Đánh giá tác động công trình đến bức tranh thủy động lực khu vực cửa sông ven bờ Bến Hải, Quảng Trị

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 435‐442 435 _______ Đánh giá tác động công trình đến bức tranh thủy động lực khu vực cửa sông ven bờ Bến Hải, Quảng Trị Nguyễn Thọ Sáo1, Trần Ngọc Anh1,*, Nguyễn Thanh Sơn1, Đào Văn Giang2 1Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam 2Trung tâm Hải văn, Tổng cục biển và hải đảo, Bộ Tài nguyên và Môi trường Nhận ngày 11 tháng 8 năm 2010 Tóm tắt. Bài báo này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu đánh giá tác động của các công trình đến các trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng, sông Bến Hải tỉnh Quảng Trị bằng bộ mô hình MIKE 21 với các mô đun HD, SW và ST, từ đó phân tích nguyên nhân dẫn đến các hiện tượng bồi xói bất thường trong khu vực, làm tiền đề cho việc đề xuất và quy hoạch các công trình chỉnh trị phục vụ phát triển bền vững kinh tế xã hội và môi trường. Từ khóa: MIKE, vùng cửa sông ven biển, Cửa Tùng, công trình chỉnh trị sông 1. Đặt vấn đề∗ Trong những năm gần đây các hoạt động kinh tế, du lịch biển phát triển mạnh, nhiều các công trình được xây dựng ở vùng cửa sông ven biển như cầu, cảng, kè chắn sóng... đã phần nào tác động đến các yếu tố thủy động lực trong vùng. Các tác động này có thể theo hướng tích cực như chống bồi lấp luồng tàu, bảo vệ các vùng xung yếu hoặc cũng có thể tiêu cực như gây xói lở cục bộ, làm hư hại hoặc phá hủy các công trình lân cận. Vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng sông Bến Hải tỉnh Quảng Trị gần đây có sự thay đổi mạnh mẽ về hình thái [1]. Một trong những nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi đó có thể là các công trình mới xây dựng ở khu vực này do có sự trùng hợp về thời điểm xuất hiện công trình với các hiện tượng bồi xói bất thường ở các bãi biển trong khu vực. Khi có mặt các công trình như cầu, đê chắn cát, cảng,… trường thủy động lực sẽ có những biến đổi nhất định và có tác động đến các quá trình vận chuyển bùn cát ven bờ do vậy có thể gây ảnh hưởng đến hình thái vùng cửa sông ven biển. ∗ Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38584943. E-mail: anhtnvnu.edu.vn Bài báo này giới thiệu một số kết quả nghiên cứu đánh giá tác động của các công trình đến các trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng, sông Bến Hải tỉnh Quảng Trị bằng công cụ mô hình toán, từ đó phân tích nguyên nhân dẫn đến các hiện tượng bồi xói bất thường trong khu vực, làm tiền đề cho việc đề xuất và quy hoạch các công trình chỉnh trị phục vụ phát triển bền vững kinh tế xã hội và môi trường kinh tế xã hội và môi trường. N.T. Sáo và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 435‐442 436 2. Khái quát khu vực nghiên cứu Bãi biển Cửa Tùng, tỉnh Quảng Trị từng là một trong những bãi tắm đẹp, thu hút nhiều du khách. Hiện nay bãi biển phía bắc Cửa Tùng bị xói lở mạnh, chỉ còn một khoảng không gian nhỏ. Về tự nhiên, Cửa Tùng nằm ở một vị trí địa lý phức tạp (hình 1), chịu ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên như: sóng biển, thủy triều, hải lưu, nước dâng và dòng bùn cát; dòng chảy sông và các tai biến lũ lụt; gió mùa đông bắc, tây nam và bão, nền địa chất phức tạp trên khối bazan cùng với các chu kỳ biến đổi khí hậu toàn cầu và các hoạt động kinh tế xã hội đang diễn ra mạnh mẽ trong khu vực. Những năm gần đây, bãi tắm phía bắc Cửa Tùng ngày càng bị thu hẹp về không gian do sự xâm thực ngày càng gia tăng cả về quy mô lẫn cường độ, dẫn tới các tổn thất