Tài liệu ứng dụng mô hình xbeach trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn ở vùng ven biển việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN KIỆT ỨNG DỤNG MÔ HÌNH XBEACH TRONG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢM SÓNG CỦA RỪNG NGẬP MẶN Ở VÙNG VEN BIỂN VIỆT NAM CHUYÊN NGÀNH: MÃ SỐ: KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH BIỂN 60580203 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2020 Lời cảm ơn Đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, đã tận tình dạy dỗ, hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu trong suốt hai năm học vừa qua, những kiến thức ấy đã giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp và đồng thời trang bị cho em hiểu biết và sự tự tin khi bước vào chặng đường tiếp theo. Đặc biệt, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thầy PGS. TS. Nguyễn Danh Thảo đã hướng dẫn em tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Thầy đã luôn gợi ý và định hướng cho đề tài nghiên cứu; giúp em nhận ra các sai sót và giúp sửa chữa những lỗi mà em mắc phải trong quá trình tính toán; đồng thời có thêm ý tưởng và phương án mới để giải quyết vấn đề hiệu quả và hợp lý hơn cho đề tài này. Bên cạnh đó, Thầy luôn theo sát và cho em những lời khuyên hữu ích giúp em có thể hoàn thành bài nghiên cứu đúng thời hạn, đạt được các yêu cầu và nhiệm vụ mà ban đầu đã đặt ra. Cuối cùng, em xin chân thành cám ơn toàn thể các thầy cô giáo giảng dạy tại Bộ môn Cảng – Công trình Biển và Bộ môn Tài Nguyên Nước đã tận tình chỉ bảo em trong suốt những năm qua, truyền đạt cho em một nền tảng lý thuyết cơ bản về công trình biển, cơ học chất lỏng từ đó có thể vận dụng vào đề tài nghiên cứu một cách tốt nhất, đồng thời là tiền đề cho việc nghiên cứu chuyên sâu hơn sau này. Trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu không thể tránh khỏi những thiếu sót, em mong sự góp ý từ phía thầy cô để đề tài nghiên cứu được hoàn thiện hơn cũng như các hướng đi mới cho nghiên cứu này. Em xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 11 năm 2020 Học viên thực hiện NGUYỄN KIỆT Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn Tóm tắt Rừng ngập mặn đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ bờ biển một cách tự nhiên chống lại hiện tượng nước dâng do bão, nước biển dâng và xói mòn bờ biển bằng cách tiêu tán một lượng năng lượng sóng đáng kể. Do đó, nghiên cứu về cơ chế tương tác sóng truyền qua rừng ngập mặn thật sự cần thiết để đánh giá khả năng và mức độ hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn. Trong nghiên cứu này, sự suy giảm chiều cao sóng tới được nghiên cứu bằng cách sử dụng mô hình số XBeach 1D để giải phương trình cân bằng hoạt động sóng (wave action balance) và phương trình cân bằng nước nông (shallow water equation). Trong đó, nghiên cứu tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến tương tác thủy động lực với sự tồn tại của rừng ngập mặn, bằng cách chạy một loạt các mô hình XBeach với các thông số khác nhau về điều kiện sóng, về đặc điểm cây ngập mặn và địa hình nền đáy. Nghiên cứu sẽ trình bày một số kết quả bằng mô hình toán XBeach 1D để phân tích sự suy giảm chiều cao sóng bởi các dải rừng ngập mặn ở khu vực tỉnh Bạc Liêu. Các kết quả đã chỉ ra được các yếu tố ảnh hưởng nhất đến hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn là mật độ rừng, bề rộng rừng, chiều cao sóng tới và chiều sâu nước. Ngoài ra, tỉ lệ giảm sóng của khu vực trên còn đạt được giá trị lớn nhất là 8.9x10-3, 7.8x10-3 và 3.3x10-3 (m-1) tương ứng cho trường hợp rừng có mật độ cao, trung bình và thưa. Abstract: Mangroves play an important role in protecting the coast naturally against storm surges, sea level rise and coastal erosion by dissipating significant amounts of wave energy. Therefore, conducting research on the mechanism of wave interaction through mangroves is really necessary to assess the ability and effectiveness wave reduction of mangrove. In this study, the reduction of the incident wave height was investigated using the XBeach 1D numerical model to solve the wave action balance and the shallow water equation. In particular, the study focuses on factors that significantly influence hydrodynamic interactions with the existence of mangroves, by running a series of XBeach models with different parameters of wave conditions, the characteristics of mangroves and bottom topography. The study will present some results using XBeach 1D numerical model to analyze the wave height attenuation by mangrove strips in Bac Lieu province. The results show that the factors that most affect the mangrove wave reduction effectiveness are forest density, forest bandwidth, incoming wave height and water depth. In addition, the wave attenuation ratio of the interested area also reaches the maximum values of 8.9x10-3, 7.8x10-3 and 3.3x10-3 (m-1) respectively, for the dense, medium and sparse forest. 