Tài liệu Nghiên cứu hiện tượng xói lở và bồi tụ của cảng lạch huyện và lựa chọn giải pháp phòng chống thích hợp

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hải Phòng là thành phố cảng và công nghiệp quan trọng, là một cực tăng trưởng của tam giác kinh tế trọng điểm phía Bắc gồm Hà Nội, Hải Phòng và Quảng Ninh, là đầu mối giao thông đường biển phía Bắc và là trung tâm kinh tế, văn hoá, giáo dục, khoa học và công nghệ vùng duyên hải Bắc Bộ. Cảng Hải Phòng là một cụm cảng biển tổng hợp cấp quốc gia, hiện đang được Chính phủ nâng cấp. Cảng Hải Phòng nằm trên tuyến đường giao thông trên biển, kết nối Singapore với Hồng Kông và các cảng của Đông Á và Đông Bắc Á. Theo quy hoạch phát triển hệ thống cảng biển Việt Nam giai đoạn đến năm 2020, định hướng đến năm 2030, cảng biển Hải Phòng được xác định là cảng tổng hợp quốc gia, cửa ngõ quốc tế loại IA, trong đó khu Cảng Lạch Huyện là khu cảng đặc biệt quan trọng. Dự án Cảng Lạch Huyện được xây dựng từ phía Nam cửa Lạch Huyện, trên địa bàn huyện đảo Cát Hải, thành phố Hải Phòng, dọc tuyến luồng vào cảng hiện tại đến độ sâu tự nhiên -3,0m; chiều dài toàn bộ tuyến luồng khoảng 18km với đáy luồng tàu -14m. Theo thiết kế, Cảng Lạch Huyện được đầu tư cơ sở hạ tầng và công nghệ bốc xếp đồng bộ và hiện đại có khả năng tiếp nhận được tàu container trọng tải lớn từ 4.000 đến 6.000 TEU và lên đến 8.000 TEU (tương đương với tàu trọng tải 100.000 tấn hoạt động trên tuyến vận tải biển xa). Cảng Lạch Huyện nằm trong hệ thống cảng biển Hải Phòng, chịu sự chi phối mạnh mẽ của các hệ thống sông và động lực biển. Hàng năm các cửa sông này tải ra biển một khối lượng bùn cát khá lớn. Cửa Lạch Huyện 0,4 triệu tấn/năm, cửa Nam Triệu 3,6 triệu tấn/năm, cửa Lạch Tray 0,6 triệu tấn/năm, cửa Văn Úc 6,2 triệu tấn/năm. Nguồn sa bồi này một mặt tham gia vào quá trình thành tạo bar, bãi chắn cửa sông, một mặt tham gia vào dòng bùn cát ven bờ gây sa lắng luồng tàu. Mặt khác, khu cảng Lạch Huyện nói riêng và luồng tàu vào cảng Hải Phòng nói chung nằm trong vùng vịnh nửa hở với chế độ thủy thạch động lực phức tạp gây xói lở, bồi 2 tụ xen kẽ nhau và thay đổi theo mùa. Kết quả thực đo và tính toán cho thấy đoạn từ cửa kênh Cái Tráp đến Xuân Đán khá ổn định, mức độ bồi lắng không đáng kể đặc biệt là đoạn từ Bến Gót đến Xuân Đán. Tuy nhiên đoạn từ Xuân Đán ra đến đường đẳng sâu -4,0 m bị sa bồi mạnh, có thời điểm lên tới ≈1,0 m, đoạn từ đường đẳng sâu -4,0 m trở ra mức độ sa bồi có giảm hơn, vào khoảng 0,54 m [12]. Từ những lý do nêu trên, việc nghiên cứu xói lở và bồi tụ khu vực Cảng Lạch Huyện, lựa chọn giải pháp thích hợp phòng chống xói lở, bồi tụ và bảo vệ bờ biển có một tầm quan trọng và ý nghĩa đặc biệt. Kết quả nghiên cứu của đề tài nhằm làm sáng tỏ quá trình xói lở, bồi tụ tại khu vực nghiên cứu, dự báo sự phát triển của quá trình này trong tương lai, góp phần cho công tác quản lý, quy hoạch và xây dựng các công trình ven biển và các công trình bảo vệ bờ biển… Vì vậy “Nghiên cứu hiện tượng xói lở và bồi tụ của Cảng Lạch Huyện và lựa chọn giải pháp phòng chống thích hợp” có tính cấp thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là hiện tượng xói lở, bồi tụ khu vực Cảng Lạch Huyện. - Phạm vi nghiên cứu: Khu vực nghiên cứu là khu vực dự kiến xây dựng Cảng Lạch Huyện, được giới hạn bởi kênh Cái Tráp ở phía Bắc, chương Hàng Dày ở phía Tây, bờ đảo Cát Bà ở phía Đông và kéo dài ra phía biển 18km. 3. Mục tiêu của đề tài - Làm sáng tỏ nguyên nhân, cơ chế hình thành hiện tượng xói lở, bồi tụ khu vực Cảng Lạch Huyện - Dự báo quá trình xói lở bồi tụ Cảng Lạch Huyện và lựa chọn giải pháp phòng chống thích hợp. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu đặc điểm địa chất, địa chất công trình, địa chất thủy văn, thủy hải văn, hệ sinh thái, các hoạt động kinh tế xã hội khu vực Cảng Lạch Huyện. - Nghiên cứu nguyên nhân, cơ chế và quy luật của hoạt động xói lở, bồi tụ 3 - Mô phỏng quá trình thủy thạch động lực (Sóng, dòng chảy, vận chuyển bùn cát) cho khu vực nghiên cứu bằng bộ mô hình MIKE. - Nghiên cứu, lựa chọn giải pháp khoa học công nghệ thích hợp phòng chống xói lở, bồi tụ và bảo vệ đường bờ biển khu vực nghiên cứu. 5. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện được các mục đích và nội dung nêu trên, đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Thu thập và hệ thống hóa tài liệu - Phương pháp phân tích hệ thống nhằm thống kê, phân tích, đánh giá các tác nhân gây xói lở, bồi tụ tại khu vực nghiên cứu. - Bản đồ, viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS): Nghiên cứu biến động đường bờ, theo dõi, đánh giá hiện trạng và diễn biến quá trình vận chuyển, bồi lắng bùn cát vùng cửa sông ven biển và luồng tàu vào cảng. Đây là phương pháp hữu hiệu để đánh giá hiện trạng và diễn biến xói lở, bồi lắng bùn cát vùng cửa sông ven biển và sa bồi luồng tàu; các tư liệu ảnh viễn thám (ảnh vệ tinh, ảnh máy bay) qua các thời kỳ khác nhau. Công nghệ GIS giúp cho việc lưu trữ, cập nhật và sử dụng có hiệu quả các dữ liệu đã có về quá trình vận chuyển, bồi lắng bùn cát vùng cửa sông ven biển và sa bồi luồng tàu vào cảng. Phương pháp bản đồ (mô hình không gian, trực quan) giúp cho việc thể hiện trực quan nhất các kết quả nghiên cứu về sự vận chuyển, bồi lắng bùn cát khu vực nghiên cứu. - Nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát, đo đạc ngoài hiện trường nhằm bổ sung tài liệu và kiểm tra kết quả nghiên cứu. Khảo sát, đo đạc thường xuyên tại các điểm, trạm quan trắc theo dõi quá trình vận chuyển, bồi lắng bùn cát vùng cửa sông ven biển và sa bồi luồng tàu vào cảng. Các kết quả đo đạc khảo sát sẽ bổ sung cho bức tranh hiện trạng xói lở, bồi tụ vùng cửa sông ven biển và sa bồi luồng tàu, đồng thời là các số liệu đầu vào cho các mô hình tính toán, mô hình dự báo sự vận chuyển, bồi lắng bùn cát tại khu vực nghiên cứu trước và sau khi xây dựng công trình. - Phương pháp mô hình toán với công nghệ tin học hiện đại: Mô phỏng các quá trình thủy thạch động lực vùng ven biển, cửa sông. Mô hình động lực vận 4 chuyển, lắng đọng bùn cát; mô hình dự báo sự vận chuyển, bồi lắng bùn cát khu vực cửa sông và luồng tàu trước và sau khi xây dựng công trình. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1. Kết quả nghiên cứu của luận văn có ý nghĩa định hướng cho việc quy hoạch, xây dựng, khai thác hợp lý – bảo vệ môi trường địa chất khu vực xây dựng cảng Lạch Huyện. 2. Cơ sở dữ liệu về sóng, gió là nguồn tài liệu tin cậy có thể tham khảo sử dụng trong thiết kế, thi công công trình ở đới ven biển. 3. Kết quả của luận văn có thể làm tài liệu giảng dạy trong lĩnh vực Địa chất công trình (ĐCCT) – Địa kỹ thuật. 7. Cơ sở tài liệu Luận văn được thực hiện trên các tài liệu sau: - Tài liệu khảo sát ĐCCT khu vực cảng và luồng tàu - cảng Lạch Huyện do đội khảo sát thuộc công ty cổ phần tư vấn xây dựng Cảng - Đường thủy (TEDIPort) thuộc Tổng công ty cổ phần tư vấn thiết kế giao thông vận tải (TEDI) thực hiện. - Các kết quả thí nghiệm trong phòng được thực hiê ̣n bởi Phòng thí nghiê ̣m địa kỹ thuâ ̣t TEDIPort (LAS-XD 422). - Các tài liệu của đề tài: “Nghiên cứu hiện tượng xói lở và bồi tụ vùng ven biển Bắc Bộ và đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến các hoạt động xói lở và bồi tụ”, do TS Trần Hữu Tuyên chủ trì. Ngoài ra, luận văn còn sử dụng nhiều tài liệu đã công bố và lưu trữ trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài nghiên cứu. 8. Cấu trúc của luận văn Luận văn được trình bày trong 115 trang gồm phần Mở đầu, 4 chương, phần Kết luận và kiến nghị với 57 hình, 32 bảng biểu minh họa. 9. Lời cảm ơn Luận văn được hoàn thành tại Bộ môn Địa chất công trình, Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Huy Phương. Trong quá trình hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt 5 tình và những đóng góp quý báu của ThS Nguyễn Thái Sơn - Viện Địa lý. Tác giả cũng đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô và các đồng nghiệp trong Bộ môn Địa chất công trình, Khoa Địa chất, Phòng Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Công ty Tư vấn xây dựng Cảng đường thủy (TEDIPORT). Nhân dịp này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành của mình tới PGS.TS. Nguyễn Huy Phương – người trực tiếp hướng dẫn khoa học, các nhà khoa học, các cơ quan và các bạn đồng nghiệp về những sự giúp đỡ quý báu đó. Hà Nội, tháng 10 năm 2014 Tác giả 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU HIỆN TƯỢNG XÓI LỞ VÀ BỒI TỤ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.1. Tổng quan về nghiên cứu hiện tượng xói lở và bồi tụ trên Thế giới 1.1.1. Tổng quan về bồi tụ - xói lở ở một số đồng bằng châu thổ trên Thế giới Tại các khu vực bờ, lượng bùn cát đưa đến lớn hơn lượng mang đi, bờ biển sẽ được bồi tụ. Vì vậy, các đường bờ biển có mức độ bồi tụ mạnh mẽ nhất là khu vực lân cận các sông lớn. Ở đây, quá trình bồi tụ được nghiên cứu trong tổng thể chung về sự phát triển của đồng bằng châu thổ. Đồng bằng châu thổ Mississipi (Bắc Mỹ) là một trong những đồng bằng châu thổ lớn nhất thế giới, được hình thành trong điều kiện khí hậu bán nhiệt đới. Lưu lượng trung bình của sông Mississipi là 18.000m 3/s. Hàng năm, sông vận chuyển ra biển 300 triệu tấn bùn cát. Đồng bằng châu thổ Mississipi đã và đang được phát triển bằng sự bồi lấp các thùy châu thổ mới. Cơ chế bồi tụ lấn biển ở đây được diễn ra như sau: Các cồn cát hình lưỡi liềm hình thành ở phía trước các chi lưu, phần trong của cồn được bồi lấp nhanh, sau đó cồn bị phá hủy và thời kỳ lũ lớn và hình thành các cồn mới xa hơn về phía biển. Đường bờ lấn ra biển với tốc độ trung bình 77m/năm. Một đồng bằng châu thổ lớn khác cũng được hình thành trong điều kiện khí hậu bán nhiệt đới là đồng bằng châu thổ Hoàng Hà (Trung Quốc). Hoàng Hà có lưu lượng trung bình 4000m3/s, hàng năm vận chuyển vào biển Hoàng Hải 1.200 triệu tấn bùn cát. Theo kết quả nghiên cứu của CCOP (1226), đồng bằng châu thổ Hoàng Hà phát triển ra biển với các khối trầm tích dạng vòng cung như một cái quạt. Nhiều đoạn bờ có chế độ bồi tụ và xói lở luân phiên. Tốc độ bồi tụ lấn biển trung bình khoảng 800m/năm. Vào mùa lũ, đường bờ được bồi tụ, ngược lại vào mùa khô, trầm tích lắng đọng tại chỗ làm tắc cửa sông, gây xói lở mạnh ở khu vực phía bắc [30]. 7 Đồng bằng châu thổ lớn nhất Nam Mỹ là sông Orinoco. Đồng bằng nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới, hình thành do sự bồi đắp của bùn cát hạt mịn được vận chuyển từ các vùng đất thấp và một phần lớn khác từ sông Amazon. Phía bắc châu thổ là bãi triều bùn được bồi tụ mạnh. Phía nam là các cửa sông chết được cung cấp bùn cát từ phía đông. Đồng bằng châu thổ hiện đại của sông bắt đầu phát triển từ khoảng 8000 năm trước với tốc độ lấn biển 2km/100 năm. 1.1.2. Tổng quan về xói lở bờ biển trên Thế giới Từ những năm giữa thập kỷ 50 của thế kỷ XX, xói lở bờ biển đã được ghi nhận là hiện tượng có quy mô toàn cầu, gây nhiều thiệt hại về người và của cải, vật chất. Ở Tây Âu, bờ biển chủ yếu là bờ đá gốc và bờ cát. Theo xu thế phát triển, đường bờ được chia thành 4 kiểu: Ổn định, xói lở, bồi tụ và không rõ xu thế phát triển. Do đường bờ chủ yếu là đá gốc nên chiều dài bờ ổn định là lớn nhất. Tiếp theo, chiều dài các đoạn bờ bị xói lở chiếm ưu thế đáng kể so với bờ bồi tụ. Bảng 1.1 cho thấy trong tổng số 21.272km bờ biển của 11 nước châu Âu có 6.244km bờ biển bị xói lở. Đặc biệt là ở Pháp, Hy Lạp và Italia có tới hơn 1.000km bờ biển có xu thế bị xói lở. Bảng 1.1. Chiều dài bờ biển bị xói lở ở một số nước châu Âu Tên nước Đan Mạch Cộng hoà liên bang Đức Hà Lan Bỉ Anh Ailen Pháp Tây Ban Nha Bồ Đào Nha Italia Hy Lạp Tổng Chiều dài bờ biển (km) 3.253 605 407 64 3.680 2.012 2.600 1.222 782 3.824 2.732 21.972 Chiều dài xói lở (km) 320 218 183 25.5 622 384 1.126 617 322 1.012 1.122 6244 Phần trăm bờ xói lở (%) 12 36 45 40 12 12 46 32 51 26 41 28 Tại Mỹ, trong tổng số 134.784km bờ biển