TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------------------------------- DƢƠNG NGỌC TIẾN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN PHÂN TÍCH XU THẾ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỔI ĐƢỜNG BỜ, ĐÁY KHU VỰC CỬA SÔNG ĐÁY BẰNG MÔ HÌNH MIKE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2012 TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------------------------------- DƢƠNG NGỌC TIẾN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN PHÂN TÍCH XU THẾ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BIẾN ĐỔI ĐƢỜNG BỜ, ĐÁY KHU VỰC CỬA SÔNG ĐÁY BẰNG MÔ HÌNH MIKE Chuyên ngành : Hải dƣơng học Mã số : 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Thọ Sáo HÀ NỘI – 2012 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ......................... 3 1.1. Điều kiện tự nhiên ............................................................................................. 3 1.1.1. Địa hình, địa chất địa mạo ........................................................................... 3 1.1.2. Chế độ khí hậu ............................................................................................ 3 1.1.2.1. Bức xạ nhiệt .......................................................................................... 3 1.1.2.2. Lƣợng mƣa ........................................................................................... 4 1.1.2.3. Gió ven biển.......................................................................................... 4 1.1.3. Chế độ thủy văn .......................................................................................... 5 1.1.4. Chế độ hải văn ............................................................................................ 6 1.1.4.1. Sóng, thủy triều và xâm nhập mặn ........................................................ 6 1.1.4.2. Dòng chảy vùng cửa sông, ven biển ...................................................... 7 1.2. Hiện trạng bồi lắng và xói lở ............................................................................. 7 1.2.1. Giai đoạn trƣớc năm 1989 ........................................................................... 8 1.2.2. Giai đoạn 1989-1995 ................................................................................... 8 1.2.3. Giai đoạn 1995-nay ..................................................................................... 8 1.3. Cảng trên sông Đáy và kế hoạch nạo vét luồng ............................................... 11 CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................... 14 2.1. Tổng quan về quá trình động lực và vận chuyển bùn cát vùng bờ .................... 14 2.1.1. Sóng .......................................................................................................... 15 2.1.2. Dòng chảy ................................................................................................. 16 2.1.3. Vận chuyển bùn cát vùng ven bờ ............................................................... 17 2.2. Tổng quan các yếu tố ảnh hưởng đến xói lở, bồi tụ và diễn biến đường bờ ...... 20 2.3. Tổng quan các phương pháp nghiên cứu về thủy động lực, vận chuyển bùn cát, dịch chuyển đường bờ...................................................................................... 22 2.3.1. Phƣơng pháp điều tra cơ bản ..................................................................... 23 2.3.2. Phƣơng pháp phân tích ảnh viễn thám và GIS. .......................................... 24 2.3.3. Phƣơng pháp phóng xạ hạt nhân ................................................................ 26 2.3.4. Phƣơng pháp mô hình vật lý. ..................................................................... 27 2.3.5. Phƣơng pháp mô hình toán ........................................................................ 27 2.4. Lựa chọn phương pháp nghiên cứu ................................................................. 31 2.5 Cơ sở lý thuyết các mô hình thủy thạch động lực .............................................. 34 2.5.1. Mô hình MIKE 11 ..................................................................................... 34 2.5.1.1. Giới thiệu chung ................................................................................. 34 2.5.1.2. Mô đun HD ......................................................................................... 