3 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn Lời cam đoan “Tôi xin cam đoan luận văn về đề tài “Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn ở vùng ven biển Việt Nam” là công trình nghiên cứu cá nhân của tôi trong thời gian qua. Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả nghiên cứu là do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sự không trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này.”. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 11 năm 2020 Tác giả đề tài NGUYỄN KIỆT 4 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn Mục lục Lời cảm ơn...................................................................................................................................... 2 Tóm tắt ........................................................................................................................................... 3 Lời cam đoan.................................................................................................................................. 4 Mục lục ........................................................................................................................................... 5 Danh mục hình ảnh ....................................................................................................................... 8 Danh mục bảng ............................................................................................................................ 11 GIỚI THIỆU ...................................................................................................... 12 1.1 Giới thiệu ........................................................................................................................ 12 1.1.1 Tổng quan ................................................................................................................ 12 1.1.2 Rừng ngập mặn ........................................................................................................ 13 1.1.3 Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................. 18 1.2 Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................... 19 1.2.1 Mục tiêu chung ........................................................................................................ 19 1.2.2 Mục tiêu cụ thể ........................................................................................................ 20 1.3 Nội dung của luận văn .................................................................................................... 20 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT ............................................................................ 22 2.1 Tổng hợp các nghiên cứu trước đây ............................................................................... 23 2.1.1 Nghiên cứu theo hướng mô hình vật lý ................................................................... 23 2.1.2 Nghiên cứu theo hướng khảo sát thực địa ............................................................... 23 2.1.3 Nghiên cứu theo hướng mô hình số ........................................................................ 23 2.1.4 Kết luận ................................................................................................................... 24 2.2 Mô hình tính toán XBeach trong nghiên cứu.................................................................. 26 2.2.1 Giới thiệu về mô hình XBeach ................................................................................ 26 2.2.2 Ảnh hưởng của sóng cực dài trong lan truyền sóng ................................................ 33 2.2.3 Mô hình cây ngập mặn trong XBeach ..................................................................... 34 2.2.4 Các công thức tính toán chiều cao sóng trong XBeach ........................................... 35 THIẾT LẬP MÔ HÌNH TOÁN ........................................................................ 36 3.1 Lựa chọn các thông số đầu vào ....................................................................................... 36 3.1.1 Thông số động lực học ............................................................................................ 36 3.1.2 Thông số địa hình đáy và rừng ngập mặn ............................................................... 37 3.1.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình toán ................................................................... 38 3.2 Các bước thiết lập mô hình toán ..................................................................................... 41 3.2.1 Điều kiện biên và địa hình nền đáy ......................................................................... 