về du lịch [2]. Quang Tri Province Hình 1. Vị trí khu vực nghiên cứu. Nhằm đáp ứng các nhu cầu về giao thông, giao thương giữa hai bờ Nam – Bắc sông Bến Hải cũng như các hoạt động đánh bắt thủy sản, giao thương với huyện đảo Cồn Cỏ, thời gian gần đây đã có một loạt công trình được xây dựng (hình 2) mà tiêu biểu là cầu Tùng Luật, cảng cá Cửa Tùng và đê chắn cát mố phía nam cầu Tùng Luật (gọi tắt là kè). Cầu Tùng Luật được xây dựng vào năm 2004 ngay nơi dòng sông gặp biển, nối hai huyện huyện Gio Linh và Vĩnh Linh. Cầu có thiết kế dài 461 m, rộng 9m, tải trọng H30- XB80, khổ thông thuyền 50m, tĩnh không 8,5 m với 4 trụ cầu có kích thước mỗi trụ: 10,5mx 7m. Kè Cửa Tùng bắt đầu được xây dựng từ năm 2004, nằm phía bờ nam Cửa Tùng, bờ kè được xây dựng có chiều dài 430 m, cao 1,5 m, N.T. Sáo và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 435‐442 437 rộng 6 m với kết cấu bằng đá hộc và cốt thép vươn dài ra biển nhằm mục đích chắn sóng, chắn cát, giảm xói mòn trụ cầu Tùng Luật cũng như ngăn chặn bồi lấp cửa phục vụ giao thông thủy và an toàn hàng hải cho cảng cá Cửa Tùng. Cảng cá Cửa Tùng bắt đầu được xây dựng từ năm 2004, khi Sở Thuỷ sản Quảng Trị (nay thuộc Sở NN-PTNT Quảng Trị) thực hiện dự án khu neo đậu trú bão và hậu cần nghề cá với mục tiêu là cung cấp bến neo đậu, tránh trú bão, hậu cần nghề cá và hiện đại hoá khu sản xuất nghề cá ven biển. Trước đây, tại vị trí cảng cá Cửa Tùng là một eo biển kín gió, được một cồn cát lớn nằm phía ngoài che chắn sóng biển. Khi thực hiện dự án, hơn 200.000 m3 cát ở cồn này bị múc đi đổ vào san lấp eo biển tạo thành một bãi cát bằng phẳng chính là mặt bằng cảng cá hiện nay. Nhằm mục đích đánh giá tác động của các công trình cầu – kè – cảng đến bức tranh thủy động lực trong vùng, khu vực nghiên cứu được xác định gồm hai miền: miền trong sông từ cầu Hiền Lương đến cửa và miền biển ven bờ (xem hình 3 3. Phương pháp tiếp cận Để đánh giá tác động của công trình hoặc hệ thống công trình đến chế độ thủy động lực có nhiều phương pháp khác nhau, tuy nhiên sử dụng (các) mô hình thủy động lực là phương pháp rẻ và tin cậy đồng thời có thể cung cấp các giải pháp thay thế cũng như các dự báo cho tương tai. Hỗ trợ cho mô hình thủy động lực là các biện pháp điều tra, thu thập và xử lý số liệu để tăng cường độ tin cậy của các đầu vào yêu cầu cho mô hình cũng như phân tích nhằm làm sáng tỏ bức tranh thủy động lực trong khu vực trước và sau khi có công trình, từ đó đánh giá sơ bộ các luận điểm và sẽ được minh chứng lại bằng các công cụ mô phỏng trong các bước tiếp theo. Số liệu khí tượng, thủy hải văn trong khu vực nghiên cứu đã được thu thập và cập nhật đến năm 2008 cùng các nguồn số liệu khác như tài liệu khảo sát địa hình năm 2000 và tài liệu phân tích cấp hạt của TEDI, ảnh hàng không chụp năm 2003, ảnh vệ tinh Google... Bên cạnh đó nhằm bổ sung số liệu, hai đợt khảo sát và đo đạc đã được thực hiện vào tháng 8/2009 và 4/2010 trong đó tập trung vào đo đạc địa hình khu vực nghiên cứu phần dưới nước, phần trên cạn, dòng chảy, sóng, gió, trầm tích đáy và lơ lửng kết hợp với các điều tra thu thập thông tin xã hội [1]. Số liệu khảo sát sau đó được xử lý và đưa về các dạng tương thích phục vụ công tác thiết lập mô hình ở bước tiếp theo Hình 2. Sơ đồ bố trí công trình khu vực nghiên cứu. Hình 3. Lưới phần tử hữu hạn dùng trong mô hình MIKE 21 FM. Cảng cá Cầu Tùng Luật Kè K2 K1 N.T. Sáo và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 435‐442 438 4. Kết quả mô phỏng Trên thế giới và trong nước hiện có nhiều mô hình thủy