Tài liệu Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển việt nam

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI * * * ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ NĂM 2007 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP THỤ SÓNG CỦA RỪNG NGẬP MẶN TRONG VIỆC BẢO VỆ ĐÊ BIỂN VIỆT NAM BÁO CÁO TÓM TẮT Cơ quan chủ trì Trường Đại học Thuỷ lợi Hiệu trưởng Chủ nhiệm đề tài TS. Hồ Việt Hùng Hà Nội, tháng 2 năm 2008. Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM ĐÊ BIỂN VIỆT NAM VÀ VAI TRÒ CỦA RỪNG NGẬP MẶN TRONG VIỆC BẢO VỆ ĐÊ BIỂN ................................................................................................ 4 1.1. Đặc điểm đê biển Việt nam............................................................................................. 4 1.2. Đặc điểm gió, bão và sóng trên vùng biển Việt nam ...................................................... 5 1.2.1. 1.2.2. 1.3. Phân bố địa lý của các quần xã cây ngập mặn vùng ven biển Việt Nam ....................... 6 1.3.1. 1.3.2. 1.3.3. 1.3.4. 1.4. Bão và áp thấp nhiệt đới .....................................................................................5 Mực nước biển và sóng trên vùng biển Việt Nam ..............................................5 Khu vực 1: Ven biển Đông bắc ..........................................................................6 Khu vực 2: Ven biển đồng bằng Bắc Bộ ............................................................6 Khu vực 3: Ven biển Trung bộ, từ mũi Lạch Trường đến mũi Vũng Tàu .........7 Khu vực 4: Ven biển Nam Bộ.............................................................................7 Vai trò của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ vùng ven biển ......................................... 7 1.4.1. 1.4.2. 1.4.3. 1.4.4. Tác dụng của RNM trong việc giảm nhẹ thiên tai ở một số nước ......................7 Tác dụng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam ....................8 Vai trò của RNM trong việc bảo vệ đất bồi, chống xói lở, hạn chế xâm nhập mặn 9 Vai trò của rừng ngập mặn đối với khí hậu và tài nguyên thiên nhiên ...............9 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO MÁI ĐÊ, KÈ KHI CHƯA CÓ CÂY CHẮN SÓNG ................................................................................................... 10 2.1. Các phương pháp nghiên cứu sóng biển ....................................................................... 10 2.2. Phương pháp xác định các đặc trưng của sóng ............................................................. 10 2.3. Tác động của sóng tới đê biển khi không có rừng ngập mặn ....................................... 11 2.3.1. 2.3.2. 2.4. Thí nghiệm mô hình mái đê khi không có cây chắn sóng ............................................ 12 2.4.1. 2.4.2. 2.4.3. 2.4.4. 2.5. 2.6. Bão lũ và các tác động tới đê biển Việt Nam ...................................................11 Tình hình xói lở bờ biển ở một số vùng khi không có RNM............................11 Tiêu chuẩn tương tự và mô hình vật lý .............................................................12 Cơ sở vật chất kỹ thuật cho nghiên cứu ............................................................12 Thiết kế thí nghiệm ...........................................................................................12 Các trường hợp thí nghiệm ...............................................................................13 Kết quả thí nghiệm khi không có cây chắn sóng .......................................................... 14 Phân tích kết quả thí nghiệm......................................................................................... 15 2.6.1. 2.6.2. 2.6.3. 2.6.4. Ảnh hưởng của chiều dài bãi tới chiều cao sóng ..............................................15 Ảnh hưởng của độ sâu nước tới chiều cao sóng ...............................................15 Ảnh hưởng của chiều cao sóng tới sự tiêu tán năng lượng ...............................16 Hệ số suy giảm sóng .........................................................................................17 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM SÓNG CỦA RỪNG NGẬP MẶN QUA THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH ............................................................................................................ 18 3.1. Một số kết quả nghiên cứu hệ số giảm sóng ................................................................. 18 NCKH cấp cơ sở 2007 - 2- Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam "Surface waves propagation in mangrove forests" của tác giả Massel và các cộng 18 3.1.2. "Wave transmission in mangrove forests" của các tác giả Schiereck & Booij.19 3.1.3. "Vai trò chắn sóng và bảo vệ bờ biển của rừng ngập mặn đồng bằng Bắc Bộ Việt Nam" – Yoshihiro Mazda, Phan Nguyên Hồng và cộng sự. ....................................................20 3.1.4. "Sự giảm sóng trong rừng ngập mặn có loài bần ưu thế" - Yoshihiro Mazda và cộng sự. 20 3.1.5. "Vai trò của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển và giảm nhẹ thiên tai" – Phan Nguyên Hồng và cộng sự. ................................................................................................21 3.1.6. "Bước đầu nghiên cứu khả năng chắn sóng, bảo vệ bờ biển trong bão qua một số kiểu cấu trúc RNM trồng ven biển Hải Phòng" - Vũ Đoàn Thái. .............................................21 sự. 3.1.1. 3.2. Thí nghiệm mô hình đê biển khi có cây chắn sóng ...................................................... 22 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 3.3. Thiết kế thí nghiệm ...........................................................................................22 Lựa chọn loại cây làm thí nghiệm.....................................................................22 Các trường hợp thí nghiệm ...............................................................................24 Kết quả thí nghiệm ............................................................................................24 Phân tích kết quả thí nghiệm......................................................................................... 