34 2.5.1.3. Mô đun AD ......................................................................................... 38 2.5.2. Mô hình MIKE 21 ..................................................................................... 39 i 2.5.2.1. Mô hình tính sóng MIKE 21 SW ......................................................... 39 2.5.2.2. Mô hình tính thủy lực Mike 21FM HD................................................ 41 2.5.2.3. Mô hình tính vận chuyển trầm tích MIKE 21 ST ................................. 44 2.5.3. Mô hình LITPACK ................................................................................... 46 2.5.3.1. Khái quát về mô hình Litpack ............................................................. 46 2.5.3.2. Các mô đun trong Litpack ................................................................... 47 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN CÁC QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH VÀ BỒI TỤ, XÓI LỞ ...................................................................................................... 50 3.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 50 3.2. Xây dựng bộ số liệu cơ sở cho mô hình............................................................ 51 3.2.1. Địa hình, miền tính, lƣới tính .................................................................... 51 3.2.2. Điều kiện biên ........................................................................................... 52 3.2.3. Các thông số khác ..................................................................................... 52 3.3. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình ................................................................ 53 3.3.1. Mô hình MIKE 11 ..................................................................................... 53 3.3.2. Mô hình tính sóng MIKE 21 SW ............................................................... 54 3.3.3. Mô hình thủy lực MIKE 21 FM................................................................. 55 3.4. Các kết quả trong nghiên cứu .......................................................................... 57 3.4.1. Phân tích xu thế vận chuyển trầm tích ....................................................... 57 3.4.1.1. Mô phỏng thủy lực .............................................................................. 58 3.4.1.2. Mô phỏng phân bố trầm tích ............................................................... 60 3.4.1.3. Nhận xét ............................................................................................. 64 3.4.2. Tính toán xu thế biến động bùn cát dài hạn có xét đến dâng cao mực nƣớc biển và mô hình hóa quá trình phát triển cửa Đáy ............................................... 66 3.4.2.1. Kịch bản nƣớc biển dâng cho khu vực cửa Đáy ................................... 66 3.4.2.2. Cập nhật mực nƣớc biển dâng trong mô hình ...................................... 67 3.4.2.3. Lƣu lƣợng dòng chảy sông .................................................................. 68 3.4.2.4. Kết quả ............................................................................................... 69 3.4.3. Tính toán biến đổi đƣờng bờ có xét đến dâng cao mực nƣớc biển do biến đổi khí hậu .......................................................................................................... 75 3.4.3.1. Điều kiện tính toán .............................................................................. 75 3.4.3.2. Bộ thông số đầu vào ............................................................................ 75 3.4.3.3. Kết quả tính toán ................................................................................. 79 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 84 ii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tần suất (%) của các hƣớng gió và lặng gió (%) trạm Văn Lý (20 07’N;106018’E) ................................................................................................. 5 0 Bảng 1.2. Xác suất của tốc độ gió theo các cấp tốc độ (tính bằng % của tổng số trƣờng hợp) trạm Văn Lý (20007’N;106018’E)..................................................... 