thì có 3.420km bị xói lở (chiếm 8 2,5%). Tuy tỷ lệ không lớn nhưng các đoạn bờ bị xói lở lại phân bố không đều trong 30 bang ven biển. Riêng bang California có tới 1.523km bờ biển bị xói lở, chiếm 86% chiều dài bờ biển của bang. Các đoạn bờ cấu tạo bằng đá trầm tích bở rời có tốc độ xói lở trung bình 0,6-0,2 m/năm ở bờ biển Đại Tây Dương và 1,8 m/năm ở vịnh Mexico [32]. Tại Biển Đen, đường bờ của Gruzia liên tục bị xói lở với quy mô ngày càng tăng, từ 155km (chiếm 42%) năm 1261 lên 183km năm 1271 và 220km năm 1281. Trong vòng 20 năm, 1.400ha đất đã mất đi bất chấp các nỗ lực xây dựng các công trình chống xói lở. Tại Nhật Bản, nhiều thập kỷ qua bờ biển luôn bị xói lở ở mức độ nghiêm trọng. Các đoạn bờ bị xói lở mạnh như ở Kaike, tốc độ xói lở trung bình 6m/năm. Bờ biển Nigata và Kashima - Nada xói lở 5m/năm. Nhật Bản đã tiến hành rất nhiều các công trình nghiên cứu đánh giá, dự báo, thực hiện các giải pháp để hạn chế hoạt động xói lở bờ biển và chống bồi lấp luồng lạch tại các cảng biển [34]. 1.2. Tổng quan về nghiên cứu hiện tượng xói lở và bồi tụ ở Việt Nam Biển Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, là một bộ phận của biển Đông với đường bờ biển chạy dài hơn 3.200km. Dải đất ven biển chạy dọc theo chiều dài đất nước, chiếm 1/6 diện tích, 1/5 dân số, với trên 2.000 đảo ven bờ và 2 quần đảo ngoài khơi, là căn cứ hậu cần, kinh tế, kỹ thuật và an ninh quan trọng nhất cho công cuộc khai thác biển. Vấn đề nghiên cứu xói lở, bồi tụ ở Việt Nam đã được tiến hành từ nhiều năm trước và ngày càng được chú trọng. Nhiều Chương trình, đề tài và dự án và các nghiên cứu khác đã được thực hiện làm sáng tỏ đặc điểm, cơ chế quá trình xói lở, bồi tụ tại các vùng khác nhau của Việt Nam. Có thể xem năm 1220 với chương trình biển 48B là thời điểm khởi đầu cho công cuộc nghiên cứu về các quá trình thủy thạch động lực bờ biển Việt Nam. Kết quả của chương trình là đã nghiên cứu khá chi tiết chế độ thủy thạch động lực vùng bờ biển bùn sét, bờ biển cát ở các vị trí trọng điểm, bước đầu kiến giải về nguyên nhân và cơ chế hình thành các hiện tượng bồi tụ và xói lở ở đới bờ biển cát, bờ biển 9 delta; dựa trên phân tích ảnh viễn thám xác lập được vị trí đường bờ biển vào các năm khác nhau, đặc biệt là tại các khu vực bồi tụ mạnh vùng châu thổ Bắc Bộ và Nam Bộ. Đề tài “Nghiên cứu sự biến động đường bờ biển Việt Nam bằng tư liệu viễn thám” thuộc chương trình 48B-07-02-01 do Tô Quang Định, Đặng Kim Quy… thực hiện (1220). Lần đầu tiên bằng các tư liệu viễn thám qua các thời điểm khác nhau, tác giả đã xác lập được vị trí đường bờ biển vào năm 1230, 1265, 1285, đặc biệt là các khu vực bồi tụ mạnh vùng châu thổ Bắc Bộ và Nam Bộ [13]. Đề tài “Nghiên cứu các quá trình thủy thạch động lực vùng bờ biển và cửa sông ven biển” thuộc chương trình 48B-02-01 do Đặng Ngọc Thanh và nnk năm 1221 [25] đã nghiên cứu khá chi tiết về chế độ thủy thạch động lực vùng bờ biển như bùn sét, bờ biển cát ở bốn điểm chính: Cửa Ba Lạt, Thuận An, Xoài Rạp và cửa Định An. Trong đề tại này bước đầu đã có các kiến giải về nguyên nhân, cơ chế hình thành các hiện tượng bồi tụ và xói lở ở đới bờ biển cát, bờ biển Delta. Đề tài “Hiện trạng, nguyên nhân bồi xói dải bờ biển Việt Nam, đề xuất các biện pháp khoa học kỹ thuật bảo vệ và khai thác vùng đất ven biển” mã số KT.03.14 (1225) do Nguyễn Thanh Ngà chủ trì [21]. Trong báo cáo tổng hợp đã xác lập được những đoạn bồi xói trên toàn bộ dải ven biển Việt Nam, sơ bộ lý giải nguyên nhân gây ra hiện tượng bồi – xói bờ biển tại thời điểm nghiên cứu. Tuy nhiên, đề tài chỉ tập trung nghiên cứu những đoạn có cường độ bồi tụ, xói lở lớn ở hai đầu đất nước. Đề án 5B “Nghiên cứu dự báo phòng chống sạt lở bờ biển miền Trung từ Thanh Hóa đến Bình Thuận”do Nguyễn Văn Cư, Phạm Huy Tiến và nnk thực hiện năm 2001 [11]. Báo cáo đã thể hiện lượng tư liệu khá phong phú, chi tiết về hiện trạng bồi – xói bờ biển, đặc điểm của các tác nhân gây sạt lở, nguyên nhân và các giải