25 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 3.3.4. Ảnh hưởng của rừng ngập mặn tới sự suy giảm chiều cao sóng ......................25 Hệ số suy giảm sóng .........................................................................................26 Ảnh hưởng của chiều dài bãi tới chiều cao sóng ..............................................28 Ảnh hưởng của mực nước tới chiều cao sóng ..................................................28 CHƯƠNG 4: MỘT SỐ GIẢI PHÁP BẢO VỆ ĐÊ BIỂN BẰNG CÂY CHẮN SÓNG VÀ SỬ DỤNG BỀN VỮNG HỆ SINH THÁI RỪNG NGẬP MẶN ....................................................... 29 4.1. Những nguyên nhân làm suy thoái rừng ngập mặn ...................................................... 29 4.2. Một số kiến nghị trong việc sử dụng rừng ngập mặn bảo vệ đê biển ........................... 29 4.2.1. 4.2.2. 4.3. 4.4. Trồng rừng ngập mặn phòng hộ xung yếu bảo vệ đê biển ...............................29 Khôi phục rừng ngập mặn trong các đầm nuôi tôm bị thoái hoá......................30 Các giải pháp nhằm bảo vệ và phục hồi hệ sinh thái rừng ngập mặn Việt Nam .......... 30 Kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo ....................................................... 31 4.4.1. 4.4.2. Kết luận .............................................................................................................31 kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo ..............................................................31 TÀI LIỆU THAM KHẢO NCKH cấp cơ sở 2007 - 3- Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM ĐÊ BIỂN VIỆT NAM VÀ VAI TRÒ CỦA RỪNG NGẬP MẶN TRONG VIỆC BẢO VỆ ĐÊ BIỂN 1.1. Đặc điểm đê biển Việt nam Đê biển nước ta không liền tuyến do bị chia cắt bằng nhiều cửa sông lớn nhỏ, các tuyến đê biển thường nối tiếp với các tuyến đê cửa sông, tổng chiều dài đê cửa sông cũng gần bằng với chiều dài đê biển. Các tuyến đê biển có nhiệm vụ ngăn mặn, giữ ngọt, bảo vệ tính mạng và tài sản của dân cư ven biển, bảo vệ sản xuất nông nghiệp và một số khu nuôi trồng thuỷ sản hoặc vùng sản xuất muối. Do tính chất và biên độ thuỷ triều, mức độ ảnh hưởng của bão hàng năm và hình thái địa hình của từng vùng khác nhau mà sự ra đời cũng như yêu cầu về quy mô, kích thước của đê biển cũng khác nhau. Ở nước ta, phần lớn đê biển được đắp bằng đất, mái được bảo vệ bằng cỏ. Những đoạn đê biển chịu tác dụng trực tiếp của sóng được lát mái bằng đá hoặc bê tông. Ở các tuyến đê vùng cửa sông nhân dân trồng các loại cây sú vẹt chắn sóng bảo vệ đê. Vùng ven biển từ Quảng Ninh đến Ninh Bình là nơi có địa hình thấp trũng, đây là vùng biển có biên độ thuỷ triều cao (khoảng 4m) và nước dâng do bão cũng rất lớn. Để bảo vệ sản xuất và sinh hoạt của nhân dân, các tuyến đê biển, đê cửa sông ở khu vực này đã được hình thành từ rất sớm và cơ bản được khép kín. Tổng chiều dài các tuyến đê biển trên 430km. Các tuyến đê biển khu vực này nhìn chung đảm bảo chống được mức nước triều cao tần suất 5% có gió bão cấp 9. Mặt khác, do tác động thường xuyên của mưa, bão, sóng lớn nên đến nay hệ thống đê biển từ Quảng Ninh đến Ninh Bình vẫn còn nhiều tồn tại. Vùng ven biển Bắc Trung Bộ là vùng đồng bằng nhỏ hẹp của hệ thống sông Mã, sông Cả, cũng là một trong những vùng trọng tâm về phát triển kinh tế, địa hình ven biển thấp trũng và cao dần về phía Tây. Đây là vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai (đặc biệt là bão, áp thấp nhiệt đới), biên độ thuỷ triều nhỏ hơn vùng biển Bắc Bộ, vùng ven biển đã xuất hiện các cồn cát có thể tận dụng được như đoạn đê ngăn mặn tự nhiên. Mặc dù đã được đầu tư khôi phục, nâng cấp nhưng tuyến đê biển nhìn chung là thấp, nhỏ. Vùng ven biển Trung Trung Bộ là vùng có diện tích nhỏ hẹp, phần lớn các tuyến đê biển đều ngắn, bị chia cắt bởi các sông, rạch, địa hình đồi cát ven biển. Một số tuyến bao diện tích canh tác nhỏ hẹp dọc theo đầm phá. Đây là vùng có biên độ thuỷ triều thấp nhất, thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai. Khác với vùng cửa sông đồng bằng Bắc Bộ chủ yếu là bồi, các cửa sông miền Trung có thể thay đổi tuỳ theo tính chất của từng con lũ, do vậy tuyến đê được đắp theo một tuyến, không có tuyến quai đê lấn biển hoặc tuyến đê dự phòng. Phần lớn các tuyến đê được đắp bằng đất thịt nhẹ pha cát. Một số tuyến nằm sâu so với cửa sông và đầm phá, đất thân đê là đất sét pha cát. Một số đoạn đê được bảo vệ 3 mặt hoặc 2 mặt bằng tấm bê tông để cho lũ tràn qua. Ngoài các đoạn đê trực tiếp chịu tác động của sóng, gió được xây dựng kè bảo vệ, hầu hết mái đê được bảo vệ bằng cỏ. Đê vùng cửa sông được bảo vệ bằng cây chắn sóng với các loại cây sú, vẹt, đước. Đê biển Nam Trung Bộ ổn định trong điều kiện khí tượng hải văn bình thường. Với mực nước triều trung bình đến cao khi có gió dưới cấp 7 và không có mưa lũ nội đồng. Tuy nhiên, với mức triều trung bình đến cao gặp gió bão trên cấp 9, đê biển sẽ hư hỏng, các dạng thường gặp là: Sạt mái đê phía biển dọc theo tuyến đê, đặc biệt là các NCKH cấp cơ sở 2007 - 4- Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam đoạn trực tiếp chịu tác động của sóng gió; Sạt mái đê phía biển và cả phía đồng trong trường hợp sóng leo đổ vào mái đê ở mức cao. Với mức triều trung bình đến thấp trong bão với mưa lũ lớn, các dạng hư hỏng phổ biến của đê biển là: Sạt mái đê phía biển do nước lũ tràn qua đỉnh đê vì tràn và cống không đủ khẩu diện tiêu thoát nước lũ; Vỡ nhiều đoạn hoặc đứt cả tuyến do nước lũ tràn qua đê từ phía đồng ra biển. Đê biển từ Bà Rịa - Vũng Tàu đến Kiên Giang có sự khác nhau về cao trình đỉnh đê giữa các tuyến. Có tuyến chỉ trên +1,0, nhưng có tuyến +4,0 đến +5,0; có tuyến mặt đê chỉ rộng 1,5 - 2m, những cũng có tuyến rộng 8 - 10m. Về tổng quan thì cao độ đê phía biển Đông cao hơn đê phía biển Tây. Đê biển Nam Bộ từ 1976 đến nay có những ưu điểm như: Kỹ thuật đắp có chắc chắn hơn, Có kè đá thậm chí có kè bê tông phía biển để bảo vệ, Có cống ngăn mặn, giữ ngọt dưới chân đê. 1.2. Đặc điểm gió, bão và sóng trên vùng biển Việt nam 1.2.1. Bão và áp thấp nhiệt đới Theo số liệu thống kê của Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Biển, trong 40 năm (1956 - 1995) có 262 cơn bão và ATNĐ đổ bộ vào Việt Nam, trung bình có 6,55cơn/năm. Mùa bão ở nước ta thông thường từ tháng VI đến tháng XI, trong đó tập trung nhiều nhất vào các tháng VIII, IX, X, XI (chiếm 76%). Trong các tháng này trung bình mỗi tháng đều có trên dưới 1 cơn. Các tháng khác có thể có bão nhưng rất hiếm. Dọc theo ven bờ biển nước ta, càng đi về phía nam bão càng xuất hiện muộn dần. Khu vực từ Quảng Ninh đến Thanh Hoá mùa