê, kè biển. - Nghiên cứu kiểm soát sóng bằng công trình như: đê phá sóng cho phép dòng chảy đi qua, đê phá sóng ngầm. - Nghiên cứu tác động của sóng vỡ lên công trình. - Nghiên cứu tải trọng của sóng lên công trình . Các nghiên cứu này được thực hiện ở Viện nghiên cứu biển thuộc Viện Khoa học Việt Nam, Viện Hải dương học Nha Trang, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Trường Đại học xây dựng, Viện Khí tượng Thủy Văn... Một số phương pháp tính và vận dụng mô hình tính toán của nước ngoài được các đơn vị đầu ngành sử dụng khá nhiều trong những năm gần đây. 1.2.3. Các nghiên cứu diễn biến bờ trên đảo Lý Sơn Cho đến nay, nghiên cứu về tình trạng xâm thực bờ trên đảo Lý Sơn là rất ít. Đề tài Khoa học cấp Nhà nước Nghiên cứu đánh giá biến động cực trị các yếu tố khí tượng thủy văn biển, tác động của chúng tới môi trường, phát triển kinh tế xã hội và đề xuất giải pháp phòng tránh cho các đảo đông dân cư thuộc vùng biển miền Trung (chủ yếu là đảo Lý Sơn, đảo Phú Quý) do TS. Kiều Xuân Tuyển làm chủ nhiệm là một trong những đề tài đầu tiên đi sâu nghiên cứu về tình hình xâm thực trên đảo Lý Sơn. Các nghiên cứu khác trên đảo Lý Sơn chủ yếu chỉ tập trung vào những vấn đề chung tổng quát như dân sinh kinh tế và hệ sinh thái biển. Chỉ có một số lĩnh vực cấp thiết nhất mang tính an ninh quốc phòng được thực hiện dưới dạng dự án đầu tư như bến cảng neo đậu, đường cơ động... 11 Các nghiên cứu về công trình bảo vệ bờ và neo đậu tàu thuyền: Chiếm gần 70% tổng số cư dân huyện đảo Lý Sơn làm ngư nghiệp, đánh bắt nuôi trồng hải sản. Số lượng tàu thuyền của đảo rất lớn cùng với các tàu thuyền trong đất liền ra ngoài khơi xa đánh bắt nên tại Lý Sơn rất cần các bến neo đậu phục vụ hoạt động khai thác hải sản và là nơi trú tránh cho tàu thuyền khi có bão lốc. Đồng thời cần có đường giao thông quanh đảo và xuyên đảo phục vụ lưu thông vận chuyển hàng hóa, đặc biệt là phục vụ cho quốc phòng khi lâm sự. Bờ đảo Lý Sơn luôn bị xâm thực sạt lở cuốn trôi nhà cửa và đất màu vốn dĩ rất ít ỏi ở đây. Vì vậy, từ năm 2010 Lý Sơn được đầu tư một số dự án sau: - Dự án vũng neo đậu tàu thuyền đảo Lý Sơn. - Dự án đường cơ động phía Đông Nam đảo Lý Sơn. - Dự án kè bảo vệ bờ khu vực phía Tây chống sạt lở. Các dự án này đang trong giai đoạn thi công và bổ sung hoàn thiện. Nhờ có các dự án này mà bộ mặt và đời sống, dân sinh kinh tế xã hội huyện đảo Lý Sơn đã thay đổi rõ rệt trong những năm qua. 1.3. Các giải pháp công nghệ phòng chống xâm thực sạt lở phổ biến Có hai giải pháp công nghệ phòng chống xâm thực, sạt lở phổ biến hiện nay là giải pháp công trình và giải pháp phi công trình. 1.3.1. Giải pháp công trình Phòng chống xâm thực bờ đảo nằm trong hệ thống phòng chống thiên tai chung cho đảo Lý Sơn, nó không tách riêng đứng độc lập chỉ với chức năng phòng chống xâm thực mà còn kết hợp với chức năng phòng chống khác. Nguyên nhân chính gây ra xâm thực là sóng và công trình chống xâm thực chính là công trình chống lại sức công phá của sóng để bảo vệ bờ. Tuy nhiên, công trình chống xâm thực chỉ phát huy tác dụng trong các trường hợp sóng bình thường tương ứng với tần xuất thiết kế công trình, thông thường là tần suất tương ứng với sóng trong bão dưới cấp 12. Trong các trường hợp cực đoan khi gặp sóng lớn trong cấp bão rất mạnh (cấp 12 tới cấp 15) hoặc siêu bão thì công trình chống xâm thực bị sóng vượt qua thậm chí có thể bị hư hỏng sụt sạt, 12