pháp phòng chống ở khu vực nghiên cứu. Lần đầu tiên, tính chất ĐCCT lớp đất đá đã được vận dụng để đánh giá mức độ ổn định được bờ cho vùng Nam Trung Bộ. Các kết quả dựa trên “Báo cáo tổng kết các chương trình điều tra nghiên cứu biển cấp Nhà nước (1997-2000), chương trình biển KHCN – 06” [1] và các nghiên cứu trước đó đã cho phép phân chia toàn bộ đới ven biển Việt Nam thành 3 10 vùng: Bờ thủy triều chiếm ưu thế từ Móng Cái (Quảng Ninh) đến Đồ Sơn (Hải Phòng), bờ châu thổ (phía Bắc là châu thổ sông Hồng - sông Thái Bình, phía Nam là châu thổ sông Cửu Long - sông Đồng Nai) và bờ tích tụ - mài mòn từ Nga Sơn (Thanh Hóa) đến Vũng Tàu (Bà Rịa - Vũng Tàu). Một trong những thành công cơ bản của các nghiên cứu trước đây là việc sử dụng rất hiệu quả phương pháp GIS, làm sáng tỏ được bức tranh bồi tụ - xói lở ở châu thổ sông Hồng – Thái Bình qua các thời kỳ khác nhau trong khoảng 50 đến 100 năm qua. Trên cơ sở của phương pháp này, các tác giả đã đề xuất phân cấp cường độ và quy mô xói lở bờ biển ở châu thổ Bắc Bộ. Đỗ Ngọc Quỳnh và nnk [23] đã nghiên cứu biến động đường bờ biển, đưa ra các phương pháp tính toán vận chuyển bùn cát và các mô hình tính biến dạng đường bờ, kết quả ứng dụng cho một số vùng xói lở dọc ven bờ biển Việt Nam. Ngoài ra, một số đề tài đã được tiến hành tại vùng nghiên cứu như: “Nguyên nhân và giải pháp phòng chống sa bồi luồng tàu vùng Cảng Hải Phòng”, đề tài “Nghiên cứu nguyên nhân và đề xuất giải pháp phòng chống xói lở đảo Cát Hải”, “Nghiên cứu ảnh hưởng của đập Đình Vũ tới điều kiện động lực vùng cửa Cấm – Nam Triệu liên quan đến sa bồi luồng vào cảng Hải Phòng” và các báo cáo nghiên cứu chuyên đề khác. 11 CHƯƠNG 2 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ - Xà HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 2.1. Vị trí địa lý, đặc điểm kinh tế xã hội 2.1.1. Vị trí địa lý Đảo Cát Hải (huyện Cát Hải) có tọa độ địa lý 20 047’20’’N – 20050’12’’N và 106040’36’’E – 106054’05’’E. Đảo có diện tích xấp xỉ 40km2 và cách nội thành thành phố Hải Phòng 24km về hướng Đông – Đông Nam, nằm trong vùng cửa sông hình phễu Bạch Đằng. - Phía Bắc giáp đảo Hà Nam (Quảng Ninh) ngăn cách bởi kênh Cái Tráp. - Phía Đông ngăn cách với đảo Phù Long qua Lạch Huyện rộng 1,5km, sâu 13 – 15m. - Phía Tây ngăn cách với đảo Đình Vũ qua lạch Nam Triệu rộng trên 1km, sâu từ 10 – 12m. - Phía Nam đảo là vùng nước nông ven bờ Vịnh Bắc Bộ. Hình 2.1. Khu vực nghiên cứu 12 2.1.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội Huyện Cát Hải có 12 đơn vị hành chính bao gồm 2 thị trấn Cát Bà, Cát Hải và 10 xã, tổng số dân cư là 22.822 người (tính đến tháng 6/2010), mật độ dân số 88 người/km2. Huyện Cát Hải gồm 2 khu vực: Cát Bà (đảo đá vôi) và Cát Hải. Cát Bà là khu tập trung chính, nơi đặt huyện lỵ, đang phát triển mạnh mẽ về lĩnh vực du lịch biển và không chịu sức ép xói lở bờ biển. Khu Cát Hải là nơi có cơ quan hành chính đại diện huyện thứ 2, nơi thường xuyên chịu sức ép của quá trình xói lở bờ biển từ nhiều năm nay và đã trở thành khu vực trọng điểm xói lở trong dải bờ biển Bắc Bộ. Người dân Cát Hải sống chủ yếu bằng nghề thủy sản, một phần sống bằng nghề làm muối. Khu Cát Hải gồm 4 xã và 1 thị trấn, trong đó đê biển và tuyến kè xung yếu nhất thuộc thị trấn Cát Hải bao gồm Hòa Quang – Gia Lộc, Văn Chấn – Hoàng Châu. Tuyến đê Cát Hải có tổng chiều dài 20,6km, trong đó có 7,2km kè với 6,4km kè xung yếu nhất. Trong những năm gần đây, Cát Hải được nâng cấp cải tạo một bước cơ sở hạ tầng, hiện có một bến tàu khách mới (khu vực bến Gót), hai bến phà ở khu vực Ninh Tiếp và Bến Gót phục vụ đi lại trên tuyến đường xuyên đảo Hải Phòng – Cát Bà. Đảo Cát Hải có đường lưới điện năng lượng và điện thông tin, toàn đảo đã có điện thắp sáng. Bờ biển Cát Hải nằm trong vùng cửa sông hình phễu Bạch Đằng, cửa sông hình phễu thường có cấu trúc luồng lạch thuận lợi cho phát triển cảng, rừng ngập mặn, không thuận lợi cho khai hoang nông nghiệp. Vùng cửa sông