bão thông thường từ tháng VI đến tháng IX, tháng VIII là tháng có nhiều bão nhất. Khu vực từ Nghệ An đến Thừa Thiên - Huế bão và ATNĐ phần lớn xuất hiện vào các tháng VIII, IX, X. Trong khi đó ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng đến Quảng Ngãi là các tháng IX, X, ở khu vực Bình Định đến Khánh Hoà là các tháng X, XI. Còn ở khu vực Bình Thuận, Ninh Thuận phần lớn là các tháng XI, XII, có thể nói đây là khu vực có bão muộn nhất và tần suất hoạt động của bão lớn nhất trong cả nước (tháng XII). Riêng khu vực từ Bà Rịa – Vũng Tàu vào đến Nam Bộ là nơi ít chịu ảnh hưởng của bão và ATNĐ nhất so với các khu vực khác. Ở đây bão chỉ diễn ra chủ yếu trong hai tháng X và XI. Tuy nhiên thiệt hại do bão gây ra lại rất lớn. 1.2.2. Mực nước biển và sóng trên vùng biển Việt Nam Với tần suất bão lớn, hầu như năm nào Việt Nam cũng phải hứng chịu nước dâng do bão. Nước dâng lớn thường xảy ra tại các vùng miền Trung: Ở dải ven bờ Nghệ An đã đo được nước dâng bão trên 3,2m; dải ven bờ từ Thừa Thiên Huế trở vào Nam Trung Bộ, nước dâng đo được thay đổi trong khoảng từ 2,5 – 3m; dải ven biển Nam Bộ có những đặc thù riêng về đường bờ, hệ thống kênh rạch và rừng ngập mặn, nước dâng cũng đã đo được từ 1m tới 2,5m. Khác với nước dâng bão, sóng bão xảy ra trên quy mô rộng và tác động mạnh kéo dài trong suốt cả quá trình bão hình thành và phát triển, quá trình sóng liên tục phát triển và tác động trực tiếp trên bề mặt biển, độ cao sóng lớn nhất có thể quan trắc được ở nhiều vị trí hoạt động khác nhau của bão chứ không chỉ riêng vùng sóng đổ. Đối với các vùng ven bờ do tác động liên tục của nhiều đợt sóng kéo dài, đặc biệt trong điều kiện có bão các đợt sóng này lại càng được gia tăng về cường độ, dẫn đến tình trạng xói lở đường bờ. Với các vùng nước nông, độ cao sóng khi sóng đổ chỉ vào khoảng 3 – 5m. NCKH cấp cơ sở 2007 - 5- Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam Ngoài ra, cần đặc biệt chú ý tới sóng thần, hiện tượng này là tập hợp của một loạt các sóng dài lớn được sinh ra bởi các hoạt động địa chấn, động đất, trượt lệch các khối lục địa và hoạt động núi lửa. Về bản chất đó là loại sóng trọng trường trong hệ sóng dài. 1.3. Phân bố địa lý của các quần xã cây ngập mặn vùng ven biển Việt Nam Dựa vào các yếu tố địa lý, khảo sát thực địa và một phần kết quả ảnh viễn thám, rừng ngập mặn Việt nam có thể chia ra làm 4 khu vực và 12 tiểu khu (theo Phan Nguyên Hồng, 1999) như sau: Khu vực 1: Ven biển Đông bắc, từ mũi Ngọc đến mũi Đồ sơn Khu vực 2: Ven biển đồng bằng Bắc bộ, từ mũi Đồ sơn đến mũi Lạch trường Khu vực 3: Ven biển Trung bộ, từ mũi Lạch trường đến mũi Vũng tàu Khu vực 4: Ven biển Nam bộ, từ mũi Vũng tàu đến mũi Nải – Hà tiên 1.3.1. Khu vực 1: Ven biển Đông bắc Khu vực 1 có hệ thực vật ngập mặn tương đối phong phú, gồm những loài chịu mặn cao, không có các loài ưa nước lợ điển hình, trừ các bãi lầy nằm sâu trong nội địa như Yên lập và một phần phía nam sông Bạch đằng do chịu ảnh hưởng mạnh của dòng chảy. Đáng chú ý là, những loài phổ biến ở đây như Đâng, Vẹt dù, Trang lại rất ít gặp ở rừng ngập mặn Nam bộ. Có những loài chỉ phân bố ở khu vực này như Chọ, Hếp Hải nam. Ngược lại, nhiều loài phát triển mạnh ở Nam bộ cả về kích thước và phân bố lại không có mặt ở khu vực 1. Khu vực này được chia làm ba tiểu khu như sau: 1. Tiểu khu 1: từ Móng cái đến Cửa Ông 2. Tiểu khu 2: từ Cửa Ông đến Cửa Lục (dài khoảng 40km) 3. Tiểu khu 3: từ Cửa lục đến mũi Đồ Sơn (dài khoảng 55 km) 1.3.2. Khu vực 2: Ven biển đồng bằng Bắc Bộ Khu vực này thuộc tam giác châu hiện đại, nằm trong phạm vi bồi tụ chính của sông Hồng và sông Thái Bình và các phụ lưu. Hình dạng và xu thế phát triển của khu vực 2 không đồng nhất do xuất hiện cả quá trình bồi tụ và xói lở. Tác động lớn nhất là chế độ gió. Do nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp của bão, không có các đảo che chắn ngoài, cho nên bão và gió mùa đông bắc đã gây ra sóng lớn, làm cho nước biển dâng, trừ phần biển phía bắc được mũi Đồ Sơn che chắn một phần nên cây ngập mặn có thể tái sinh, còn phía nam trong điều kiện tự nhiên không có RNM. Quần xã cây ngập mặn gồm những loài ưa nước lợ, trong đó loài ưu thế nhất là bần chua phân bố ở vùng cửa sông (Kiến Thụy, Tiên Lãng), cây cao 5 - 10m. Dưới tán của bần là sú và ô rô, tạo thành tầng cây bụi; một số nơi có xen lẫn hai loài sau hoặc phát triển thành từng đám. Để bảo vệ đê, nhân dân ven biển huyện Thái Thụy, Tiền Hải (Thái Bình) và huyện Giao Thủy (Nam Định) đã trồng được những dải rừng Trang gần như thuần loại ở phía ngoài đê. Khu vực này chia làm 2 tiểu khu. 1. Tiểu khu 1: Từ mũi Đồ Sơn đến cửa sông Văn Úc. NCKH cấp cơ sở 2007 - 6- Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam 2. Tiểu khu 2: Từ cửa sông Văn Úc đến cửa Lạch Trường, nằm trong khu vực bồi tụ của hệ sông Hồng. 1.3.3. Khu vực 3: Ven biển Trung bộ, từ mũi Lạch Trường đến mũi Vũng Tàu Trừ một phần phía bắc từ Diễn Châu (Nghệ An) trở ra, còn nói chung bờ biển chạy song song với dãy Trường Sơn và là một dải đất hẹp. Do địa hình phức tạp, có chỗ núi ăn ra sát biển (Quảng Bình, Quảng Trị, từ mũi Nạy đến mũi Dinh…) có chỗ tác động của biển khá nổi bật, tạo nên các cồn cát di động cao to hoặc các vụng, phá. Do địa hình trống trải sóng lớn, bờ dốc nên nói chung không có RNM dọc bờ biển, trừ các bờ biển hẹp phía Tây các bán đảo nhỏ ở Nam Trung Bộ như bán đảo Cam Ranh, bán đảo Quy Nhơn. Chỉ ở phía trong các cửa sông, cây ngập mặn mọc tự nhiên, thường phân bố không đều, do ảnh hưởng của địa hình và tác động của cát bay. Dựa vào đặc điểm địa mạo, thủy văn, có thể chia bờ biển Trung bộ làm 3 tiểu khu: 1.Tiểu khu 1: Từ Lạch Trường đến Mũi Ròn 2. Tiểu khu 2: Từ mũi Ròn đến mũi đèo Hải Vân. 3. Tiểu khu 3: Từ mũi đèo Hải Vẫn đến mũi Vũng Tàu 1.3.4. Khu vực 4: Ven biển Nam Bộ Nói chung các điều kiện sinh thái ở khu vực 4 thuận lợi cho các thảm thực vật ngập mặn sinh trưởng và phân bố rộng. Thêm vào đó khu vực này gần các quần đảo Malaysia và Indônêsia là nơi xuất phát của CNM. Do đó mà thành phần của chúng phong phú nhất và kích thước cây lớn hơn các khu vực khác ở nước ta. Có thể chia khu vực 4 thành 4 tiểu khu: 1. Tiểu khu 1: Từ mũi Vũng Tàu đến cửa sông Soài Rạp (Ven biển Đông Nam Bộ) 2. Tiểu khu 2: Từ cửa sông Soài Rạp đến cửa sông Mỹ Thanh (ven biển đồng bằng sông Cửu Long). 