động lực đang được áp dụng cho nhiều mục đích khai thác khác nhau như nghiên cứu, quy hoạch và thiết kế hệ thống công trình... tiêu biểu có thể kể đến SORBEK (Hà Lan), MIKE (Đan Mạch),…tuy nhiên, mỗi mô hình đều có những ưu nhược điểm riêng và cho đến nay vẫn chưa có một đánh giá toàn diện và chi tiết về khả năng áp dụng trong thực tế của các mô hình nói trên. Trong nghiên cứu này, với mục tiêu mô phỏng và tính toán ảnh hưởng của các công trình lên trường thủy động lực vùng cửa sông ven biển Cửa Tùng - Quảng Trị, bộ mô hình MIKE 21 đã được lựa chọn do đáp ứng được những tiêu chí: a) Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng (tính toán trường sóng, dòng chảy, vận chuyển trầm tích, diễn biến địa hình đáy; b) Đã được kiểm nghiệm thực tế ở nhiều quốc gia trên thế giới [3]; c) Giao diện thân thiện, dễ sử dụng và tương thích với nhiều phần mềm GIS khác. 4.1. Thiết lập mô hình * Miền tính và lưới tính Miền tính được xác định từ khoảng vĩ độ 16º58’ N - 17º4’ N , kinh độ 107º3’ E - 107º10’ E, từ cầu Hiền Lương đến cầu Tùng Luật và từ cầu Tùng Luật ra biển cách bờ khoảng 3,5 km (hình 3). Để tính toán các trường thủy động lực và sau đó đánh giá tác động công trình đến bức tranh thủy động lực khu vực cửa sông ven bờ Bến Hải, Quảng Trị trên cơ sở các tài liệu địa hình đã có, nghiên cứu này đã lựa chọn lưới phần tử hữu hạn với độ phân giải thay đổi tăng dần từ ngoài biển vào sát bờ và cao nhất xung quanh các công trình. Trong toàn miền diện tích của phần tử lớn nhất là 100000 m2, nhỏ nhất là 100 m2, góc nhỏ nhất 23º; vùng tính toán được rời rạc hóa thành 10767 phần tử với 5717 nút lưới, độ phân giải thô nhất ở vùng ngoài khơi khoảng 400m, mịn nhất vùng gần bờ và các công trình khoảng 20m. Mỗi kịch bản tính toán về sự tồn tại hay không tồn tại công trình sử dụng một lưới tính khác nhau và hình 3 minh họa một ví dụ về lưới tính với trường hợp hiện trạng (có cả cụm công trình cầu - kè - cảng). * Điều kiện biên Ba mô đun HD, SW và ST có thể tính toán riêng rẽ theo từng mục đích, tuy nhiên trong bài này sử dụng kết quả mô hình FM liên hợp, tức là tính toán trường thủy động lực có xét đến tác động sóng, đồng thời với mô hình vận chuyển trầm tích và biến đổi đáy. Như vậy mô hình sóng được tính trước tiên với 3 hướng chính NE, E và SE. Để tiết kiệm thời gian tính toán, sóng được coi phát triển hoàn toàn và ổn định trong suốt thời gian tính (ứng suất bức xạ không đổi theo thời gian). Đối với tính toán sóng, sử dụng điều kiện biên là độ cao, chu kỳ và hướng sóng tại biên phía biển, tại biên phía bắc và nam là điều kiện đối xứng. Trong tính toán mực nước và dòng chảy sử dụng điều kiện biên tại Bến Hải là mực nước hoặc lưu lượng, tại phía biển là các hằng số điều hòa thủy triều của 8 sóng theo bản đồ đồng triều toàn cầu.. Điều kiện biên đối với trầm tích lơ lửng là cân bằng nồng độ, tham số trầm tích đáy lựa chọn là d50 = 0.27mm, độ chọn lọc cát là 1.4 [1]. 4.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với tài liệu đo đạc dòng chảy và mực nước tại hai điểm trong vùng nghiên cứu (1 điểm trong vùng biển ven bờ K1 và 1 điểm trong vùng cửa sông K2, gần khu cảng cá) với chuỗi số liệu từ ngày N.T. Sáo và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 435‐442 439 12-18/8/2009 và từ ngày 21-28/4/2010. Kết quả tính toán mô phỏng khá tốt đối với mực nước, nhưng chưa tốt lắm đối với vận tốc. Mặc dù vậy xu thế, dáng điệu và sự trùng pha tương đối phù hợp với thực đo cho phép đánh giá mô hình được thiết lập với bộ thông số đã hiệu chỉnh là đáng tin cậy