Bạch Đằng là nơi hiện đang phát triển mạnh về cảng và nuôi trồng thủy sản. Việc nạo vét luồng tàu vào cảng Hải Phòng hàng năm làm thay đổi cơ bản về cấu trúc mạng lưới thủy văn và cơ chế thủy thạch động lực vùng cửa sông Bạch Đằng, gây ra những biến dạng đường bờ biển Cát Hải. 2.2. Đặc điểm khí hậu Cát Hải là đảo ven bờ nên về cơ bản chế độ khí hậu giống Hải Phòng, nhưng do ảnh hưởng của điều kiện địa hình và các đảo chắn gây nên sự khác biệt nhỏ so với Hải Phòng. Mặt khác, đảo nằm trong miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, mùa đông (tháng 11 đến tháng 3) lạnh, ít mưa; mùa hè (tháng 5 đến tháng 2) nóng ẩm, mưa nhiều. Tháng 4 và tháng 10 khí hậu mang tính chuyển tiếp mùa [27]. 13 2.2.1. Nhiệt độ Thời tiết của khu vực có hai mùa rõ rệt là mùa đông và mùa hè. Khí hậu tương đối ôn hoà, nhiệt độ trung bình năm là 25 – 28 0C, dao động theo mùa. Mùa đông có gió mùa Đông Bắc mang khí hậu lạnh đến miền Bắc của Việt Nam, nhiệt độ giảm xuống khá thấp trung bình 150 – 200C và có thể xuống dưới 100C. Mùa hè thời tiết nóng, nhiệt độ cao có thể trên 300C. 2.2.2. Độ ẩm và bốc hơi Độ ẩm trung bình hàng năm từ 80% đến 85%, cao nhất là 100% vào những tháng 7, tháng 8, tháng 2, thấp nhất là vào tháng 12 và tháng 1. Lượng bốc hơi trung bình hàng năm là 703,1mm chiếm khoảng 40- 45% lượng mưa hàng năm. Vào mùa khô, từ tháng 2 đến tháng 4, lượng bốc hơi chỉ chiếm 15% lượng mưa hàng năm. Lượng bốc hơi cao nhất là 33% vào tháng 2 đến tháng 1 năm sau. 2.2.3. Lượng mưa Theo tài liệu thống kê, lượng mưa trung bình hàng năm của khu vực thay đổi từ 1100 đến 1850mm. Lượng mưa tập trung vào các tháng 5,6,7,8 và chiếm 77% tổng lượng mưa cả năm. Tháng 8 có lượng mưa cao nhất là 321mm, các tháng 12, 1 và 2 là các tháng ít mưa nhất, bình quân lượng mưa là khoảng 25mm/ tháng. Bảng 2.1 : Các yếu tố khí tượng trung bình hàng tháng trong nhiều năm khu vực thành phố Hải Phòng (Nguồn: Số liệu khí hậu trạm Phù Liễn 1995- 2006, Viện khí tượng thuỷ văn) Tháng 1 30. 4 2 31, 3 6 5,2 Trung bình 14, 1 84 16, 7 88 Trung bình 64 63 Max 68 Min 0,1 Tmax Nhiệt độ (0C) Tmin Ttb Độ ẩm % Bốc hơi (mm) Lượng mưa (mm) 37, 3 1,4 3 21 22, 8 20 5 38, 7 16, 8 26, 4 87 63 62 62 62 62 53,6 184 284 267 3,5 28, 1 64, 2 26,6 35 6,1 12,2 4 35, 5 12 6 86 7 37, 3 21, 8 28, 4 86 8 36, 5 21, 8 27, 2 88 37,5 20,2 28,2 9 85 10 33, 7 15, 3 24, 6 81 65 65 64 52 52 224 362 182 343 172 35,2 78, 3 78, 3 34,4 31, 4 1,2 0,6 35,1 15,6 26,8 11 12 33,1 28,6 2,3 4,2 21,3 18,6 77 77 14 Trung bình 32. 5 32. 7 53.6 22. 4 187 244 214 321 132 154 42 15.7 2.2.4. Gió Khu vực nghiên cứu là vùng chịu ảnh hưởng của miền khí hậu nhiệt đới gió mùa: Mùa hè nóng ẩm và mùa đông lạnh khô. Vào mùa đông gió mùa ĐB có hướng nằm trong cung B đến Đ ngự trị trên toàn khu vực, tuy nhiên ít có ảnh hưởng đến chế độ sóng tại vùng vịnh Hải Phòng (do được đảo Cát Bà và Cát Hải che chắn) Bảng 2.2. Tần suất xuất hiện gió nhiều năm trạm Hòn Dấu trong mùa đông (%) Vào mùa hè khu vực cũng chịu ảnh hưởng của gió mùa TN, nhưng khi vào đến khu vực vịnh Hải Phòng, gió đổi hướng trong cung Đ đến TN, đặc biệt thịnh hành trong cung ĐN đến N (trong đó có cả gió bão). Bảng 2.3. Tần suất xuất hiện gió nhiều năm trạm Hòn Dấu trong mùa hè (%) Thống kê các đặc trưng về tốc độ gió thực đo tại khu vực và vùng lân cận (Bảng 2.4), các giá trị cực đại năm thường xuất hiện trong các tháng có bão. Thường các giá trị cực đại chỉ đo được 1 lần trong năm (theo thống kê gió trong 40 15 năm qua), tuy nhiên nó chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. Tốc độ gió để tính sóng thường phải là ổn định, duy trì trong khoảng >2h và được xác định theo cấp bão có tính đến cấu trúc bất đối xứng của trường gió trong xoáy bão và tốc độ di chuyển của tâm bão. Vì bão di chuyển trong khu vực nghiên cứu thường từ Đ sang T, nên trong bão, gió các hướng nằm trong cung từ Đ đến NĐN đến N. Căn cứ vào điều đó và tính chất vật lý của xoáy bão, xác định được gió cực trị phát