3. Tiểu khu 3: Từ cửa sông Mỹ Thanh đến cửa sông Bảy Háp (tây nam bán đảo Cà Mau) 4. Tiểu khu 4: Từ cửa sông Bảy Háp (mũi Bà Quan) đến mũi Nải – Hà Tiên (bờ biển phía tây bán đảo Cà Mau). 1.4. Vai trò của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ vùng ven biển 1.4.1. Tác dụng của RNM trong việc giảm nhẹ thiên tai ở một số nước Tháng 10 năm 1999, một trận bão lớn đã đổ bộ vào bang Orissa (Ấn Độ) làm chết 10.000 người và phá huỷ 3 triệu ngôi nhà, nhưng tại đảo Nasi thuộc huyện Kendrapa nhờ có RNM bảo vệ nên sức mạnh của bão bị tiêu tan và thiệt hại là không đáng kể. Trong đợt động đất và sóng thần ngày 26/12/2004 tại đảo Pulau Sempelu của Indonesia nằm gần tâm ngoài của trận động đất, trong số 60.000 dân làng thì chỉ có 100 người bị chết. Lý do là người dân ở đây đã dự đoán được thảm hoạ sắp xảy ra và họ chạy lên những vùng đất cao; mặt khác những vùng RNM rộng lớn ở đây đã giảm nhẹ thảm NCKH cấp cơ sở 2007 - 7- Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam hoạ (Primavera 2004). Cũng nhờ có RNM còn nguyên vẹn đã làm giảm tác hại của sóng thần khi đổ bộ lên đảo Simenlou (Indonesia) nên chỉ có 4 người thiệt mạng (MAP 2005). Chính vành đai RNM và vỉa san hô đã làm giảm nhẹ các thiệt hại và bảo vệ hàng ngàn sinh mạng. Tổ chức “Friend of the Earth” cho rằng, bảo vệ những vùng đệm tự nhiên như vậy là cách giải quyết duy nhất để bảo vệ dân cư vùng ven biển chống lại sóng triều và các đe doạ khác trong tương lai (Scheer 2005). Những báo cáo sơ bộ từ các đoàn khảo sát của IUCN (2005) tại những vùng bị tác động của sóng thần vừa qua cho thấy những vùng ven biển có RNM rậm, có các vành đai cây phòng hộ như phi lao và các thảm thực vật trồng khác như dừa, cọ thì thiệt hại về người và tài sản ít hơn rất nhiều so với những nơi mà các hệ sinh thái ven biển bị suy thoái, hoặc chuyển đổi đất sang mục đích sử dụng khác như nuôi tôm, xây dựng khu du lịch. RNM có chức năng chống lại sự tàn phá của sóng thần nhờ hai phương thức vận hành khác nhau. Thứ nhất, khi năng lượng sóng thần ở mức trung bình, những cây ngập mặn vẫn có thể đứng vững, bảo vệ hệ sinh thái của chính mình và bảo vệ cộng đồng dân cư sinh sống đằng sau chúng. Có được như vậy là vì các cây ngập mặn mọc đan xen lẫn nhau, rễ cây phát triển cả trên và dưới mặt đất cộng với thân và tán lá cây cùng kết hợp để phân tán sức mạnh của sóng thần. Thứ hai, khi năng lượng sóng thần đủ lớn để có thể cuốn trôi những cánh RNM thì chúng vẫn có thể hấp thụ nguồn năng lượng khổng lồ của sóng thần bằng cách hy sinh chính mình để bảo vệ cuộc sống con người. Rễ cây ngập mặn có khả năng phát triển mạnh mẽ cả về mức độ rậm rạp và sự dàn trải. Khi cây ngập mặn bị đổ xuống thì rễ cây dưới mặt đất tạo ra một hệ thống dày đặc ngăn cản dòng nước. 1.4.2. Tác dụng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam Từ đầu thế kỷ XX, dân cư ở các vùng ven biển phía Bắc đã biết trồng một số loài cây ngập mặn như trang và bần chua để bảo vệ đê biển và vùng cửa sông. Mặc dù thời kỳ đó đê chưa được bê tông hoá và kè đá như bây giờ nhưng nhiều đê không bị vỡ khi có bão vừa (cấp 6 – 8). Đó là nhờ các vành đai rộng lớn RNM chắn sóng, thảm cỏ và dây leo dày đặc trên mái đê bảo vệ cho đê không bị xói lở. Ở một số địa phương thực hiện nghiêm túc chương trình trồng rừng 327 của chính phủ thì đê điều, đồng ruộng được bảo vệ tốt. Năm 2000, cơn bão số 4 (Wukong) với sức gió cấp 10 đổ bộ vào huyện Thạch Hà, tỉnh Hà Tĩnh, nhờ các dải RNM trồng ở 9 xã vùng nước lợ nên hệ thống đê sông Nghèn không bị hư hỏng. Nếu không trồng RNM thì đê Đồng Môn đã bị vỡ và thị xã Hà Tĩnh đã bị ngập sâu, thiệt hại do cơn bão này gây ra sẽ rất nặng nề. Tháng 7 năm 1996, khi cơn bão số 2 (Frankie) với sức gió 103 – 117km/s đổ bộ vào huyện Thái Thuỵ, tỉnh Thái Bình nhờ có dải RNM nên đê biển và nhiều bờ đầm không bị hư hỏng, trong lúc đó huyện Tiền Hải do phá phần lớn RNM nên các bờ đầm đều bị xói lở hoặc bị vỡ. Năm 2005, vùng ven biển huyện Thái Thuỵ - Thái Bình tuy không nằm trong tâm bão số 7 (Damrey) nhưng sóng cao ở sông Trà Lý đã làm sạt lở hơn 650m đê nơi không có RNM ở thôn Tân Bồi, xã Thái Đô trong lúc phần lớn tuyến đê có RNM ở xã này không bị xạt lở vì thảm cây dày đặc đã làm giảm đáng kể cường độ sóng. Ở Thái Thuỵ, có 10,5km đê biển được bảo vệ bởi RNM hầu như không phải sửa chữa, tu bổ hàng năm kể từ khi RNM trưởng thành, khép tán. Bên cạnh đó, 20,7 km đê còn lại thường xuyên bị sạt lở, xói mòn, hư hỏng nặng sau các mùa mưa bão. NCKH cấp cơ sở 2007 - 8- Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam Qua khảo sát ở một số địa phương có RNM phòng hộ nguyên vẹn như một số xã ở Đồ Sơn - Hải Phòng, Giao Thuỷ - Nam Định, Hậu Lộc – Thanh Hoá thì ở những nơi này đê biển hầu như không bị sạt lở trong cơn bão số 2, 6, 7 năm 2005. 1.4.3. Vai trò của RNM trong việc bảo vệ đất bồi, chống xói lở, hạn chế xâm nhập mặn Rễ cây ngập mặn chằng chịt, đặc biệt là những quần thể thực vật tiên phong mọc dày đặc có tác dụng làm giảm lưu lượng nước, dòng chảy tạo điều kiện cho trầm tích bồi tụ nhanh hơn trong các vùng cửa sông ven biển. Chúng vừa ngăn chặn có hiệu quả hoạt động công phá bờ biển của sóng, đồng thời là vật cản làm cho trầm tích lắng đọng. Ví dụ như, hàng năm vùng cửa sông Hồng tại Ba Lạt tiến ra biển 60 – 70m, một số xã ở tỉnh Tiền giang, Bến tre đất bồi ra biển 25÷30m, Trà vinh, Sóc trăng 15÷30m, Bạc liêu, Cà mau 30÷40m, góp phần làm tăng diện tích đất đai và giảm biên độ sóng, gió khi bão đổ bộ vào đất liền. Ở vùng hạ lưu ven biển, cửa sông lớn như hệ thống sông Hồng, sông Cửu Long, phù sa thường ngưng đọng ở trên lòng sông và ngoài cửa sông tạo nên những hòn đảo nổi. Trong điều kiện thuận lợi thì chỉ sau một thời gian, các loài cây ngập mặn tiên phong sẽ đến cư trú tạo môi trường cho nhiều loài cây đến sau và đất bồi được nâng dần lên như Cồn Ngạn, Cồn Lu ở Nam Định, Cồn Vành ở Thái Bình, Cồn Ngoài và Cồn Trong ở Tây Nam mũi Cà Mau. Những nơi trồng và bảo vệ tốt RNM thì bờ biển và đê không bị xói lở hoặc thiệt hai do thiên tai ở mức rất thấp. Ví dụ: đoạn bờ Bằng La, Đại Hợp (Hải Phòng) trước đây không có RNM thì bị xói lở rất mạnh. Từ khi có các dải RNM phòng hộ do Hội chữ thập đỏ Nhật Bản hỗ trợ (1997 – 2005) thì không những không bị xói lở mà trong các cơn bão lớn năm 2005 đã bảo vệ toàn vẹn đê quốc gia. Ngoài ra, RNM còn có tác dụng hạn chế xâm nhập mặn. Khi RNM chưa bị tàn phá nhiều thì quá trình xâm nhập mặn diễn ra chậm và phạm vi hẹp vì khi triều cao, nước đã đã lan toả