41 5 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn 3.2.2 3.2.3 3.2.4 Điều kiện cân bằng của sóng dài (bound long wave) tại biên ngoài khơi ............... 43 Chọn độ phân giải tối ưu của ô tính toán ................................................................. 44 Chọn thời gian chạy của mô hình ............................................................................ 49 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ.................................................................................... 51 4.1 Sự tiêu tán năng lượng trong rừng ngập mặn ................................................................. 51 4.2 Sự lan truyền của sóng ngắn ........................................................................................... 54 4.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự lan truyền sóng ......................................................... 54 4.2.2 Tỉ lệ chiều cao sóng giảm theo công thức Mazda ................................................... 59 4.2.3 Bề rộng rừng ngập mặn cần thiết để giảm năng lượng sóng ................................... 62 4.3 Sự lan truyền của sóng dài .............................................................................................. 64 4.3.1 Sự thay đổi của sóng dài khi lan truyền vào rừng ................................................... 64 4.3.2 Tỉ lệ chiều cao sóng giảm theo công thức Mazda ................................................... 66 4.3.3 Bề rộng rừng ngập mặn cần thiết để giảm năng lượng sóng ................................... 68 4.4 Sự lan truyền sóng tổng hợp bởi sóng dài và sóng ngắn ................................................ 72 4.4.1 Chiều cao sóng lan truyền ....................................................................................... 72 4.4.2 Mối liên hệ giữa mật độ rừng và bề rộng rừng ngập mặn cần thiết ........................ 73 4.4.3 Năng lượng sóng lan truyền .................................................................................... 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 79 5.1 Kết luận hướng đến mục tiêu nghiên cứu ....................................................................... 79 5.2 Kết luận hướng đến mục tiêu nghiên cứu cụ thể ............................................................ 79 5.2.1 Sự lan truyền của sóng ngắn qua rừng ngập mặn .................................................... 79 5.2.2 Sự lan truyền của sóng dài qua rừng ngập mặn ....................................................... 80 5.3 Một số kiến nghị ............................................................................................................. 81 Phụ lục A Thông số đầu vào cho các trường hợp .................................................................... 82 Phụ lục B Tính toán năng lượng giảm sóng Df, Dw và Dv ..................................................... 87 B.1 Năng lượng sóng giảm do ma sát đáy ................................................................................. 87 B.2 Năng lượng sóng giảm do sóng vỡ ..................................................................................... 88 B.3 Năng lượng sóng giảm do cây ngập mặn ............................................................................ 89 Phụ lục C Code matlab .............................................................................................................. 91 C.1 Lấy số liệu sóng và thủy triều ............................................................................................. 91 C.1.1 Số liệu sóng .................................................................................................................. 91 C.1.2 Số liệu thủy triều .......................................................................................................... 92 C.2 Thiết lập và khai báo mô hình tính toán ............................................................................. 93 C.3 Kiểm tra mô hình thiết lập .................................................................................................. 97 C.3.1 Cân bằng sóng dài ........................................................................................................ 97 C.3.2 Kiểm tra thời gian chạy mô hình ................................................................................. 98 C.3.3 Tối ưu kích thước ô tính toán....................................................................................... 99 C.4 Xử lý kết quả từ mô hình – sóng ngắn .............................................................................. 102 C.4.1 Dv – Hsw – h ............................................................................................................. 