và có thể sử dụng cho tính toán các kịch bản tiếp theo. Các kết quả tính toán dưới đây ứng với trường hợp 12-18/8/2009, các hình 4, 5, 6. Hình 5. So sánh lưu tốc đo và tính toán tại K2. -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 12/8/2009 12:00 AM 14/8/2009 12:00 AM 16/8/2009 12:00 AM 18/8/2009 12:00 AM Time H (m ) Obs. Cal. 5. Đánh giá tác động các công trình Trước hết cần nhận định rằng trong khu vực nghiên cứu, trường thủy động lực do sông và thủy triều không đáng kể so với trường sóng. Biên độ thủy triều chỉ khoảng 45cm, dòng chảy sông trung bình khoảng 20m3/s, trong khi độ cao sóng có nghĩa xấp xỉ 3m tại ranh giới phía đông khu vực ngiên cứu Hình 6. So sánh mực nước đo và tính toán tại K2. Mặc dù điều kiện sóng tại Cồn Cỏ rất đa dạng, tuy nhiên Cồn Cỏ ở xa khu vực nghiên cứu khoảng 34km, do đó cần lấy sóng Cửa Tùng với ba hướng sóng cơ bản là NE, E và SE. Hình hoa sóng tại Cồn Cỏ và Cửa Tùng dưới đây cho thấy điều đó, lấy tháng 9-12 làm đại diện (hình 7), các tháng khác xu thế cũng tương tự Để làm cơ sở so sánh và đánh giá tác động của các công trình, ngoài việc tính toán với điều kiện hiện trạng cụm công trình (cầu-kè-cảng) để kiểm định mô hình ở trên, cần có kịch bản nền ứng với điều kiện tự nhiên khi chưa có các công trình. Hình 4. So sánh lưu tốc đo và tính toán tại K1. N.T. Sáo và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 435‐442 440 Hình 7. Hoa sóng tại Cồn Cỏ và Cửa Tùng trong các tháng 9-12. Trước đây trong tình trạng tự nhiên, khu vực cảng cá là một eo biển kín gió, được một cồn cát lớn nằm phía ngoài che chắn sóng biển. Khi thực hiện dự án, con người đã có những tác động đáng kể đến địa hình đáy khu vực nghiên cứu do vậy nghiên cứu này đã sử dụng tài liệu địa hình 2000 [4,5] để làm kịch bản nền. Ngoài ra, trên cơ sở các tài liệu về địa hình hiện trạng và kích thước, hình dạng các công trình, thêm 3 kịch bản tính toán đươc thiết lập bao gồm: a) Kịch bản 1: địa hình 2010 + cảng cá; b) Kịch bản 2: địa hình 2010 + cảng + cầu; c) Kịch bản 3: địa hình 2010 + cầu + kè + cảng. Mỗi kịch bản tính toán được thực hiện đầy đủ cả 3 mô đun HD, SW và ST, ứng với các hướng sóng thịnh hành là Đông Bắc, Đông và Đông Nam. Tuy nhiên trong giới hạn của bài báo chỉ trình bày minh họa kết quả tính toán trường dòng chảy trong khu vực nghiên cứu ứng với trường hợp sóng Đông Nam (hình 8-11). Việc xây dựng cảng cá với các tác động trực tiếp đến bar cát chắn cửa sông chắc chắn sẽ mang lại nhiều thay đổi bức tranh thủy động lực. Các phân tích dựa trên kết quả tính toán với điều kiện địa hình 2000 và 2010 cho thấy, cảng cá đã làm tăng đáng kể bề rộng mặt cắt ngang cửa, nhưng cũng làm thu hẹp một phần phía thượng lưu, dẫn đến thay đổi rõ nét về dòng chảy trong khu vực, đặc biệt, trục động lực cửa sông lệch dần sang phải nếu nhìn ra biển. Cửa sông được mở rộng nên tạo cơ hội thuận lợi hơn cho các trao đổi giữa hai thủy vực sông – biển đồng thời tạo nên các xoáy cục bộ vùng lân cận cửa làm tăng khả năng lắng đọng các hạt trầm tích lơ lửng. Hình 8. Trường dòng chảy sóng Đông Nam trường hợp chưa có công trình. N.T. Sáo và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 435‐442 441 Hình 9. Trường dòng chảy sóng Đông Nam kịch bản 1. Hình 10. Trường dòng chảy trong sóng Đông Nam kịch bản 2. Hình 11. Trường dòng chảy trong sóng Đông Nam kịch bản 3. Mặt khác, sau khi xây dựng cầu đã làm cho mặt cắt sông bị thu hẹp lai và kết hợp với các trụ cầu đã làm thay đổi hướng của dòng chảy và tạo lên các xoáy cục bộ phía sau trụ cầu. Mặc dầu vậy