vào trong những khu RNM rộng lớn; hệ thống rễ dày đặc cùng với thân cây đã làm giảm tốc độ dòng triều, tán cây hạn chế tốc độ gió. 1.4.4. Vai trò của rừng ngập mặn đối với khí hậu và tài nguyên thiên nhiên RNM có tác động đến điều hòa khí hậu trong vùng. Blasco(1975) nghiên cứu khí hậu và vi khí hậu rừng, đã có nhận xét: Các quần xã rừng ngập mặn là một tác nhân làm cho khí hậu dịu mát hơn, giảm nhiệt độ tối đa. Trên thế giới có rất nhiều ví dụ điễn hình về việc mất RNM kéo theo sự thay đổi vi khí hậu của khu vực...sau khi thảm thực vật không còn thì cường độ bốc hơi nước tăng làm cho độ mặn của nước và đất tăng theo. Có nơi, sau khi RNM bị phá hủy, tốc độ gió của khu vực tăng lên đột ngột, gây ra hiện tượng sa mạc hóa do cát di chuyển vùi lấp kênh rạch và đồng ruộng. Mất RNM sẽ ảnh hưởng đến lượng mưa của tiểu khu vực. Ngoài ra, RNM là nơi thu hút nhiều loài chim nước và chim di cư, tạo thành các sân chim lớn với hàng vạn con và dơi quạ. RNM Việt Nam có nhiều loài chim quí hiếm của thế giới như các loài cò mỏ thìa, già dẫy, hạc cổ trắng...(Võ Quý, 1984). RNM còn có những loài cây quí hiếm như cây cóc hồng. Đặc biệt, các chủng vi sinh vật RNM còn mang các thông tin di truyền tồn tại cho đến ngày nay qua đấu tranh sinh tồn hàng triệu năm. Đó là nguồn gen quí cho việc cải thiện các giống vật nuôi và cây trồng, thuốc chữa bệnh trong tương lai. NCKH cấp cơ sở 2007 - 9- Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SÓNG TÁC ĐỘNG VÀO MÁI ĐÊ, KÈ KHI CHƯA CÓ CÂY CHẮN SÓNG 2.1. Các phương pháp nghiên cứu sóng biển Nghiên cứu sóng và các giải pháp bảo vệ bờ biển là vô cùng quan trọng. Vì thế, các phương pháp nghiên cứu sau đây đã được sử dụng. - Nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu bằng mô hình toán Nghiên cứu bằng mô hình vật lý Nghiên cứu ngoài thực tế Các thông số cơ bản đặc trưng cho một con sóng gồm có chiều cao, chu kỳ và hướng truyền sóng. Với một phổ sóng gồm tập hợp rất nhiều con sóng ngẫu nhiên như ngoài thực tế, người ta quan tâm đến chiều cao sóng có ý nghĩa, chu kỳ sóng có ý nghĩa, các thông số mà có thể xác định bằng phân tích chuỗi số liệu sóng theo thời gian hoặc theo phổ sóng. Các nghiên cứu về sóng thường phức tạp và bao trùm nhiều vấn đề khác nhau, vì vậy trong nghiên cứu cơ bản nói chung và nghiên cứu này nói riêng chúng ta xem xét tương tác giữa sóng tới với đê biển theo một hướng, đó là hướng vuông góc. Để đánh giá khả năng tiêu hao năng lượng của sóng của rừng ngập mặn, ta có thể dùng phương pháp đo đạc và phân tích số liệu chiều cao sóng trước và sau khi có rừng ngập mặn, chiều cao sóng được đo tại các vị trí khác nhau trong rừng dọc theo phương truyền sóng. Sau khi có số liệu mực nước, có thể tính toán được các thông số chiều cao sóng có ý nghĩa, chiều cao sóng tới, sóng phản xạ. Từ đó đánh giá được mức độ tiêu hao năng lượng sóng trong rừng ngập mặn. 2.2. Phương pháp xác định các đặc trưng của sóng Thông thường, quá trình mực nước được đo đạc sau đó sử dụng các phần mềm để tính các thông số thống kê, chẳng hạn Hs và Tp, Hmo. Có nhiều loại máy đo sóng khác nhau, một số thiết bị đo trực tiếp bằng nhân công, một số thiết bị đo tự động theo sự lên xuống của mặt nước, và có loại đo áp lực tại các điểm khác nhau trong lòng chất lỏng và chuyển đổi sang các đặc trưng sóng. Trong phòng thí nghiệm, các đầu đo chiều cao sóng (WHM) đã được sử dụng để phục vụ mục đích đo đạc sóng. Mỗi đầu đo sóng sản sinh ra một điện thế mà giá trị của nó là thước đo mực nước tức thời dọc theo các đầu dò của nó. Các đầu đo sóng được nối với bộ xử lý dữ liệu analog bằng các cáp chuyên dụng, đầu ra của bộ xử lý dữ liệu được nối với card thu thập số liệu ở PC, và chương trình điều khiển tương ứng (Delft Measure) sẽ thu thập số liệu đo đạc được để ghi vào đĩa cứng dưới dạng các bản ghi sóng phục vụ việc phân tích tiếp theo. Sau đó tại các máy tính chuyên xử lý dữ liệu, các phần mềm chuyên dụng (Delft process hoặc phần mềm chạy trên môi trường Matlab) sẽ được dùng để phân tích số liệu đo đạc thô và cho ta các thông số đặc trưng thống kê của sóng và những thông tin cần thiết khác. Các số liệu mực nước được đo đạc với tần số 25Hz, trung bình thời gian đo sóng trong mỗi thí nghiệm là 30' và bộ số liệu sau mỗi thí nghiệm là 45000 số liệu mực nước tương ứng với khoảng 1000 con sóng. NCKH cấp cơ sở 2007 - 10 - Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam 2.3. Tác động của sóng tới đê biển khi không có rừng ngập mặn 2.3.1. Bão lũ và các tác động tới đê biển Việt Nam Vùng các tỉnh ven biển phía Bắc nằm trong khu vực có tần suất bão đổ bộ lớn. Bão đổ bộ trực tiếp vào thường có tốc độ gió mạnh 30 – 40m/s, khi gió giật mạnh có thể tới hơn 50m/s (61m/s vào tháng IX/1968). Lượng mưa trong bão thường có giá trị lớn 200 – 300 mm, có khi tới 400 – 500 mm gây ngập úng cục bộ. Đặc biệt trong năm 2005 hai cơn bão lớn là bão số 2, bão số 7 đổ bộ vào Hải Phòng đã gây hư hỏng nặng cho một số tuyến đê. Bờ biển Hải Phòng có hướng gần như vuông góc với hướng di chuyển trung bình của các cơn bão trong quá trình đổ bộ, do vậy nước dâng cộng với sóng lớn sẽ có sức tàn phá ghê gớm đối với các công trình ven biển, đặc biệt là các tuyến đê biển. Độ cao sóng lớn nhất đo được tại Hòn Dấu là 3,6m. Cơn bão số 2 đổ bộ vào các tỉnh ở ven biển Đông Bắc và Đồng bằng Bắc Bộ ngày 1/8/2005 với sức gió cấp 8, cấp 9, cấp 10, có lúc giật cấp 12 kèm theo mưa lớn, thuỷ triều dâng cao làm cho nhiều tuyến đê hư hỏng nặng như đê Vĩnh Bảo, An Lão, Tiên Lãng (Hải Phòng), Nghĩa Hưng, Hải Hậu, Giao Thuỷ (Nam Định), Bắc Cửa Lục, Hoành Bồ (Quảng Ninh). Ở đảo Cát Hải, bão kết hợp triều cường làm nước dâng cao 4,5 ÷ 5m tràn qua mặt đê, làm cho đê vỡ nhiều đoạn. Tại Đồ Sơn, trên đê biển 1 có đoạn bị sụt sâu đến 2m, trên đê biển 2 đoạn từ km số 6 đến km 1 cũng bị nước biển tràn qua. Trong tháng 9/2005, hai cơn bão mạnh số 6 và số 7 đã liên tiếp đổ bộ vào miền Bắc Việt Nam, gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Bão số 6 (18 ÷ 19/9/2005) với sức gió mạnh cấp 8, 9, vùng gần tâm bão đi qua cấp 10, giật trên cấp 10 kèm theo mưa lớn kết hợp triều cường nên nước biển dâng cao đã làm đổ nhà cửa, gây ngập lụt nhiều nơi. Nhiều đoạn đê biển ở các huyện Quỳnh Lưu, Diễn Châu, Nghi Lộc - Nghệ An bị sạt lở nặng. Ở Đồ Sơn - Hải Phòng, nhiều tuyến đê biển bê tông ở đảo Cát Hải bị sạt lở, thị xã Đồ Sơn bị ngập sâu. Khi các tuyến đê chưa kịp phục hồi thì sáng ngày 27/9/2005, cơn bão mạnh với sức gió trên cấp 12 đã đổ bộ vào Nam Định, làm vỡ 3 đoạn đê ở Hải Hậu và sạt lở nhiều đoạn đê ở Giao Thuỷ, Nghĩa Hưng. Chiều 27/9/2005, bão số 7 đã phá vỡ 12km đê biển Ninh Phúc, Hậu Lộc và đưa nước tràn qua các tuyến đê biển các huyện khác buộc hàng vạn dân phải sơ tán. Theo Ban Chỉ Đạo Phòng chống lụt bão Trung ương, tổng thiệt hại ban đầu về vật chất do bão số 7 gây ra cho các tuyến đê như sau: vỡ 275m đê biển (Hải Phòng 50m, Nam Định 200m, Thanh Hoá 15m); sạt lở 54.055m (Nam Định 1.250m, Thái Bình 3.500m, Ninh Bình 725m, Thanh Hoá 18.850m, Nghệ An 30.000m). 