102 C.4.2 Tỉ lệ giảm chiều cao sóng .......................................................................................... 105 C.4.3 Bề rộng rừng ngập mặn để sóng giảm ....................................................................... 108 6 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn C.5 Xử lý kết quả từ mô hình – sóng dài ................................................................................. 110 C.5.1 Chuẩn hóa chiều cao sóng.......................................................................................... 110 C.5.2 Tỉ lệ giảm chiều cao sóng .......................................................................................... 123 C.5.3 Bề rộng rừng ngập mặn để sóng giảm ....................................................................... 128 C.5.4 Phổ năng lượng sóng.................................................................................................. 134 Phụ lục D Tính toán giá trị C và Cg ....................................................................................... 140 Tài liệu tham khảo ..................................................................................................................... 142 7 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn Danh mục hình ảnh Hình 1.1 – Phân bố rừng ngập mặn trên thế giới (National Geographic Magazine, 2007) .......... 13 Hình 1.2 – Phân bố rừng ngập mặn trên thế giới (Giri, 2011) ...................................................... 14 Hình 1.3 – Mức độ đa dạng của rừng ngập mặn ........................................................................... 14 Hình 1.4 – Phân bố RNM theo 4 khu vực ở Việt Nam (Hong, 1984) ........................................... 16 Hình 1.5 – Một số loại rễ cây ngập mặn ........................................................................................ 17 Hình 1.6 – Ảnh vệ tinh rừng ngập mặn của khu vực tỉnh Sóc Trăng ............................................ 18 Hình 1.7 - Khu vực tính toán ở ven biển tỉnh Bạc Liêu. (Nguồn: Google Earth Pro) .................. 19 Hình 1.8 – Nội dung chính của luận văn ....................................................................................... 20 Hình 2.1 – Bố cục chương tổng quan lý thuyết ............................................................................. 22 Hình 2.2 – Các phương trình chủ đạo chính trong mô hình XBeach ............................................ 28 Hình 2.3 – Mô hình mô phỏng cây ngập mặn ............................................................................... 34 Hình 3.1 – Số liệu sóng và thủy triều ghi nhận được từ cơn bão Linda tại vùng ngoài khơi Côn đảo vào tháng 10 và 11 năm 1997 ........................................................................................................ 36 Hình 3.2 – Vị trí điểm A5 – biên sóng ngoài khơi và A3 – điểm so sánh..................................... 38 Hình 3.3 – Vị trị A5 và A3 theo mặt cắt ngang bờ........................................................................ 39 Hình 3.4 – Số liệu đo đạc từ ERA5 tại điểm A5 và A3 trong 2 tháng 10 và 11 năm 1997........... 39 Hình 3.5 – Số liệu đo đạc từ ERA5 tại điểm A3 từ ngày 31/10 đến 04/11/1997 .......................... 40 Hình 3.6 – Kết quả hiệu chỉnh tham số fw từ mô hình số .............................................................. 40 Hình 3.7 – Sơ đồ thiết lập các thông số của mô hình toán trên Xbeach ........................................ 41 Hình 3.8 – Điều kiện của chiều sâu nước, chiều cao sóng và chu kỳ sóng trong mô hình XBeach. Vùng xanh lá cây là vùng thỏa mãn điều kiện mô hình (Roelvink, 2015). ................................... 42 Hình 3.9 – Mặt cắt ngang của mô hình toán rừng ngập mặn trên Xbeach .................................... 43 Hình 3.10 – Sự gia tăng một cách nhanh chóng của Hlw trong ba trường hợp ............................ 44 Hình 3.11 – Kích thước ô tính toán lớn nhất ................................................................................. 45 Hình 3.12 – Các trường hợp với kích thước khác nhau của ô tính toán ........................................ 46 Hình 3.13 – Sai số của lực sóng trong 4 trường hợp với kích thước ............................................. 46 Hình 3.14 – Sai số của chiều cao sóng dài trong 4 trường hợp với kích thước ............................. 47 Hình 3.15 – Sai số của chiều cao sóng ngắn trong 4 trường hợp với kích thước .......................... 47 Hình 3.16 – Sai số của mực nước trong 4 trường hợp với kích thước .......................................... 48 8 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn Hình 3.17 – Sai số trung bình của chiều cao sóng dài, chiều cao sóng ngắn và lực sóng ............. 48 Hình 3.18 – Chiều cao sóng ngắn theo thời gian tại điểm V2 ....................................................... 