5 Bảng 1.3. Độ cao trung bình h(m) hàng trên, độ cao H1% hàng dƣới, chu kỳ trung bình  (s) của sóng và tốc độ gió V(m/s) tại trạm Văn Lý (20007’N;106018’E). ..................................................................................................... 6 Bảng 3.1. Một số thông số sử dụng trong mô hình MIKE 21 FM và MIKE 21 ST ................................................................................................... 55 Bảng 3.2. Mực nƣớc biển dâng theo các kịch bản phát thải cho khu vực Cửa Đáy (cm) ................................................................................................... 66 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Biểu đồ phân phối lƣợng mƣa năm trạm Văn Lý ........................... 4 Hình 1.2. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy Năm 1989 ..................................... 10 Hình 1.3. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2001 ..................................... 10 Hình 1.4. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2005 ..................................... 11 Hình 1.5. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2009 ..................................... 11 Hình 2.1. Những hệ thống vận chuyển bùn cát mở và đóng (US ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002) .......................................................................... 18 Hình 2.2. Sơ đồ biến đổi mặt cắt của một bãi biển do một cơn bão (US ARMY CORPS OF ENGINEERS, 2002) .............................................................. 20 Hình 2.3. Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott ................................... 36 Hình 2.4. Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t ................ 36 Hình 2.5. Nhánh sông với các điểm lƣới xen kẽ .......................................... 36 Hình 2.6. Cấu trúc các điểm lƣới xung quanh điểm nhập lƣu ...................... 37 Hình 2.7. Cấu trúc các điểm lƣới trong mạng vòng ..................................... 37 Hình 2.8. Các thành phần theo phƣơng x và y............................................. 44 Hình 2.9. Các mô đun trong mô hình Litpack ............................................. 46 Hình 3.1. Các bộ thông số và các mô hình toán cơ bản sử dụng trong nghiên cứu 50 Hình 3.2. Địa hình khu vực nghiên cứu ...................................................... 51 Hình 3.3. Minh họa lƣới tính sử dụng trong mô phỏng ............................... 52 Hình 3.4. So sánh nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Nhƣ Tân trên sông Đáy 54 Hình 3.5. Độ cao và hƣớng sóng đặc trƣng cho các tháng trong năm .......... 54 Hình 3.6. Vị trí các điểm hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình.................... 55 Hình 3.7. So sánh mực nƣớc thực đo và tính toán tại điểm HC (trạm đo Ninh Cơ;106012’7.14”E, 2001’26.49”N) ........................................................................ 56 iii Hình 3.8. So sánh mực nƣớc tính toán bằng mô hình và tính toán từ bộ hằng số điều hòa tại điểm KN1 (106035’E, 20013’N) ...................................................... 56 Hình 3.9. So sánh mực nƣớc tính toán bằng mô hình và tính toán từ bộ hằng số điều hòa tại điểm KN2 (106006’E, 19055’N) ..................................................... 57 Hình 3.10. So sánh mực nƣớc tính toán bằng mô hình và tính toán từ bộ hằng số điều hòa tại điểm KN3 (105056’E, 19051’N).............................................. 57 Hình 3.11. Biến trình lƣu lƣợng qua mặt cắt tại trạm Nhƣ Tân trên sông Đáy năm 2010 ................................................................................................. 58 Hình 3.12. Biến trình lƣu lƣợng qua mặt cắt tại trạm Phú Lễ trên sông Ninh Cơ năm 2010 ................................................................................................. 59 Hình 3.13. Biến trình lƣu lƣợng qua mặt cắt tại trạm Ba Lạt trên sông Hồng năm 2010 ................................................................................................. 59 Hình 3.14. Mực nƣớc tính toán lúc 0h ngày 15 tháng 8 năm 2010 .............. 60 Hình 3.15. Mực nƣớc tính toán lúc 0h ngày 15 tháng 1 năm 2010 .............. 60 Hình 3.16. Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Nhƣ Tân năm 2010 . .................................................................................................. 61 Hình 3.17. Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Phú Lễ năm 2010 61 Hình 3.18. Biến trình nồng độ trầm tích tại mặt cắt trạm Ba Lạt năm 2010 . 