không quan sát thấy sự gia tăng đáng kể về vận tốc giữa các trụ cầu do ảnh hưởng của dòng chảy sông trong khu vực không lớn và do vậy các trụ cầu cũng không gây hiện tượng bồi lắng hay xói lở sau cầu. Ngược lại đối với trường sóng, sự xuất hiện các trụ cầu và mố cầu đã cản trở sự lan truyền của sóng vào phía trong sông, sóng gần như tắt hẳn ngay phía thượng lưu cầu Tùng Luật. Công trình kè (đê chắn cát) phía nam tác động mạnh mẽ đến cả hướng sóng và dòng chảy. Do hướng vuông góc với bờ, kè phía Nam đã có tác dụng chắn toàn bộ sóng Đông Nam, tạo nên vùng khuất sóng phía trong cửa. Đồng thời với việc chắn sóng, kè cũng có tác dụng ngăn dòng chảy do sóng dọc bờ hướng từ phía Nam lên phía Bắc và kết quả phân tích cho thấy kè đã giữ lại một lượng lớn cát ở phía Nam và N.T. Sáo và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 435‐442 442 do đó đã hạn chế hiện tượng bồi lấp luồng trong mùa sóng Đông Nam. Tuy vậy, kè cũng làm xuất hiện một số xoáy cục bộ và làm tán xạ sóng khiến cho sóng đi thẳng vào mố cầu phía Nam, có thể gây hiện tượng sạt lở mố cầu trong mùa sóng Đông Bắc. Mặt khác, kè cũng có tác dụng đẩy dòng chảy sóng dọc bờ ra xa hơn, khiến cho nguồn bùn cát phía Nam ít có cơ hội tiếp cận cửa và bãi biển phía bắc Cửa Tùng. Đó cũng có thể là một phần nguyên nhân của hiện tượng thiếu hụt nguồn trầm tích bãi biển phía bắc, làm mất cân bằng cán cân bùn cát và gây hiện tượng xói lở bãi biển Kết luận Qua phân tích tài liệu và kết quả tính toán, trường thủy động lực trong khu vực đã có những thay đổi mạnh mẽ khi có sự xuất hiện của các công trình. Tuy nhiên, các công trình khác nhau có những tác động khác nhau trong đó tác động của công trình cầu ít rõ nét trong khi tác động của đê chắn cát và việc xây dựng cảng cá là khá rõ ràng. Đây chính là những nguyên nhân dẫn tới những biến đổi bất thường về mặt hình thái trong khu vực. Nghiên cứu này đặt cơ sở cho việc nghiên cứu đề xuất các biện pháp giảm thiểu tác động bất lợi bảo vệ các nguồn tài nguyên trong khu vực phục vụ phát triển kinh tế xã hội bền vững. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Thọ Sáo, Nguyễn Minh Huấn, Ngô Chí Tuấn, Đặng Đình Khá (2010), Biến động trầm tích và diễn biến hình thái khu vực cửa sông ven bờ Cửa Tùng, Quảng Trị, Tạp chí Khoa học, ĐHQGHN, (đã nộp bản thảo tháng 8 năm 2010). [2] Cổng thông tin điện tử, UBND tỉnh Quảng Trị www.quangtri.gov.vn. [3] Danish Hydraulics Institute (DHI). “MIKE21. User’s Mannual”. 2007 [4] Báo cáo khảo sát địa hình-thủy văn. Công ty Tư vấn Xây dựng Cảng đường thủy, Hà Nội, 2000. [5] Báo cáo khảo sát địa chất công trình, Công ty Tư vấn Xây dựng Cảng đường thủy, Hà Nội, 2000. Assessment of structural impacts on hydrodynamic patterns in Ben Hai river mouth and coastal zones, Quang Tri province Nguyen Tho Sao1, Tran Ngoc Anh1, Nguyen Thanh Son1, Đao Van Giang2 1Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam 2Marine Center, General Service for Sea and Islands, MONRE This paper describes the scientific researches of structural simpacts on hydrodynamic conditions in Ben Hai river mouth and Cua Tung beach, Quang Tri province. These hydrodynamic patterns were simulated by using MIKE 21 including hydrodynamics (HD), spectral wave (SW) and sand transport (ST) modules. The research results may take a part in analysis of the reasons leading to beach erosion and deposition in the study region. It may be served as the good information for planning and proposing the suitable training measures for social economical sustainable development.