49 Hình 3.19 – Mực nước biến đổi theo thời gian tại điểm V2.......................................................... 50 Hình 4.1 – Các vấn đề quan tâm khi phân tích kết quả từ các trường hợp chạy mô hình ............. 51 Hình 4.2 – Năng lượng sóng giảm Dv do rừng ngập mặn trường hợp rừng có mật độ cao........... 52 Hình 4.3 – Năng lượng sóng tiêu tán Df do ma sát đáy trong trường hợp rừng có mật độ cao ..... 52 Hình 4.4 – Năng lượng sóng tiêu tán Dw do sóng vỡ trong trường hợp rừng có mật độ cao ........ 53 Hình 4.5 – Năng lượng sóng giảm do rừng ngập mặn với chiều cao sóng và độ sâu nước trong trường hợp rừng có mật độ cao tại điểm V2 .................................................................................. 54 Hình 4.6 – Năng lượng sóng giảm và độ sâu nước trong trường hợp có rừng mật độ cao ........... 55 Hình 4.7 – Năng lượng sóng giảm do rừng ngập mặn với chiều cao sóng và chu kỳ sóng trong trường hợp rừng có mật độ cao tại điểm V2 .................................................................................. 55 Hình 4.8 – Năng lượng sóng giảm và chu kỳ sóng trong trường hợp có rừng độ cao .................. 56 Hình 4.9 – Chiều cao sóng ngắn Hsw thay đổi khi sóng lan truyền qua rừng ngập mặn cho ba trường hợp rừng mật độ cao, trung bình và thấp ....................................................................................... 56 Hình 4.10 – Chiều cao sóng ngắn thay đổi trong rừng ngập mặn ................................................. 57 Hình 4.11 – Chiều cao sóng ngắn tăng nhẹ sau rừng ngập mặn.................................................... 57 Hình 4.12 - Năng lượng sóng giảm với bề rộng rừng ngập mặn trong trường hợp rừng có mật độ cao tại điểm V2 .............................................................................................................................. 58 Hình 4.13 - Tỉ lệ giảm sóng r trong khu vực có rừng ngập mặn và không có rừng khi có cùng độ sâu nước tại V2 .............................................................................................................................. 59 Hình 4.14 – Tỉ lệ giảm sóng r trong khu vực có rừng và không có rừng đối với ba loại mật độ rừng khác nhau ....................................................................................................................................... 60 Hình 4.15 – Tỉ lệ giảm sóng r với chiều cao sóng và độ sâu nước trong trường hợp rừng có mật độ cao, trung bình và thấp .................................................................................................................. 60 Hình 4.16 – Tỉ lệ giảm sóng r với chiều cao sóng và độ sâu nước trong trường hợp rừng có mật độ cao.................................................................................................................................................. 61 Hình 4.17 - Tỉ lệ giảm sóng r trong mô hình XBeach và các nghiên cứu trước đây ..................... 62 Hình 4.18 – Bề rộng rừng ngập mặn cần thiết để năng lượng sóng giảm 95% trong trường hợp rừng có mật độ cao ................................................................................................................................. 63 Hình 4.19 - Bề rộng rừng ngập mặn cần thiết để năng lượng sóng giảm 90%, 95% và 99% ....... 63 Hình 4.20 - Chiều cao sóng dài Hlw thay đổi khi sóng lan truyền qua rừng ngập mặn cho ba trường hợp rừng mật độ cao, trung bình và thấp ....................................................................................... 65 Hình 4.21 – Chiều cao sóng dài thay đổi trong rừng ngập mặn .................................................... 65 Hình 4.22 – Tỉ lệ giảm sóng r với chiều cao sóng Hlw và độ sâu nước trong trường hợp rừng có mật độ cao............................................................................................................................................. 66 9 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn Hình 4.23 – Tỉ lệ giảm sóng r với chiều cao sóng Hlw và chu kỳ sóng trong trường hợp rừng có mật độ cao............................................................................................................................................. 67 Hình 4.24 – Tỉ lệ giảm sóng r trong khu vực có rừng và không có rừng đối với ba loại mật độ rừng khác nhau ....................................................................................................................................... 68 Hình 4.25 – Bề rộng rừng ngập mặn cần thiết để năng lượng sóng giảm 5% ............................... 69 Hình 4.26 – Bề rộng rừng ngập mặn cần thiết để năng lượng sóng giảm 5% tương ứng với chu kì đỉnh sóng Tp ................................................................................................................................... 