61 Hình 3.19. Biến đổi đáy lúc 0h ngày 1-6-2010 (thời điểm đầu mùa mƣa) ... 62 Hình 3.20. Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 1-6-2010 (thời điểm đầu mùa mƣa) ................................................................................................. 62 Hình 3.21. Biến đổi đáy lúc 0h ngày 1-10-2011 (thời điểm cuối mùa mƣa) 63 Hình 3.22. Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 1-10-2011(thời điểm cuối mùa mƣa) ................................................................................................. 63 Hình 3.23. Biến đổi đáy lúc 0h ngày 31-12-2010 (sau 1 năm tính toán) ...... 64 Hình 3.24. Địa hình đáy biển tại thời điểm 0h ngày 31-12-2010 (sau 1 năm tính toán) ................................................................................................. 64 Hình 3.25. Kịch bản mực nƣớc biển dâng tại khu vực cửa Đáy................... 67 Hình 3.26. Biến trình lƣu lƣợng dòng chảy qua mặt cắt các trạm trong 20 năm .................................................................................................. 69 Hình 3.27. Biến trình mực nƣớc tính toán tại điểm gần cửa Đáy (10605’E; 19050’N) ................................................................................................. 70 Hình 3.28. Địa hình khu vực cửa Đáy ban đầu............................................ 70 Hình 3.29. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 1 năm tính toán ................................................................................................. 71 Hình 3.30. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 2 năm tính toán ................................................................................................. 71 Hình 3.31. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 3 năm tính toán ................................................................................................. 71 Hình 3.32. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 4 năm tính toán ................................................................................................. 72 Hình 3.33. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 5 năm tính toán ................................................................................................. 72 iv Hình 3.34. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 10 năm tính toán .................................................................................................. 72 Hình 3.35. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 15 năm tính toán ................................................................................................. 73 Hình 3.36. Địa hình (a) và mức độ biến đổi địa hình (b) đáy sau 20 năm tính toán .................................................................................................. 73 Hình 3.37. Đƣờng bờ và đƣờng cơ sở ......................................................... 76 Hình 3.38. Đƣờng cơ sở, khu vực nghiên cứu (a) và biểu diễn đƣờng bờ năm 1989 (b) trên đƣờng cơ sở...................................................................................... 77 Hình 3.39. Phân bố mặt cắt địa hình và địa hình sử dụng trong nghiên cứu 78 Hình 3.40. So sánh đƣờng bờ tính toán bằng mô hình và đƣờng bờ trích ra từ số liệu vệ tinh năm 2001 ........................................................................................ 79 Hình 3.41. So sánh đƣờng bờ tính toán bằng mô hình và đƣờng bờ trích ra từ số liệu vệ tinh năm 2010 ........................................................................................ 79 Hình 3.42. Mức độ biến đổi đƣờng bờ khu vực Cửa Đáy giai đoạn từ năm 1990 tới năm 2001 (số liệu tính toán từ ảnh vệ tinh) .............................................. 80 Hình 3.43. Mức độ biến đổi đƣờng bờ khu vực Cửa Đáy giai đoạn từ năm 1990 tới năm 2010 (số liệu tính toán từ ảnh vệ tinh) .............................................. 