sinh sóng trong bão cấp 12 ứng với 5 hướng cần tính toán là các hướng: ĐĐB, Đ, ĐĐN, ĐN, N. Bảng 2.4: Đặc trưng tốc độ gió khu vực nghiên cứu Tháng Trạm I II III Hòn Dấu Phù Liễn 4, 8 3, 3 4, 6 3, 3 4, 4 3, 4 24 20 34 28 40 40 40 45 12 24 27 31 28 33 51 44 Hòn Dấu Phù Liễn VI VII IX I I Tốc độ gió trung bình, m/s 4, 5, 5, 6,0 4,5 4,4 6 4 6 3, 4, 3, 3,7 3,5 3,4 8 0 6 Tốc độ gió cực đại, m/s IV V VI XI I Nă m 4,6 4,2 3,5 3,6 34 24 45 24 20 51 X XI 4, 2 3, 7 4, 6 3, 7 45 34 >5 0 25 16 Hình 2.2. Hoa gió tổng hợp trạm Hòn Dấu (1984 -2013) Bảng 2.5. Tần suất xuất hiện gió nhiều năm tại trạm Hòn Dấu (%) Hướng B ĐB Đ Đ-N N T-N T TB Nhận xét: Lặng 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 0,1 – 3,2 Tần suất, % 4 – 8,2 2 – 14,2 >15 (m/s) 10,66 5,86 12,08 7,70 3,25 1,34 1,26 4,84 (m/s) 4,81 3,28 17,03 7,24 6,25 1,22 0,160 0,86 (m/s) 0,37 0,32 1,52 0,52 1,80 0,23 0,03 0,08 (m/s) 0,028 0,043 0,054 0,012 0,031 0,007 0,007 0,012 - Trong năm, gió thịnh hành là gió thổi từ cung B đến N, trong đó gió hướng Đ có tần suất chiếm 31%, hướng B 15%, ĐN 15%, N 12% và gió hướng ĐB 10%. - Gió mùa ĐB xuất hiện từ tháng IX đến tháng IV năm sau. Tần suất gió hướng Đ là lớn nhất, đạt 33% (tháng XI) đến 54% (tháng II). Tốc độ gió trung bình đạt từ 4,4 m/s (tháng III) đến 4,6 m/s (tháng XI). Tốc độ gió lớn nhất trong thời gian 17 gió mùa ĐB quan trắc được là gần 18 m/s ở hướng B (tháng 2/1287). Tốc độ gió lớn nhất nhiều năm trong các tháng này là 34 m/s (trong gió bão). - Mùa gió TN thường xuất hiện từ tháng VI đến tháng VIII. Tần suất gió hướng N thịnh hành hơn hướng ĐN và dao động từ 21% (tháng VIII) đến 37% (tháng VII). Tốc độ gió trung bình cao hơn các tháng khác trong năm, đạt 4,5 m/s (tháng VIII) đến 6 m/s (tháng VII). - Tần suất gió hướng N và ĐN trong năm không lớn, nhưng do ảnh hưởng của gió bão, tốc độ gió theo các hướng này đã quan trắc được thường rất lớn. Theo số liệu 1284 đến 1223, cấp tốc độ gió >15m/s quan trắc được chiếm 25%. Trong đó tốc độ gió lớn nhất đã quan trắc được là 58m/s N vào tháng VI/1282. Theo số liệu thống kê của Tổng cục Khí tượng Thuỷ văn trong vòng 110 năm có khoảng 231 cơn bão đổ bộ hoặc tiếp cận vào bờ biển của khu vực này , mật độ bão đổ bộ vào khu vực nghiên cứu trung bình 2,1 cơn bão/ năm. Mùa bão ở đây thường bắt đầu vào tháng VI và kết thúc vào tháng XI. Tháng xuất hiện nhiều bão nhất thường rơi vào tháng VII (có 10 cơn bão, chiếm 33,3%) sau đó đến tháng VIII (7 cơn bão, chiếm 23,3%). Tháng XI chỉ có 1 cơn bão, chiếm 3,4%. Tốc độ gió cực đại đạt 58m/s (quan trắc được nhiều lần tại trạm Hòn Dấu). Đặc biệt năm 2005, bão số 7 (bão Damrey) đã đổ bộ vào vùng dự án với cấp dộ gió đạt trên cấp 12, gây ra sóng rất lớn trên khu vực. Cơn bão này là cơn bão lớn có tần suất hiếm (khoảng từ 5-7%) tác động lên khu vực. Đây là cơn bão lớn xảy ra trong thời gian gần đây, do đó sẽ được đưa vào để tính toán ổn định công trình cho các dự án. 2.2.5. Sương mù và tầm nhìn Sương mù trong năm thường tập trung vào các tháng mùa đông, bình quân năm có 21,2 ngày có sương mù, tháng 3 là tháng có nhiều sương mù nhất, trung bình trong tháng có 6,5 ngày có sương mù; các tháng mùa hạ hầu như không có sương mù. Do ảnh hưởng của sương mù nên tầm nhìn bị hạn chế, số ngày có tầm nhìn dưới 1km thường xuất hiện vào mùa đông, còn các tháng mùa hạ hầu như các ngày 18 trong tháng có tầm nhìn >10km. 2.3. Đặc điểm thủy văn và hải văn 2.3.1. Đặc điểm thủy văn vùng ven biển cửa sông Hải Phòng Dòng chảy sông có ảnh hưởng đặc biệt lớn đến dòng chảy chung ở vùng cửa sông vào mùa hè, mùa mà thường xảy ra các trận lũ lớn do mưa kéo dài ở thượng nguồn các con sông. Diễn biến dòng chảy lũ ở khu vực nghiên cứu khá phức tạp do tổ hợp lũ của 3 lưu vực sông ở thượng du (sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam) với lũ sông Hồng chuyển qua sông Đuống và sông Luộc. Khi hoà nhập vào khối nước biển, dưới sự tương tác giữa dòng triều và dòng lũ, nước bị dồn ép mạnh ở