69 Hình 4.27 – Bề rộng rừng ngập mặn cần thiết để năng lượng sóng giảm 15% tương ứng với chu kì đỉnh sóng Tp ................................................................................................................................... 70 Hình 4.28 - Bề rộng rừng ngập mặn cần thiết để năng lượng sóng giảm 40% tương ứng với chu kì đỉnh sóng Tp .................................................................................................................................. 70 Hình 4.29 – Sự lan truyền của sóng ngắn và sóng dài................................................................... 72 Hình 4.30 – Sự lan truyền của năng lượng sóng ngắn và sóng dài ............................................... 72 Hình 4.31 – Lan truyền sóng ngắn, sóng dài, sóng tổng hợp trong khu vực rừng mật độ cao ...... 74 Hình 4.32 – Sự lan truyền của sóng dài tương ứng với các trường hợp khi không có rừng và mật độ rừng khác nhau ......................................................................................................................... 75 Hình 4.33 – Sự lan truyền của sóng ngắn tương ứng với các trường hợp khi không có rừng và mật độ rừng khác nhau ......................................................................................................................... 76 Hình 4.34 – Sự lan truyền của sóng tổng hợp tương ứng với các trường hợp khi không có rừng và mật độ rừng khác nhau .................................................................................................................. 77 Hình 4.35 – Mật độ phổ năng lượng – wave spectral density Sηη (m2/Hz) tại các điểm quan sát trong rừng ngập mặn ............................................................................................................................... 78 10 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn Danh mục bảng Bảng 2.1 – Giá trị tỉ lệ giảm sóng r tổng hợp từ các nghiên cứu trước đây .................................. 25 Bảng 2.2 – Phân loại sóng theo chu kì .......................................................................................... 33 Bảng 3.1 – Thông số sóng và thủy triều tại biên ngoài khơi – Côn Đảo....................................... 37 Bảng 3.2 – Cấu trúc RNM khu vực nghiên cứu ............................................................................ 38 Bảng 3.3 - Vận tốc nhóm sóng Cg, vận tốc truyền sóng C và số sóng n ...................................... 43 Bảng 3.4 – Kích thước ô tính toán trong các trường hợp .............................................................. 45 Bảng 4.1 – Giá trị tính toán hệ số chuẩn hóa độ dốc đáy biển 𝜷 .................................................. 64 Bảng 4.2 – Bề rộng rừng ngập mặn cần thiết Xd để giảm năng lượng sóng Hlw 5%, 15% và 40% tương ứng với các trường hợp của chu kỳ đỉnh sóng .................................................................... 71 Bảng 5.1 – Tỉ lệ chiều cao sóng ngắn giảm r theo công thức Mazda ............................................ 80 11 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu Phần giới thiệu tổng quan sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về khu vực ven biển là nơi sinh sống cho khoảng một phần năm dân số thế giới. Do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu trong một thập kỷ qua, các khu vực này đang bị tổn thương đáng kể trong việc chống lại các thiên tai ven biển như bão, nước biển dâng, sóng thần, động đất. Do đó, giải pháp mềm có thể được áp dụng hiệu quả hơn so với giải pháp cứng, bởi vì chi phí cho giải pháp mềm tương đối rẻ cũng như duy trì sự phát triển bền vững ở các khu vực môi trường lân cận. Phần thứ hai sẽ giới thiệu và phân tích các đặc trưng và địa điểm phân bố của cây ngập mặn trên toàn thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Phạm vi của nghiên cứu sẽ tập trung tại khu vực của tỉnh Bạc Liêu của đồng bằng sông Cửu Long. 1.1.1 Tổng quan Các khu vực ven biển trên toàn thế giới đang chịu áp lực ngày càng tăng lên do ảnh hưởng từ các hoạt động sinh sống của con người. Năm 1995, xấp xỉ 20% dân số thế giới sinh sống trong phạm vi 25km tính từ đường bờ biển vào trong đất liền (Joel E. Cohen, 1997) phân bố chủ yếu ở vùng cận nhiệt đới và nhiệt đới. Tuy nhiên, sự gia tăng hoạt động của con người tại vùng ven biển đã khiến các tác động tiêu cực có xu hướng xuất hiện ngày càng nhiều. Năm 2012, Hoa Kỳ chịu thiệt hại 160 tỷ đô do thiên tai ven biển (Sutton-Grier, A. E., 2015) trong đó riêng khu vực Đông Nam Á thiệt hại hàng tỷ đô. Bảo vệ khu vực ven biển đã đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu các thiên tai ven biển. Có hai giải pháp chính để bảo vệ bờ biển là giải pháp mềm và giải pháp cứng. Giải pháp cứng ưu tiên xây dựng các công trình hệ thống đê, kè để bảo vệ bờ biển. Nhược điểm của giải pháp cứng là