80 Hình 3.44. Đƣờng bờ tính toán trong các mốc thời gian.............................. 81 v MỞ ĐẦU Tại Việt Nam, trong những năm gần đây do ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu toàn cầu, thiên tai ngày một gia tăng, đặc biệt là bão, kèm theo lũ lụt và nƣớc dâng do bão. Các thiên tai này, đã đang và sẽ gây ra những thiệt hại lớn về ngƣời và của. Vì vậy, vấn đề tính toán và dự báo các quá trình thủy động lực cũng nhƣ biến đổi đƣờng bờ và địa hình đáy có thể xảy ra cho từng khu vực là một trong những biện pháp tích cực nhằm phòng tránh, đề ra những giải pháp cần thiết để giảm tối thiểu thiệt hại. Sông Hồng là con sông lớn nhất của miền bắc Việt Nam, hằng năm đã mang phù sa làm giàu thêm cho đồng bằng sông Hồng. Các con sông của hệ thống sông Hồng đƣa bùn cát ra biển qua các cửa sông trong đó phải kể đến là 3 sông lớn: Sông Hồng chảy qua cửa Ba Lạt, sông Ninh Cơ và sông Đáy. Quá trình tƣơng tác giữa động lực sông – biển gây ra quá trình bồi tụ, lắng đọng và xói lở vùng ven biển. Khu vực cửa sông Đáy thuộc tỉnh Ninh Bình đang có những thay đổi đáng kể về quá trình bồi tụ và lắng đọng trầm tích. Ở đây mức độ bồi tụ đang diễn ra rất mạnh. Bồi tụ ven bờ và quá trình lấn biển làm tăng thêm diện tích đất tự nhiên nhƣng cũng có ảnh hƣởng nhất định đến chế độ động lực và khả năng thoát lũ ở các sông. Bên cạnh đó, hiện tƣợng nƣớc biển dâng đã và đang ảnh hƣởng sâu sắc tới Việt Nam nói chung và tỉnh ven biển Ninh Bình nói riêng. Nƣớc biển dâng có thể dẫn đến những hậu quả rất lớn đối với sinh kế và sự thịnh vƣợng của cƣ dân ở những vùng này. Những vùng đất có giá trị cao có thể sẽ bị mất. Các đầm tôm, cua có thể bị di dời và các ngƣ trƣờng ven biển có thể biến mất. Những vùng không ngập mặn thƣờng xuyên ở khu vực lận cận có thể bị ảnh hƣởng và không còn phù hợp cho sản xuất nông nghiệp. Sự đa dạng của các hệ động thực vật ven biển tại khu vực cửa sông ven biển có thể bị suy giảm. Rừng ngập mặn –hệ sinh thái quan trọng ở vùng cửa sông, ven biển - có thể bị giảm về quy mô hoặc hoàn toàn biến mất, v.v. 1 Hiện nay, phƣơng pháp mô hình toán đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực quản lý tài nguyên và môi trƣờng. Đây là phƣơng pháp hiện đại, phát triển mạnh trong mấy chục năm trở lại đây ở nƣớc ta cũng nhƣ trên thế giới. Việc áp dụng phƣơng pháp này đòi hỏi kiến thức liên ngành của nhiều chuyên gia và phải qua nhiều bƣớc nhƣ lựa chọn, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh xác định thông số của mô hình và cuối cùng là ứng dụng mô hình để đánh giá, dự báo. Các mô hình toán ngày càng chứng tỏ là một công cụ mạnh và đắc lực bởi khả năng cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, phạm vi ứng dụng rộng, dễ dàng thay đổi các kịch bản bài toán, nhất là trong việc tính toán, mô phỏng các hệ thống lớn. Ở Việt Nam, mô hình số trị đã và đang đƣợc áp dụng rộng rãi trong thực tiễn nghiên cứu và tính toán dự báo thủy động lực và môi trƣờng biển, trong đó có tính toán vận chuyển bùn cát và biến động đƣờng bờ. Trong nghiên cứu này, đã sử dụng bộ mô hình MIKE của viện thủy lực Đan Mạch để mô phỏng, đánh giá và dự báo chế độ thủy động lực cũng nhƣ xói lở, bồi tụ và quá trình biến đổi đƣờng bờ tại khu vực cửa sông Đáy thuộc tỉnh Ninh Bình. 2 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1. Điều kiện tự nhiên 1.1.1. Địa hình, địa chất địa mạo Về mặt địa hình, khu vực ven biển Cửa Đáy tƣơng đối bằng phẳng, hơi nghiêng về phía biển, độ dốc nhỏ, dao động từ 0,04 đến 0,05 m/km. Độ cao trung bình vùng ven biển khu vực nghiên cứu dao động từ 0 đến 2 m. Với các hệ thống đê quai lấn biển đã làm nên các khu vực có địa hình tƣơng đối thấp. Về mặt địa chất - địa mạo, khu vực Cửa Đáy nằm trong khu vực đồng bằng Sông Hồng (ĐBSH) nên các đặc tính địa chất địa mạo mang đặc tính chung của khu vực đồng bằng Sông Hồng, toàn bộ khu vực nằm trên đới sụt lún thuộc trũng Sông Hồng, có các đứt gẫy kiến tạo quan trọng chi phối là các đứt gẫy sông Hồng, sông Chảy, sông Lô và các đứt gẫy nhỏ hơn nhƣ Vĩnh Ninh, Thái Bình. Quá trình sụt lún ở châu thổ đƣợc bù đắp bởi lƣợng phù sa dồi dào. Tốc độ sụt lún trong Đệ tứ đƣợc xác định là 0,12 mm/năm ở vùng đông bắc và 0,06 mm/năm ở rìa tây nam. Trong đới cấu trúc võng sụt lún, các móng đá gốc thể hiện rất ít trên bề mặt đồng bằng (dạng đồi núi sót), hầu hết bị chôn vùi dƣới lớp phủ của các lớp trầm tích từ Neogen đến Đệ tứ. Lớp trầm tích Holocen rất đa dạng về thành phần và nguồn gốc; trầm tích Holocen thƣợng (Q23) có tuổi trẻ nhất (cách đây 3000 năm) phân bố rộng rãi ở ĐBSH, bao gồm cát, bột, bột sét, bùn sét. Sau Holocen muộn là giai đoạn phát triển châu thổ hiện đại, chịu ảnh hƣởng rất lớn bởi các hoạt động của con ngƣời, trong đó có việc đắp đê ngăn lũ đã làm mất mối trao đổi phù sa giữa sông và đồng bằng, làm cho bề mặt ĐBSH vốn chƣa đƣợc bồi đầy lại có thêm nhiều ô trũng. 