2.3.2. Tình hình xói lở bờ biển ở một số vùng khi không có RNM Vùng ven biển đồng bằng sông Hồng từ mũi Đồ Sơn đến Lạch Trường (Thanh Hoá) là nơi bờ biển bị xói lở ở quy mô lớn nhất (tại Hải Hậu, Nghĩa Hưng, và Hậu Lộc) với chiều dài 22.750m. Dọc theo bờ biển miền Trung từ Lạch Trường đến đèo Hải Vân cũng có nhiều đoạn bờ bị xói lở. Ở một số vùng ven biển Bắc Bộ tình hình xói lở xảy ra khá nghiêm trọng trong những năm cuối thế kỷ 20. Phần lớn ở những đoạn bờ này do không có RNM (Hải Hậu), hoặc các dải RNM đã bị phá để chuyển đổi sang mục đích kinh tế khác. NCKH cấp cơ sở 2007 - 11 - Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam Ở Nam Bộ nói chung và vùng ven biển đồng bằng sông Cửu Long nói riêng ít khi bị bão (trừ cơn bão Linda 1997), nhưng gió mùa đông bắc (gió chướng) kết hợp với triều cường và dòng triều mạnh đã gây ra xói lở nghiêm trọng ở nhiều địa phương. Tình trạng xói lở ngày càng tăng, một phần quan trọng là do rừng phòng hộ ven biển và ven sông nước lợ bị phá để làm đầm tôm nên khi các thuyền máy có công suất lớn hoạt động thì gây xói lở ở hai bờ, đặc biệt là các đê bao. 2.4. Thí nghiệm mô hình mái đê khi không có cây chắn sóng 2.4.1. Tiêu chuẩn tương tự và mô hình vật lý Mô hình nghiên cứu sự tác động của sóng lên mái đê khi không có cây chắn sóng làm việc trong điều kiện không gian, nên thí nghiệm được tiến hành trên mô hình chính thái, tổng thể. Vì ảnh hưởng của trọng lực là chủ yếu nên mô hình được thiết kế theo tiêu chuẩn Froud (1869). Đây là mô hình lòng cứng, đáy máng thí nghiệm bằng thép và đáy bãi thí nghiệm được chế tạo từ bê tông. Mô hình đê biển được chế tạo từ gỗ ép. Sóng được tạo bằng máy tạo sóng, theo tiêu chuẩn Froude, có các hệ số cơ bản sau: - Tỷ lệ hình học: λ L = 20 - Tỷ lệ thời gian: λT = 20 - Tỷ lệ vận tốc: λV = 20 (Chọn tỷ lệ mô hình = 1/20) 2.4.2. Cơ sở vật chất kỹ thuật cho nghiên cứu Các thí nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Thủy lực Tổng hợp - Đại học Thủy Lợi - Hà Nội. Sau khi được nâng cấp đầu năm 2007, máng sóng Hà Lan cùng hệ thống máy tính chuyên dụng đã trở thành một trong những máng sóng tốt nhất trên thế giới với khả năng tạo ra sóng ngẫu nhiên với phổ sóng tuỳ ý và hấp thụ tới 97% sóng phản xạ cùng nhiều tính năng khác. Phần mềm Delft Generate đã được trang bị cho phòng thí nghiệm sau dự án nâng cấp máy tạo sóng có khả năng tạo ra sóng ngẫu nhiên (Irregular waves) với các phổ sóng thông dụng và phổ biến như Pierson-Moskowitz, Jonswap, TMA, hay các phổ sóng được định nghĩa bởi người dùng, thêm vào đó là tính năng tạo sóng bậc 2 (second order waves) và tính toán hấp thụ sóng phản xạ cũng được tích hợp trong phần mềm. Thí nghiệm được tiến hành với sóng ngẫu nhiên (Jonswap), bậc 2 (2nd waves) Phần mềm Test Point, hay Delft Measure, có khả năng điều khiển quá trình thu thập và lưu trữ dữ liệu. Tín hiệu đo đạc từ các đầu đo chiều cao sóng (WHM) và đo vận tốc (EMF) truyền đến bộ thu thập dữ liệu Analog 8 kênh và truyền vào máy tính qua cáp dữ liệu và 1 card xử lý. Các dữ liệu này có thể được thu thập với tần số lấy mẫu, hệ số hiệu chỉnh, độ chính xác, thời đoạn đo đạc và dạng file kết quả khác nhau. 2.4.3. Thiết kế thí nghiệm Các thí nghiệm đã được tiến hành trên mô hình vật lý tỷ lệ 1:20 đã được đơn giản hóa, gồm có đê biển (không có cơ đê, có hoặc không có tường đỉnh), bãi trước đê, đoạn chuyển tiếp ra nước sâu. Sơ đồ thí nghiệm đã được bố trí như ở hình 2.9 dưới đây. Mục đích của thí nghiệm là xem xét ảnh hưởng của các yếu tố: chiều dài bãi nông trước chân đê, chiều sâu nước, chiều cao sóng. NCKH cấp cơ sở 2007 - 12 - Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam WHM5 WHM4 WHM3 WHM2 50cm và 75cm WHM1 d=50 d=45 d=40 đê biển sóng tới phần bãi phần chuyển tiếp Trục toạ độ X O Hình 2.9: Bố trí tổng thể các thí nghiệm - Mô hình đê: Đê được chế tạo bằng gỗ theo 2 mô hình thí nghiệm khác nhau, mô hình thứ nhất: đê có chiều cao 50cm, mô hình thứ hai cao 75cm; mái phía biển m=3; mái phía đồng m=2; bề rộng đỉnh đê 25cm; không có cơ, không có tường đỉnh. - Mô hình bãi: Bãi được chế tạo từ vữa xi măng, theo 2 mô hình độc lập tương ứng với các mô hình đê. Mô hình 1 dài 6m gọi là bãi ngắn, mô hình 2 dài 11m gọi là bãi dài – các từ bãi ngắn và bãi bài ở đây được dùng để phân biệt các trường hợp thí nghiệm (không phải là các khái niệm về bãi), mỗi mô hình đều gồm 2 phần chính là phần bãi và phần chuyển tiếp: o Bãi ngắn: phần bãi dài 3m, chiều cao tính từ đáy máng 22,5cm, độ dốc bằng 0 (bãi gần như nằm ngang); phần chuyển tiếp dài 3m có chiều cao biến đổi dần từ 22,5cm đến 0 (độ dốc m =0,075) o Bãi dài: phần bãi dài 6m, chiều cao tính từ đáy máng 22,5cm, độ dốc bằng 0; phần chuyển tiếp dài 5m có chiều cao biến đổi dần từ 22,5cm đến 0 (độ dốc m =0,045) - Máy tạo sóng đặt cách mô hình 45m về phía bên phải. Hướng truyền sóng được chỉ định bằng mũi tên trên hình. - Đầu đo sóng số 1 (WHM1) đặt ở vùng nước sâu trước bãi (ngoài vùng chuyển tiếp). Các đầu đo sóng còn lại được bố trí với khoảng cách thích hợp tuỳ theo thí nghiệm với bãi dài hay ngắn và sẽ được trình bày cùng với kết quả đo sóng. 2.4.4. Các trường hợp thí nghiệm Bảng 2.1 duới đây tổng hợp các điều kiện biên đã được sử dụng cho thí nghiệm: 2 mô hình bãi là bãi dài (11m) và bãi ngắn (6m); 3 chiều sâu nước tĩnh khác nhau trong máng (40cm, 45cm, 50cm); 5 chiều cao sóng (5cm, 10cm, 12,5cm, 15cm, 17,5cm). Một chu kỳ sóng được chọn thí nghiệm là T S =1,8s (tương ứng với T S =8s ngoài thực tế). Khi đó, chiều dài sóng ở nước sâu trong mô hình xấp xỉ L S ≈ 5,05m (tương ứng với L S ≈ 100m ngoài thực tế). NCKH cấp cơ sở 2007 - 13 - Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam Bảng 2.1: Các trường hợp thí nghiệm với bãi trước đê không có rừng Bãi NGẮN Chiều sâu nước (cm) Chiều cao sóng (cm) 40 10 12,5 