gây ra nhiều hệ lụy tiêu cực đến môi trường và chi phí đầu tư lớn. Vì vậy trong vòng hơn một thập kỷ trở lại đây, một số nước đã có sự quan tâm đối với việc sử dụng các giải pháp mềm bảo vệ bờ biển thay vì các giải pháp cứng. Do tình trạng biến đổi khí hậu và mức độ nguy hiểm của các hiện tượng trên ngày càng tăng theo hướng cực đoan hơn, các giải pháp cứng để bảo vệ bờ biển dần trở nên không khả thi (Borsje, B. W., 2011). Các giải pháp bảo vệ mềm khác nhau thường được sử dụng ví dụ như nuôi tạo bãi cát, cồn cát ven biển và nuôi trồng thảm thực vật (Hanley, M. E., 2014). Ưu điểm của các phương pháp trên là chi phí đầu tư không lớn, đóng góp vào xu thế “phát triển bền 12 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn vững” của thế giới, không gây tác động lớn đến đa dạng sinh học và môi trường. Do đó, các giải pháp kỹ thuật mềm có thể được áp dụng hiệu quả và kinh tế trên phạm vi rộng, đặc biệt là trong bối cảnh của Việt Nam. Giải pháp sử dụng thảm thực vật ven biển có thể là một phương pháp bền vững trong việc bảo vệ vùng ven biển, cụ thể hơn ở đây là cây ngập mặn – một loài cây sống ở khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới với khả năng sinh tồn cực kì cao trong các điều kiện khắc nghiệt. Những lợi ích của rừng ngập mặn ở khu vực ven biển càng trở nên rõ ràng hơn sau sự tàn phá lớn từ cơn động đất sóng thần Ấn Độ Dương năm 2004 (Tanaka, N., Sasaki, Y., 2007). Rừng ngập mặn đã chứng minh được vai trò quan trọng trong việc bảo vệ bờ biển khỏi các hiện tượng như: xói lở, nước dâng do bão bằng cách tiêu tán năng lượng sóng. Đặc biệt, hệ thống rễ chằng chịt và thân của cây ngập mặn có khả năng làm giảm chiều cao sóng tới và tác động của thủy triều (Mazda, Y., 1997) và (Kathiresan, 2005). Chính vì vậy việc đánh giá vai trò của rừng ngập mặn trong việc bảo vệ bờ biển càng được chú ý hơn khi biến đổi khí hậu đang ngày càng diễn ra phức tạp gây nên các thiên tai và tác động tiêu cực đến các khu vực ven biển. Từ những kết luận trên cho thấy việc sử dụng cây ngập mặn như một giải pháp bảo vệ bờ biển chống lại các rủi ro từ thiên tai đã trở nên rất cấp thiết trong lĩnh vực nghiên cứu tìm ra các giải pháp tối ưu bảo vệ bờ biển. 1.1.2 Rừng ngập mặn 1.1.2.1 Mật độ và khu vực phân bố rừng ngập mặn Hình 1.1 – Phân bố rừng ngập mặn trên thế giới (National Geographic Magazine, 2007) Rừng ngập mặn phân bố trên toàn thế giới nhưng chủ yếu ở các khu vực ngập triều và các khu vực ven bờ biển có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới. Rừng ngập mặn có diện tích khoảng 137.760 km2 trên toàn thế giới (Giri C., Ochieng E., 2011). Theo Hình 1.1 và Hình 13 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn 1.2, rừng ngập mặn phân bố chủ yếu ở khu vực Trung Mỹ, Nam Mỹ, châu Úc, Trung Phi và đặc biệt là khu vực Đông Nam Á. Hình 1.2 – Phân bố rừng ngập mặn trên thế giới (Giri, 2011) Đặc biệt, theo một báo cáo thường niên của (Deltares, 2014) thì Đông Nam Á là khu vực có rừng ngập mặn đa dạng nhất về chủng loại và mật độ phân bố. Hình 1.3 – Mức độ đa dạng của rừng ngập mặn Về cơ bản, diện tích rừng ngập mặn có sự sụt giảm 20% trong 25 năm qua chủ yếu do sự phát triển kinh tế ven biển, tốc độ mất rừng nhanh hơn 3 - 4 lần so với các loại rừng trên cạn vì đòi hỏi thời gian để phục hồi rừng. Rừng ngập mặn có giá trị và lợi ích kinh tế rất cao, đặc biệt là đối với người dân khu vực ven biển: • Giá trị kinh tế ước tính 2.000 USD - 9.000 / ha / năm. • Lâm sản (gỗ, than, củi, v.v.) và các sản phẩm ngoài gỗ. 14 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn • Duy trì nguồn lợi thủy sản. • Bảo vệ bờ biển • Cung cấp nơi du lịch sinh thái giải trí và môi trường giáo dục. • Giảm lượng khí thải carbon. Do đó, phạm vi nghiên cứu sẽ tập trung tại khu vực Đông Nam Á, trong đó đặc biệt là khu vực Đồng bằng sông Cửu Long vì sự phân bố và đa dạng nhất của rừng ngập mặn dọc theo khu vực ven biển Việt Nam. 1.1.2.2 Rừng ngập mặn ở Việt Nam Việt Nam với bờ biển dài 3.260 km, hệ thống sông ngòi dày đặc đã tạo nên sự phong phú và đa dạng về hệ thống RNM. Dựa vào các yếu tố địa lý, khảo sát thực địa và ảnh viễn thám một số năm, (Hồng, 1991) đã chia RNM Việt Nam ra làm 4 khu vực chính như sau: a) Khu vực I: Ven biển Đông Bắc, từ mũi Ngọc đến mũi Đồ Sơn. Trong khu vực này có 3 tiểu khu phân bố RNM được xác định như sau: + Tiểu khu 1: Từ Móng Cái đến Cửa Ông; + Tiểu khu 2: Từ Cửa Ông đến Cửa Lục; + Tiểu khu 3: Từ Cửa Lục đến Đồ Sơn. Khu vực này có hệ thực vật ngập mặn tương đối phong phú, những loài cây ưu thế là Mắm biển (Avicennimarina), Đâng (Rhizophora stylosa), Trang (Kandilia obovata), Sú (Aegiceras corniculatum), Vẹt dù (Bruguiera gymnorrhiza). Trên đất chỉ bị ngập khi triều cao có hai loài cây ưu thế là Giá (Excoecaria agallocha) và Côi (Scyphiphora hydrophyllacea). Ở vùng nước