1.1.2. Chế độ khí hậu Khu vực cửa Đáy chịu ảnh hƣởng của hai hệ thống gió mùa đông bắc và gió mùa tây nam có tính chất đối ngƣợc nhau. 1.1.2.1. Bức xạ nhiệt 3 Khu vực nghiên cứu nằm trong miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, với lƣợng bức xạ tổng cộng trung bình năm khoảng 105 - 120 Kcal/cm2 và có số giờ nắng thuộc loại trung bình, đạt khoảng 1600 - 1750 giờ/năm, trong đó tháng VII có số giờ nắng nhiều nhất đạt 200 - 230 giờ/tháng và tháng II, III có số giờ nắng ít nhất khoảng 25 - 45 giờ/ tháng. Chế độ nắng cũng giống nhƣ chế độ nhiệt, nó ảnh hƣởng đến tốc độ và dạng phân huỷ các hợp chất hữu cơ và nồng độ ôxy hoà tan trong nƣớc. Nhiệt độ không khí trung bình: 22,2 - 23,60 C; tháng 7 có nhiệt độ cao nhất (28,2 - 29,40 C) và tháng 1 thấp nhất (14,7 - 16,80 C). 1.1.2.2. Lượng mưa Lƣợng mƣa hàng năm dao động từ 1520 đến 1850 mm. Mùa mƣa bắt đầu từ cuối tháng IV và kết thúc vào tháng X, chiếm 82¸90% lƣợng mƣa cả năm. Mƣa lớn tập trung vào hai tháng VII-VIII. Lƣợng mƣa ngày lớn nhất đạt tới 350¸500 mm. 450 XTBNN (mm) 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Hình 1.1. Biểu đồ phân phối lượng mưa năm trạm Văn Lý 1.1.2.3. Gió ven biển Mùa đông gió có hƣớng thịnh hành là đông bắc, tần suất đạt 60 - 70%. Mùa hè các tháng V, VI, VII hƣớng gió ổn định, thịnh hành là đông và đông nam, tần suất đạt khoảng 60 - 70%. Tháng VIII hƣớng gió phân tán, hƣớng thịnh hành nhất cũng chỉ đạt tần suất 20 - 25%. Các tháng chuyển tiếp hƣớng gió không ổn định, tần suất mỗi hƣớng thay đổi trung bình từ 10 - 15%. Tốc độ gió trung bình thay đổi từ 3 - 4,5 m/s, tốc độ gió lớn nhất đạt 30 - 40 m/s (thƣờng là trong dông hoặc bão). 4 Bảng 1.1. Tần suất (%) của các hướng gió và lặng gió (%) trạm Văn Lý (20007’N;106018’E) Tháng N NE E SE S SW W NW Lặng I 33.1 10.8 22.9 9.5 5.3 0.8 11.6 6.0 IV 4.8 7.2 32.0 28.7 19.2 1.0 0.8 1.8 4.5 VII 2.4 2.1 4.8 22.9 36.4 13.7 4.7 3.2 11.0 X 30.3 11.9 16.9 9.2 6.0 0.5 1.4 12.9 10.8 Năm 19.6 7.9 19.7 17.3 16.6 4.0 1.4 7.4 8.0 Nguồn : Sổ tay tra cứu các đặc trưng KTTV vùng thềm lục địa Việt Nam, 2000. Bảng 1.2. Xác suất của tốc độ gió theo các cấp tốc độ (tính bằng % của tổng số trường hợp) trạm Văn Lý (20007’N;106018’E) Tốc độ gió Tháng 10- 12- 14- 16- 18- 21- 25- 29- 35- 0-1 2-3 4-5 6-7 8-9 >40 11 13 15 17 20 24 28 34 40 I 100 78.0 43.0 20.2 4.2 1.1 IV 100 79.0 44.0 20.8 4.4 1.2 VII 100 75.0 50.0 34.3 19.5 6.1 3.0 2.5 1.1 0.7 0.07 0.07 X 100 70.0 37.5 23.2 7.2 2.0 Năm 100 74.0 39.5 23.6 9.0 2.5 1.0 0.5 0.2 0.1 0.03 0.02 0.01 0.06 Nguồn : Sổ tay tra cứu các đặc trưng KTTV vùng thềm lục địa Việt Nam, 2000. 1.1.3. Chế độ thủy văn Sông Đáy là con sông chính của tỉnh Ninh Bình, là một phân lƣu của sông Hồng, nhận nƣớc của sông Hồng ở địa phận Hà Nội. Sông Đáy có chế độ dòng chảy phức tạp do ở thƣợng lƣu đã bị chia cắt bởi sông Hồng, lại chịu ảnh hƣởng của các sông nội địa và đoạn hạ lƣu chịu ảnh hƣởng của thủy triều. Dòng chảy sông Đáy có hai mùa với thời gian dài gần nhƣ nhau nhƣng lƣu lƣợng rất chênh lệch. Mùa mƣa dài gần 6 tháng (từ tháng VI đến đầu tháng XI), chiếm 75,80% lƣợng nƣớc cả năm. Mùa kiệt dài hơn 6 tháng (từ cuối tháng XI đến tháng V năm sau), chiếm dƣới 25% lƣợng nƣớc trong năm. Vào mùa kiệt tốc độ 5 dòng chảy nƣớc sông dao động khoảng 0,2-0,4 m/s. Trong mùa mƣa, dòng chảy sông ngòi lấn át dòng triều nên chỉ có một hƣớng chảy từ sông ra biển. 1.1.4. Chế độ hải văn 1.1.4.1. Sóng, thủy triều và xâm nhập mặn Vào mùa đông (từ tháng XI - III năm sau), hƣớng sóng chính ngoài khơi là hƣớng Đông Bắc với tần suất 51,7%. Tuy nhiên, do ảnh hƣởng bởi địa hình có hƣớng Đông Bắc - Tây Nam, vùng ven bờ khu vực cửa Đáy thịnh hành sóng hƣớng sóng Đông và Đông Nam. Vào mùa hè (từ tháng VI - IX), hƣớng sóng nam thịnh hành ngoài khơi chiếm 37,60% và vùng ven biển là các hƣớng sóng Đông Nam chiếm 24% và Nam chiếm 20%. Về mặt độ lớn, sóng trong mùa hè có độ cao lớn hơn trong mùa đông, do chịu ảnh hƣởng mạnh của bão và áp thấp nhiệt đới. Độ cao sóng ven bờ lớn nhất tới 4-5 m và ở ngoài khơi là 9-10 m. Bảng 1.3. Độ cao trung bình h(m) hàng trên, độ cao H1% hàng dưới, chu kỳ trung bình  (s) của sóng và tốc độ gió V(m/s) tại trạm Văn Lý (20007’N;106018’E). Các đặc Tháng trong