pha triều lên và dòng chảy tổng hợp có tốc độ lớn, khi triều rút đã làm cho lòng dẫn ở ngưỡng cửa sông bị xói sâu trơ lớp sét dưới đáy, phá vỡ các bar và đảo chắn vùng cửa sông, tạo ra những luồng lạch mới và bồi lấp những luồng lạch cũ. Ở khu vực ven biển Hải Phòng, dòng chảy lũ trong sông có tốc độ lớn thường rơi vào tháng VIII. Đây là thời kỳ hoạt động mạnh mẽ và liên tiếp của các loại hình thời tiết như bão, áp thấp nhiệt đới... gây mưa to trên diện rộng, nước tập trung vào các con sông rồi dồn ra biển với lưu lượng lớn. Tốc độ cực đại ở những đoạn sông hẹp và cong ở vùng đồng bằng có thể đạt tới 2,0 - 2,5 m/s và vùng cửa sông đạt 1,0 - 1,5 m/s [7], [8], [2] . Trong các đợt khảo sát vào mùa lũ năm 1223 1225 và 2007 - 2002 chúng tôi ghi nhận được tốc độ dòng chảy lũ ở cửa Nam Triệu và Lạch Huyện khoảng 1,0 - 1,2 m/s. Dòng chảy lũ hàng năm đã cung cấp cho vùng cửa sông Hải Phòng hàng triệu tấn phù sa do quá trình bào mòn lưu vực và xâm thực lòng dẫn, độ đục lớn nhất có thể lên tới 2500 - 3000 mg/l [7], [22]. Từ tháng XI đến tháng IV năm sau, là thời kỳ ít mưa trên lưu vực các con sông trong khu vực nghiên cứu, dòng chảy sông ngòi giảm thấp. Trong mùa này, nước trong sông được cung cấp chủ yếu do nước ngầm. Ở những tháng nước sông ngòi kiệt nhất, tốc độ dòng chảy sông thường nhỏ hơn 30 cm/s. Tuy nhiên ở các tháng đầu và cuối mùa kiệt dòng chảy trong sông tăng lên đáng kể do lũ muộn hoặc lũ sớm cuối mùa mưa. Các kết quả đo đạc dòng chảy trong mùa cạn ở cửa Nam Triệu, Lạch Huyện cho thấy tốc độ dòng chảy sông ngòi 19 ở đây dao động trong khoảng 15 - 20 cm/s và lớn nhất là 30 cm/s. Độ đục của các sông khu vực nghiên cứu trong mùa kiệt là khá nhỏ, trung bình đạt từ 30 - 50 mg/l. 2.3.2. Đặc điểm hải văn 2.3.2.1. Mực nước và thủy triều Theo tài liệu quan trắc ở trạm Hòn Dấu cho thấy, thuỷ triều ở khu vực này là nhật triều thuần nhất, hầu hết số ngày trong tháng là nhật triều (24 - 25 ngày). Biên độ dao động mực nước từ 3 - 4m vào kỳ triều cường và khoảng 1,5m vào kỳ triều kém. Đặc biệt, vào kỳ triều cường, mực nước lên xuống khá nhanh. Dựa vào mực nước cao nhất năm từ 1256 đến 2004 đã tính và vẽ tần suất lý luận mực nước cao nhất cho kết quả mực nước tương ứng với các tần suất: Bảng 2.6. Mực nước ứng với các tần suất lý luận tại Hòn Dấu P (%) H 1 44 3 42 5 41 10 40 20 32 50 37 70 36 20 35 25 35 27 34 22 34 (cm) 3 6 7 5 2 3 4 4 0 2 6 Dựa vào mực nước giờ, đỉnh triều, chân triều, trung bình tính tần suất lũy tích cho kết quả mực nước ứng với các tần suất: Bảng 2.7. Mực nước ứng với các tần suất lũy tích tại Hòn Dấu P (%) H đỉnh H chân H giờ H t.bình Ghi chú: 1 38 3 37 5 36 10 35 20 33 50 30 70 27 20 23 25 22 27 21 3 12 7 18 2 17 2 15 8 13 5 7 5 5 1 6 35 0 33 4 32 6 30 4 27 21 72 47 40 31 22 12 14 5 23 8 22 5 22 5 21 5 21 5 12 2 18 20 71 64 43 18 17 17 0 5 5 7 0 5 2 2 4 1 Theo thống kê từ năm 1256 -2004, theo tần suất lý luận nhận được: 22 204 167 20 - Mực nước biển trung bình nhiều năm: 2m - Mực nước biển cao nhất: 4,4 m (22/10/1285) - Mực nước biển thấp nhất: 0,07m (21/12/1264) - Biên độ triều lớn nhất: 3,24 m (23/12/1268) - Mực nước thực đo cao nhất lịch sử tại trạm Hòn Dấu là 4,35m Vùng biển nằm ngoài cửa sông, ít chịu ảnh hưởng của nước thượng lưu, yếu tố biển đóng vai trò chủ yếu. Từ đường cong tần suất luỹ tích, cho thấy: H1% = 4,4m; H5% = 4,2m; H10% = 3,6m; H50% = 2m và H22% = 0,4m. 500 400 M ù c n í c (c m ) 300 200 100 0 -100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 TÇn suÊt (%) §Ønh TriÒu Mùc n íc giê M/N trung b×nh ngµy Ch©n triÒu Hình 2.3. Biểu đồ tần suất luỹ tích mực nước trạm Hòn Dấu 2.3.2.2. Sóng Tài liệu quan trắc sóng tại trạm Hòn Dấu trình bảy ở bảng 2.8. Bảng 2.8. Độ cao và chu kỳ sóng lớn nhất (1950 – 2004) tại trạm Hòn Dấu Đặc trưng I Độ cao(m) II III IV V Tháng VI VII VIII IX Năm X XI XII 2,8 2,2 2,3 2,8 3,5 4,0 5,6 4,0 5,6 2,4 2,1 2,1 Hướng N Ngày, 28 NĐ N 20 Đ 12 ĐB ĐN ĐN 2 4 12 N Đ Đ Đ 3 3 20 13 N ĐĐ N 5,6 N, Đ