15 17,5 Chiều sâu nước (cm) Bãi 40cm 45cm 50cm DÀI Chiều cao sóng (cm) 5 10 12,5 15 17,5 2.5. Kết quả thí nghiệm khi không có cây chắn sóng Bảng 2.2 và 2.3 duới đây tổng hợp kết quả các thí nghiệm trong trường hợp không có rừng ngập mặn trước đê ứng với mô hình bãi dài và bãi ngắn. Hệ trục toạ độ X được chọn với điểm bắt đầu (X=0) tại đầu bãi (hết phần chuyển tiếp từ nước sâu), chiều dương hướng về phía chân đê. Bảng 2.2: Kết quả thí nghiệm chiều cao sóng MH bãi dài, không có rừng (L S ≈ 5,05m) C.sâu Thí Ho nghiệm nước số (cm) (cm) X X/Ls 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 40 40 40 40 40 45 45 45 45 45 50 50 50 50 50 5 10 12.5 15 17.5 5 10 12.5 15 17.5 5 10 12.5 15 17.5 Hs(WHM1) Hs(WHM2) Hs(WHM3) Hs(WHM4) Hs(WHM5) (m) -7 0.054 0.100 0.120 0.137 0.149 0.055 0.104 0.126 0.145 0.159 0.056 0.104 0.126 0.146 0.163 (m) 1 0.198 0.058 0.094 0.099 0.103 0.107 0.059 0.106 0.117 0.125 0.130 0.060 0.109 0.128 0.142 0.151 (m) 2.5 0.495 0.058 0.085 0.088 0.089 0.091 0.060 0.102 0.106 0.110 0.113 0.061 0.108 0.125 0.135 0.140 (m) 4.0 0.791 0.059 0.080 0.081 0.082 0.086 0.060 0.100 0.102 0.104 0.105 0.061 0.108 0.124 0.130 0.132 (m) 6.0 1.187 0.058 0.077 0.078 0.080 0.083 0.054 0.093 0.097 0.099 0.100 0.049 0.092 0.108 0.117 0.121 Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm chiều cao sóng MH bãi ngắn, không có rừng (L S ≈ 5,05m) C.sâu Thí Ho nghiệm nước số (cm) (cm) X X/Ls 1 2 3 4 40 40 40 40 10 12.5 15 17.5 NCKH cấp cơ sở 2007 Hs(WHM1) Hs(WHM2) Hs(WHM3) Hs(WHM4) Hs(WHM5) (m) -5 0.098 0.121 0.138 0.150 (m) 0.2 0.040 0.106 0.126 0.140 0.149 - 14 - (m) 1.2 0.237 0.090 0.099 0.104 0.109 (m) 2.2 0.435 0.079 0.086 0.091 0.095 (m) 3.0 0.594 0.031 0.038 0.045 0.051 Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam 2.6. Phân tích kết quả thí nghiệm 2.6.1. Ảnh hưởng của chiều dài bãi tới chiều cao sóng Các con sóng trong thí nghiệm có chu kỳ 1,8s và chiều dài xấp xỉ 5m, tương ứng với sóng có chu kỳ 8s và chiều dài 100m ngoài thực tế. Chiều dài bãi theo phương truyền sóng trong thí nghiệm lần lượt là 3m và 6m, tương tứng với 60m và 120m ngoài thực tế, bằng 0,6 ÷ 1,2 lần chiều dài con sóng. Đồ thị dưới đây minh hoạ sự giảm chiều cao sóng một cách tương đối so với chiều cao sóng nước sâu (H 0 ) ứng với 2 chiều dài bãi khác nhau. Chiều cao sóng tại khu vực quá gần chân đê chịu ảnh hưởng của dòng rút, do vậy các đầu đo được bố trí ở một khoảng cách nhất định từ chân đê. Các đầu đo ở xa đê nhất (WHM1) trong các thí nghiệm) cho ta giá trị chiều cao sóng có ý nghĩa ở "nước sâu" (H 0 ) một cách gần đúng với các giả thiết đã nêu trong phần thiết kế thí nghiệm. Quan hệ Hi/H0 ~ X/Ls cho 2 chiều dài bãi khác nhau ứng với các chiều cao sóng khác nhau, không có rừng 1.1 Hi/H0 (m) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.0 0.2 0.4 0.8 0.6 1.0 1.2 X/Ls (m) H=10cm, bãi ngắn H=12,5cm, bãi ngắn H=15cm, bãi ngắn H=17,5cm, bãi ngắn H=10cm, bãi dài H=12,5cm, bãi dài H=15cm, bãi dài H=17,5cm, bãi dài Hình 2.12: Ảnh hưởng của chiều dài bãi tới sự giảm chiều cao sóng Từ kết quả thí nghiệm có thể thấy rõ ràng với chiều cao sóng tới khả dĩ trong bão (Hs = 2m ÷ 3,5m) tương ứng với thí nghiệm là H 0 = 10cm ÷ 17,5cm thì bãi dài luôn có tác dụng giảm chiều cao sóng rõ rệt hơn bãi ngắn. Với bãi tương đối dài, như trong trường hợp này bãi dài hơn 1 lần chiều dài sóng nước sâu, có thể thấy chiều cao sóng trên bãi giảm dần và hệ số giảm chiều cao sóng (Hi/H 0 ) tiến tới một giá trị tới hạn. Giá trị này còn phụ thuộc vào quan hệ tương đối giữa chiều cao sóng và chiều sâu nước trên bãi, nhưng nhìn chung nằm vào khoảng 0,5 ÷ 0,8. Điều này cũng phù hợp với các công thức kinh nghiệm thường được dùng để ước lượng chiều cao sóng trong vùng nước nông. Nguyên nhân là do bãi đã tạo ra một vùng nước nông trước chân đê, và sóng đã bị ảnh hưởng rõ rệt của ma sát đáy trên khu vực này. 2.6.2. Ảnh hưởng của độ sâu nước tới chiều cao sóng Khi sóng tiến vào vùng nước nông, chiều cao sóng giảm đi do ma sát đáy và do ma sát trong lòng khối chất lỏng khi sóng vỡ. Điều này có thể thấy được qua sự giảm chiều cao sóng rõ rệt trên một trích đoạn của bản ghi sóng ở hình 2.13 dưới đây (thí NCKH cấp cơ sở 2007 - 15 - Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam nghiệm số 39 trường hợp bãi dài, không có rừng, chiều sâu nước 45cm, chiều cao sóng 15cm, chu kỳ sóng 1,8s). 0.15 Vùng nước sâu Vùng nước nông Mực nước (m) 0.1 0.05 0 -0.05 -0.1 50 55 60 65 t (s) 70 75 80 Hình 2.13: Sự giảm chiều cao sóng do hiệu ứng nước nông tại khu vực bãi Quan hệ Hi ~ X với các chiều sâu nước khác nhau Trường hợp H0=17,5cm, bãi dài, không có rừng 0.14 0.16 0.12 0.14 0.10 0.12 0.10 0.08 Hi (m) Hi (m) Quan hệ Hi ~ X với các chiều sâu nước khác nhau Trường hợp H0=12,5cm, bãi dài, không có rừng d=40cm 0.06 0.08 d=40cm d=45cm 0.06 d=50cm 0.04 0.04 0.02 d=45cm d=50cm 0.02 0.00 0.00 6 7 8 9 10 11 12 13 X (m ) 6 7 8 9 10 11 12 13 X (m ) Hình 2.15: Ảnh hưởng của chiều sâu nước tới sự suy giảm chiều cao sóng Từ kết quả thí nghiệm thấy rằng: Nước càng nông thì chiều cao sóng đến trước đê càng nhỏ (với cùng một chiều cao sóng tới ở nước sâu). 2.6.3. Ảnh hưởng của chiều cao sóng tới sự tiêu tán năng lượng Một đặc điểm đáng lưu ý từ kết quả thí nghiệm là chiều cao sóng tới (từ vùng nước sâu) càng lớn thì mức độ giảm sóng khi truyền qua bãi tới chân đê càng nhiều (H i /H 0 càng nhỏ). Hình 2.16 dưới đây minh hoạ điều này. Khi chiều cao sóng tương đối nhỏ so với chiều sâu nước (điển hình là trường hợp H 0 =5cm), sóng chưa bị vỡ trên bãi và chiều cao sóng đo được tại một số vị trí thậm chí còn lớn hơn chiều cao sóng tại nước sâu, đó là do hiện tượng nước nông trên bãi. NCKH cấp cơ sở 2007 - 16 - Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam QUAN HỆ (Hi/Ho) ~ (X/Ls) Trường hợp bãi dài, không có rừng, nước sâu 45cm 1.2 1.2 1.0 1.0 0.8 0.8 Hi/Ho Hi/Ho QUAN HỆ (Hi/Ho) ~ (X/Ls) Trường hợp bãi dài, không có rừng, nước sâu 40cm 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 Ho=5cm Ho=10cm Ho=12.5cm Ho=15cm 0.2 Ho=5cm Ho=10cm Ho=12.5cm Ho=15cm Ho=17.5cm Ho=17.5cm 0.0 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0.0 0.2 0.4 0.6 X/L0 0.8 1.0 1.2 1.4 X/L0 QUAN HỆ (Hi/Ho) ~ (X/Ls) Trường hợp bãi dài, không có rừng, nước sâu 50cm 1.2 1.0 Hi/Ho 0.8 0.6 0.4 Ho=5cm Ho=10cm 12.5 Ho=15cm Ho=17.5cm 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 X/L0 Hình 2.16: Ảnh