năm trƣng X-I II-IV V-VII VIII-X Năm Suất h h h h h đảm bảo H 1%  V H 1%  V H 1%  V H 1%  V H 1%  V chế độ 50 0.4 3.0 3.5 0.4 3.0 3.5 0.5 3.5 4.0 0.5 3.5 4.0 0.5 3.5 4.0 năm 0.8 0.8 1.0 1.0 1.0 20 0.5 3.5 5.5 0.6 3.5 5.5 0.8 4.0 6.0 0.7 4.0 6.0 0.7 4.0 7.0 năm 1 1.2 1.6 1.4 1.4 5 0.8 4.0 7.5 0.9 4.0 7.5 1.1 4.4 9.0 1.1 4.4 9.0 1.0 4.4 10.0 năm 1.7 1.8 2.2 2.2 2.2 1 1.0 4.3 10 1.1 4.4 10.5 1.5 5.5 12.0 1.5 5.5 13.0 1.5 5.5 14.5 năm 2.1 2.3 3.0 3.0 3.0 Nguồn: Sổ tay tra cứu các đặc trưng KTTV vùng thềm lục địa Việt Nam (2000) Chế độ triều: Khu vực cửa Đáy là khu vực có chế độ nhật triều đều điển hình với 1 lần nƣớc lên và 1 lần nƣớc xuống trong ngày với biên độ triều dao động khá 6 lớn, từ 1,0 - 2,0 m. Với độ lớn nhƣ vậy, vào thời kỳ triều cƣờng, thủy triều gây ảnh hƣởng lớn đến khả năng tiêu thoát nƣớc thải, thoát lũ, tiêu úng của của sông. Xâm nhập mặn: trong mùa cạn, do lƣợng nƣớc trong sông đã giảm nhiều nên khi triều lên, xuất hiện hiện tƣợng nƣớc chảy ngƣợc từ biển vào trong sông, mang theo nƣớc mặn, càng vào sâu trong sông độ mặn càng giảm. 1.1.4.2. Dòng chảy vùng cửa sông, ven biển Dòng chảy tại khu vực này chịu chi phối bởi các thành phần tuần hoàn và phi tuần hoàn. Thành phần tuần hoàn bao gồm các loại dòng phát sinh do sóng thuỷ triều sinh ra, nhƣ dòng nhật triều, dòng bán nhật triều. Thành phần phi tuần hoàn gồm các thành phần hình thành do lũ trong sông, dòng dƣ sinh ra từ sóng, dòng sinh ra do gió thổi trên bề mặt. Vào mùa đông, dòng chảy tổng cộng ở vùng này chủ yếu là do sự đóng góp của dòng chảy gió và dòng triều. Vì vậy về mùa đông, dòng chảy ở vùng xem xét thƣờng có hƣớng dọc theo bờ, đó là hƣớng chủ đạo. Từ tháng XII đến tháng I, tại khu vực, xuất hiện chế độ dòng chảy ngƣợc chiều nhau. Ở vùng biển thoáng, dòng chảy có hƣớng bắc, trong khi đó tại ven bờ, tồn tại dòng ven có hƣớng từ bắc xuống nam do ảnh hƣởng của chế độ gió mùa đông bắc. Tốc độ dòng chảy tổng cộng thƣờng không lớn, vào khoảng 20-40cm/s. Vào mùa hè, bức tranh dòng chảy khác với mùa đông. Tốc độ dòng chảy vùng ngoài khơi và ven bờ chỉ khoảng 20-30cm/s. Tốc độ dòng chảy trong cửa sông cao hơn, đạt tới gần 100cm/s, thậm chí cao hơn trong thời kỳ mùa lũ do ảnh hƣởng mạnh bởi dòng chảy trong sông. 1.2. Hiện trạng bồi lắng và xói lở Vùng cửa Đáy có xu hƣớng bồi tụ mạnh nhờ có nguồn bồi tích rất dồi dào từ hệ thống sông Hồng và cửa sông nằm ở vùng bờ biển lõm, tránh đƣợc các hƣớng sóng chính có tác động mạnh. Khu vực cửa Đáy mặc dù có khối lƣợng bùn cát đƣa ra biển rất lớn nhƣng không tạo thành kiểu bồi tụ lấp đầy nối cồn nhƣ cửa Ba Lạt, Trà Lý hay Lạch Giang lý do cơ bản là hƣớng dòng chảy sông có hƣớng nam còn hƣớng đƣờng bờ có 7 hƣớng đông bắc. Tại khu vực này, ngoài lƣợng bùn cát đƣa ra từ sông Đáy, còn là nơi lắng đọng của dòng bùn cát dọc bờ đƣa xuống từ phía Đông Bắc từ sông Hồng (cửa Ba Lạt và cửa Ninh Cơ). Dòng bùn cát này bị ngăn lại bởi địa hình và chế độ dòng chảy của sông Đáy và lắng đọng lại ở ven bờ, lấp đầy khoảng trống giữa cửa Đáy và cồn ngầm ở phía ngoài. Vì vậy, bãi bồi tại khu vực Cửa Đáy có diện tích rất lớn và khoảng cách giữa cồn ngầm và bãi bồi phía trong hầu nhƣ không đáng kể. 1.2.1. Giai đoạn trước năm 1989 Cửa Đáy phát triển mạnh về phía biển và vùng bồi tụ diễn ra chủ yếu phía ven biển huyện Kim Sơn. Ở ven biển Kim Sơn, sau đợt quai đê Bình Minh-1 vào năm 1959 lấn ra biển tới 1100 ha đất mặn, đến năm 1980-1982 tiếp tục quai tuyến đê Bình Minh-2 có chiều dài 14,7 km và lấn biển tới 1932 ha đất mặn sú vẹt. Tính chung, ở ven biển Kim Sơn trong thời gian 25 năm (1965-1989) bãi bồi mở rộng ra biển 2000¸3400 ha với tốc độ lấn biển đạt 80 -136 m/năm và trung bình là 108 m/năm. Ngƣợc lại, vùng ven biển Nghĩa Hƣng có tốc độ phát triển chậm hơn, vùng bồi chỉ rộng 900-1800 m, tƣơng đƣơng tốc độ phát triển 37-76 m/năm và trung bình là 57 m/năm. Vùng bồi tụ ở cửa sông trong giai đoạn này hiện nay là địa phận các xã Kim Hải, Kim Tiến, Kim Trung, Kim Đông (huyện Kim Sơn) và xã Nam Điền (huyện Nghĩa Hƣng). 