lợ có Bần chua (Sonneratia caseolaris). b) Khu vực II: Ven biển Đồng bằng sông Hồng, từ Đồ Sơn đến Lạch Trường. Khu vực này được chia ra thành 2 tiểu khu: + Tiểu khu 1: Từ Đồ Sơn đến cửa sông Văn Úc; + Tiểu khu 2: Từ cửa sông Văn Úc đến Lạch Trường. Khu vực này gồm những loài ưa nước lợ như Ô rô (Acanthus ilicifolius), Trang, Sú phân bố từ cửa sông Hồng trở vào. 15 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn Hình 1.4 – Phân bố RNM theo 4 khu vực ở Việt Nam (Hong, 1984) c) Khu vực III: Ven biển Trung Bộ, từ mũi Lạch Trường đến mũi Vũng Tàu. Khu vực này được chia ra 3 tiểu khu: + Tiểu khu 1: Từ Lạch Trường tới mũi Ròn; + Tiểu khu 2: Từ mũi Ròn đến đèo Hải Vân; + Tiểu khu 3: Từ đèo Hải Vân đến Vũng Tàu. 16 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn Khu vực này gồm các loại cây như Đước (Rhizophora apiculata), Đưng (Rhizophora mucronata), Mắm lưỡi đòng (Avicennia officinalis)… Một số loài phổ biến ở miền Bắc như Đâng, Sú, Trang… phân bố rải rác. d) Khu vực IV: Ven biển Nam Bộ, từ mũi Vũng Tàu đến mũi Nải (Hà Tiên). Khu vực này được chia thành 4 tiểu khu: + Tiểu khu 1: Từ Vũng Tàu đến cửa sông Soài Rạp (ven biển Đông Nam Bộ); + Tiểu khu 2: Từ cửa sông Soài Rạp đến cửa sông Mỹ Thanh (ven biển Đồng bằng sông Cửu Long); + Tiểu khu 3: Từ cửa sông Mỹ Thanh đến cửa sông Bảy Háp (tây nam bán đảo Cà Mau); + Tiểu khu 4: Từ cửa sông Bảy Háp tới mũi Nải (Hà Tiên). Những loài cây ưu thế ở khu vực này là Mắm trắng (Avicennia alba) và Bần trắng (Sonneratina alba), Mắm lưỡi đòng (Avicennia officinalis), Dà vôi (Ceriops tagal), Đước đôi (Rhizophora apiculata), còn trên đất cao ít ngập triều là Giá (Excoecaria aglalocha) và chà là (Phonix paludosa). Ở vùng nước lợ có Dừa nước (Nypa fruticans), Bần chua (Sonneratia caseolaris), Ô rô và Mái dầm (Cryptocoryne ciliata) tạo thành tầng thực vật dưới tán. Theo nghiên cứu của (Sâm, 2005) về phân bố diện tích đất ngập mặn và RNM theo tỉnh và thành phố ven biển Việt Nam (tính đến tháng 12/2001) chỉ ra rằng, diện tích RNM ở Cà Mau lớn nhất nước chiếm tới 40,7% (222,003 ha) trên tổng diện tích RNM cả nước. Tiếp theo ở vị trí thứ hai, thứ ba và thứ tư là tỉnh Sóc Trăng, tỉnh Bạc Liêu và tỉnh Quảng Ninh tương ứng với 11,3%, 9,1% và 6,6%. 1.1.2.3 Bộ phận rễ cây Rễ là một trong những đặc điểm phân biệt rừng ngập mặn với các cây khác (Tomlinson, P. B., 1986). Hệ thống rễ của rừng ngập mặn đặc biệt bởi vì hệ thống rễ lộ ra trên mặt đất chính vì thế hệ thống rễ này đã góp phần giảm thiểu các tác động của sóng khi truyền qua rừng ngập mặn. Có thể quan sát như trong Hình 1.5, các loại rễ khác nhau sẽ có tác động giảm sóng khác nhau vì gây ra giá trị lực cản khác nhau. Hình 1.5 – Một số loại rễ cây ngập mặn 17 Ứng dụng mô hình XBEACH trong đánh giá hiệu quả giảm sóng của rừng ngập mặn 1.1.2.4 Thân cây và tán cây Tùy thuộc vào độ sâu của nước, thân cây và tán cây sẽ góp phần làm giảm tác động sóng. Một số kết luận cho thấy với khu vực nước có độ sâu thấp – độ sâu nước dao động trong khoảng chiều cao của bộ phận rễ của cây ngập mặn thì hệ thống rễ đóng vai trò chính trong việc làm giảm sóng. Đối với khu vực nước có độ sâu lớn hơn thì thân cây và tán cây rõ ràng đóng một vai trò quan trọng hơn so với bộ phận rễ cây (Burger B., 2005). 1.1.2.5 Vùng phân bố Rừng ngập mặn thường phân bố ở vùng thủy triều, giữa mực nước biển trung bình (MSL) và mực nước biển cao (HWSL). Theo hướng từ biển về rừng ngập mặn thường gặp phải các bãi đầm lầy, với độ dốc điển hình là 1:1000 (Schiereck, 2001). Hình 1.6 – Ảnh vệ tinh rừng ngập mặn của khu vực tỉnh Sóc Trăng Ví dụ, dựa theo Hình 1.6, tại khu vực tỉnh Sóc Trăng các khu vực phân bố các loại rừng ngập mặn thay đổi đặc trưng từ biển vào đất liền. Có ba vùng rừng ngập mặn trong khu rừng ngập mặn này: rừng Rhizophora (R), rừng Avicennia (A), và rừng Lumnitzera (L) (Nguồn: Google Earth Pro). Về cơ bản, với hàng loạt các loại rừng ngập mặn phân bố khác nhau từ bờ biển đến đất liền. Các khu vực này được ngăn cách bởi một khu vực chuyển tiếp, là nơi pha trộn các loại rừng ngập mặn đặc biệt là các khu vực lân cận. 1.1.3 Phạm vi nghiên cứu Trong số diện tích RNM trồng ở Việt Nam, rừng đước (Rhizophora apiculata) trồng chiếm 80.000 ha (82,6%), còn lại 16.876 ha là rừng trồng trang (Kandelia obovata), bần chua (Sonneratia caseolaris) và các loại cây ngập mặn trồng khác (17,4%) theo khảo sát của Viện Điều tra Quy hoạch Rừng năm 2001. Như vậy, có thể thấy rằng, rừng đước chiếm đại đa số trong hệ sinh thái của RNM ở Việt Nam trải dài từ khu vực Bắc Bộ đến khu vực Mũi Cà Mau. Để có cái nhìn chi tiết hơn về khu vực giảm sóng của RNM đặc biệt là khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long – là nơi có hệ sinh thái RNM đa dạng và phong phú nhất Việt Nam, khu vực tỉnh Bạc Liêu sẽ được chọn để làm khu vực nghiên cứu RNM: 18