hưởng của chiều cao sóng tới sự tiêu tán năng lượng 2.6.4. Hệ số suy giảm sóng Hệ số suy giảm sóng trên toàn bộ chiều dài bãi theo phương truyền sóng được định nghĩa như sau: R= H0 − Hi H0 (2 – 1) Trong đó: H 0 - chiều cao sóng tại nước sâu (WHM1); H i - chiều cao sóng tại cuối bãi (WHM5). Kết quả tính toán hệ số suy giảm chiều cao sóng R được tổng hợp trong bảng 2.4 dưới đây. Như vậy, vùng nước nông trước chân đê với chiều rộng bãi tương đối lớn so với chiều dài sóng trong bão, khoảng 100m trở lên, sẽ có tác dụng giảm năng lượng sóng, có thể lên đến hơn 40% như các thí nghiệm nêu trên (khi chiều dài bãi theo phương truyền sóng bằng 1,2 lần chiều dài sóng trong bão). Bên cạnh đó có thể rút ra rằng: năng lượng sóng bị giảm càng nhiều khi sóng tới càng cao, chiều dài bãi càng lớn, hoặc độ sâu nước càng bé. NCKH cấp cơ sở 2007 - 17 - Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam Bảng 2.4: Hệ số suy giảm sóng từ kết quả thí nghiệm TNo. số Rừng - Chiều sâu nước Ho R (cm) 40 40 40 40 (cm) 0.1 0.12 0.137 0.149 0.227 0.350 0.412 0.443 32 33 34 35 Bãi không rừng 36 37 38 39 40 Bãi không rừng 45 45 45 45 45 0.055 0.104 0.126 0.145 0.159 0.019 0.114 0.232 0.315 0.368 Bãi không rừng 50 50 50 50 50 0.056 0.104 0.126 0.146 0.163 0.114 0.113 0.139 0.201 0.258 41 42 43 44 45 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG GIẢM SÓNG CỦA RỪNG NGẬP MẶN QUA THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH 3.1. Một số kết quả nghiên cứu hệ số giảm sóng 3.1.1. "Surface waves propagation in mangrove forests" của tác giả Massel và các cộng sự. Nghiên cứu này của Massel và các cộng sự gồm hai phần chính: đo đạc thực địa tại khu vực rừng ngập mặn Cần Giờ và mô phỏng quá trình sóng truyền qua rừng ngập mặn bằng các mô hình toán. Kết quả sự tiêu hao năng lượng khi sóng truyền qua rừng ngập mặn được thể hiện ở hình 3.3 dưới đây. Hình 3.3: Sự tiêu hao năng lượng sóng khi có rừng với các độ dày khác nhau (Massel và cộng sự, 2007) NCKH cấp cơ sở 2007 - 18 - Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam Đường cong phía trên tương ứng với trường hợp rừng ngập mặn có mật độ thấp, và đường cong phía dưới tương ứng trường hợp rừng ngập mặn có mật độ cao (rừng dày). Trục tung thể hiện năng lượng sóng tiêu chuẩn hoá (bằng tỷ số giữa năng lượng sóng tính toán tại vị trí đang xét chia cho năng lượng sóng trước khi truyền qua rừng). 3.1.2. "Wave transmission in mangrove forests" của các tác giả Schiereck & Booij. Mục đích chính của nghiên cứu này là khám phá khả năng sử dụng các mô hình toán cho nghiên cứu sự giảm sóng qua thảm thực vật nói chung và rừng ngập mặn nói riêng. Bên cạnh đó, các tác giả cũng nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các rừng ngập mặn với sự tiêu hao sóng. Trong tính toán hệ số triết giảm của sóng gió (K) khi truyền qua rừng ngập mặn, hệ số này là một hàm số của hệ số sức cản (Cf). Trong đó K = H i /H 0 , với H 0 là chiều cao sóng có ý nghĩa tại nước sâu, H i là chiều cao sóng có ý nghĩa tính toán sau khi truyền qua dải rừng rộng 100m. Kết quả tính toán với các hệ số cản khác nhau thể hiện trên hình 3.5 dưới đây. Hình 3.5: Hệ số giảm sóng như một hàm số của Hệ số sức cản Hình 3.7 dưới đây minh họa kết quả hệ số giảm sóng cho dải rừng rộng 100m và chiều cao sóng có ý nghĩa H S =0.4*d, trong đó d là độ sâu nước. 3 mật độ rừng khác nhau đã được xem xét: Rừng thưa (ứng với đường cong trên cùng), rừng dày (ứng với đường nét chấm dưới cùng), và rừng với mật độ trung bình (đường cong còn lại). Sau đây là các kết luận chính được rút ra từ nghiên cứu này: - Bộ rễ của các cây đước, đước đôi, mấn trắng, mấn quăn (mắm) có tác dụng giảm sóng lớn hơn nhiều so với thân cành. Điều này đồng nghĩa với việc hiệu quả giảm sóng sẽ giảm khi độ sâu nước tăng. - Chu kỳ sóng có ảnh hưởng nhỏ tới sự triết giảm sóng. - Với vùng nước có chiều sâu nhỏ hơn 1m, sóng tiêu tán khoảng 50% trong rừng ngập mặn với bề rộng 100m. Vận tốc quỹ đạo sẽ giảm với cùng một tỷ lệ, cho thấy các điều kiện cho sự bồi lắng được tạo ra tốt hơn nhiều. - Với các vùng nước sâu hơn, sóng tiêu tán khoảng 20 ÷ 30%. Ảnh hưởng của các cây ngập mặn như các đập phá sóng tự nhiên trong thời kỳ nước dâng vì vậy bị hạn chế hơn. NCKH cấp cơ sở 2007 - 19 - Báo cáo tóm tắt Đề tài: Nghiên cứu khả năng hấp thụ sóng của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ đê biển Việt Nam Hình 3.7: Hệ số giảm sóng cho dải rừng rộng 100m, H s = 0,4*d 3.1.3. "Vai trò chắn sóng và bảo vệ bờ biển của rừng ngập mặn đồng bằng Bắc Bộ Việt Nam" – Yoshihiro Mazda, Phan Nguyên Hồng và cộng sự. Yoshihiro Mazda, Phan Nguyên Hồng và cộng sự đã tiến hành các nghiên cứu của mình trong khu rừng viền ven biển hai xã Thuỵ Hải và Thuỵ Trường thuộc huyện Thái Thuỵ, tỉnh Thái Bình, nằm trong vùng ven biển đồng bằng Bắc Bộ, Việt Nam. Nhóm nghiên cứu đã kết luận rằng, rừng trang trồng ở khu vực ven biển xã Thuỵ Hải có tác động đáng kể trong việc giảm tác động của sóng lừng có chu kỳ sóng từ 5 ÷ 8 giây và do đó đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ bờ biển. Dải rừng ngập mặn 6 tuổi với chiều rộng 1,5km có thể giảm độ cao sóng từ 1m ở ngoài khơi còn 0,05m khi vào tới bờ. Do mật độ cây ngập mặn phân bố đều trong toàn bộ độ sâu vùng nước nên hiệu quả giảm sóng hầu như không đổi cho dù độ sâu mực nước có tăng lên. Các tác giả cho rằng cần tiến hành nhiều nghiên cứu hơn nữa để định lượng sự phụ thuộc của hiệu quả giảm sóng vào độ sâu mực nước, chu kỳ sóng, độ cao sóng, loài ngập mặn và khoảng cách giữa các cây ngập mặn. 3.1.4. "Sự giảm sóng trong rừng ngập mặn có loài bần ưu thế" - Yoshihiro Mazda và cộng sự. Nghiên cứu này đã phân tích định lượng những đặc điểm giảm sóng của loài bần chua dựa trên quan sát thực địa. Địa điểm nghiên cứu là bờ biển dọc xã Vinh Quang, huyện Tiên Lãng, thành phố Hải Phòng, gồm những bãi triều rộng được phù sa sông Thái Bình bồi đắp, trải dài tới 10km. Trong nghiên cứu này, hệ số suy giảm độ cao sóng trên một chiều dài đơn vị theo hướng truyền sóng được định nghĩa như sau: r= ∆H 1 H ∆x (3 – 1) trong đó: H - chiều cao sóng lớn tại 1 trạm ven biển bất kỳ; ∆H - lượng giảm chiều cao sóng ở trạm ven bờ; ∆x - khoảng cách từ trạm ven bờ dọc theo trục x, theo hướng sóng truyền. Các kết luận về các đặc điểm giảm sóng phụ thuộc vào cấu trúc thẳng đứng của thảm thực vật ngập mặn được phân tích như sau: NCKH cấp cơ sở 2007 - 20 - Báo cáo tóm tắt