1.2.2. Giai đoạn 1989-1995 Đây là thời kỳ đầu nhà máy thủy điện Hòa Bình bƣớc vào hoạt động, có những thay đổi về chế độ dòng chảy và dòng bùn cát trong sông Hồng, nhƣng cửa Đáy vẫn tiếp tục phát triển mạnh nhờ nguồn bồi tích ven biển còn dồi dào và trong thời gian này ít có bão và áp thấp nhiệt đới tác động. Vùng bồi tụ diễn ra chủ yếu phía ven biển huyện Kim Sơn. Bãi bồi Kim Sơn lấn thêm ra biển 900 - 1800 m, tƣơng đƣơng tốc độ phát triển 150 - 300 m/năm, trung bình là 225 m/năm. Vùng bồi tụ mạnh là tiền đề cho việc quai tuyến đê Bình Minh-3. Phía ven biển Nghĩa Hƣng, vùng bồi tụ chủ yếu là các doi cát dọc cửa sông Đáy, nhƣng tốc độ diễn ra chậm hơn phía ven biển huyện Kim Sơn. 1.2.3. Giai đoạn 1995-nay 8 Các bãi bồi cửa Đáy tiếp tục phát triển và đƣa cửa sông kéo dài về phía biển. Ven biển huyện Nghĩa Hƣng hình thành bãi bồi lớn với diện tích rộng tới 670 ha là tiền đề của vùng đất mới trong tƣơng lai. Huyện Kim Sơn triển khai công cuộc quai đê lấn biển lần thứ 7 sau khi thành lập huyện vào năm 1829 với việc khởi công xây dựng tuyến đê Bình Minh-3 vào năm 2000; tuyến đê này có tổng chiều dài tới 15,5 km. Tốc độ phát triển bãi bồi phía huyện Kim Sơn đạt 100¸180 m/năm và trung bình là 140 m/năm. Bãi bồi ven biển huyện Nghĩa Hƣng phát triển nhanh hơn, đạt tốc độ 300 tới 350 m/năm. Trong thời gian này cửa Đáy phát triển kéo dài nhanh, ngoài các nhân tố tự nhiên thuận lợi còn có các hoạt động nhân tạo gia tăng, đó là việc đẩy mạnh trồng rừng ngập mặn và quai đê lấn biển. Một điểm đáng chú ý là vùng đất mới ở huyện Kim Sơn nằm giữa các tuyến đê Bình Minh-2 và đê Bình Minh-3 có cao độ rất thấp, trung bình 0,3 tới 0,6 m và đây là điều kiện bất lợi cho qui hoạch phát triển trong tƣơng lai trên vùng đất thấp ven biển tỉnh Ninh Bình. Các ảnh vệ tinh trong các thời gian khác nhau đƣợc đƣa ra trong các hình 1.2 đến 1.5 dƣới đây đƣa ra những hình ảnh cụ thể về sự biến đổi đƣờng bờ và quá trình bồi tụ tại khu vực Cửa Đáy trong thời gian từ năm 1989 đến 2009. 9 Hình 1.2. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy Năm 1989 Hình 1.3. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2001 10 Hình 1.4. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2005 Hình 1.5. Ảnh vệ tinh khu vực cửa Đáy năm 2009 1.3. Cảng trên sông Đáy và kế hoạch nạo vét luồng Khu vực cửa sông Đáy và phía trong sông thuộc địa phận tỉnh Ninh Bình hiện có 5 cảng hoạt động, trong đó ba cảng lớn là: Ninh Phúc, Tiên Hƣng, Kim Sơn 11 và hàng loạt nhà máy tại bảy khu công nghiệp, cụm công nghiệp của tỉnh. Cảng Ninh Phúc hiện là cảng sông có quy mô lớn nhất miền Bắc đồng thời là một trong những cảng nội địa lớn nhất Việt Nam. Cảng đảm bảo nhận tàu cỡ 3000 DWT cập bến, công suất đạt 2,5 triệu tấn/năm. Cảng nằm dọc bờ phải của sông Đáy thuộc các xã Ninh Phúc (thành phố Ninh Bình) và Khánh Phú, Khánh Hòa (Yên Khánh, Ninh Bình). Cảng Ninh Phúc có chiều dài hơn 3 km, chiều dài 1 bến là 500m, diện tích bến là 12,5 ha. Cảng Ninh Phúc nằm ở bờ trái sông Đáy, đảm bảo công tác vận tải đƣờng thủy các tuyến giao thông đƣờng thủy Cửa Đáy - Ninh Bình, Ninh Bình - Hà Nội, Ninh Bình - Nam Định - Hải Phòng - Quảng Ninh, Ninh Bình - Thanh Hóa. Gần Cảng Ninh Phúc là cảng Ninh Bình có công suất đạt 1,6 triệu tấn/năm, đảm bảo cho tàu biển trên 1.000 DWT ra vào thuận lợi. Cảng Ninh Phúc đƣợc xây dựng từ cuối năm 1995 với tổng giá trị 125 tỷ đồng. Ngày 27/6/2000 Cảng Ninh Phúc chính thức đƣa vào khai thác. Cảng đƣợc Bộ Giao thông vận tải quyết định công bố đƣợc tiếp nhận phƣơng tiện thuỷ nội địa, tàu biển Việt Nam và nƣớc ngoài có trọng tải đến 3.000 tấn. Ninh Phúc là một cảng hàng hoá nằm trên đầu mối giao thông thuỷ - bộ quan trọng tại khu vực rộng lớn phía Nam của các tỉnh Bắc bộ và phía Bắc của các tỉnh miền Trung thông qua tuyến sông Đáy ra biển Đông đi các tỉnh kéo dài từ Quảng Ninh tới Đà Nẵng và thông thƣơng với các nƣớc trong khu vực và quốc tế. Việc xuất hiện của hàng loạt các khu công nghiệp, hàng loạt nhà máy lớn ra đời nhƣ: Nhà máy xi măng Tam Điệp; xi măng Vinakansai; xi măng Hƣớng Dƣơng; xi măng Duyên Hà; xi măng Bỉm Sơn; xi măng Bút Sơn; nhà máy cán thép liên doanh Tam Điệp (công suất 120 tấn/năm); nhà máy phân lân nung chảy (công suất hiện tại khoảng 120 tấn/năm)... ; các cơ sở sản xuất gạch, ngói, hàng thủ công mỹ nghệ, chế biến nông - lâm sản xuất khẩu... là nguồn hàng đáng kể thông qua cảng hàng năm. Cùng với việc đầu tƣ xây dựng cảng Ninh Phúc, tuyến luồng giao thông đƣờng thuỷ trên sông Đáy, đặc biệt là cửa Đáy thông với biển cũng đƣợc nạo vét, cải tạo nâng cao độ sâu, lắp đặt hệ thống phao tiêu, báo hiệu, đèn báo cửa biển phục vụ tàu thuyền qua lại vào cảng một cách thuận lợi và an toàn. Vì vậy, lƣu lƣợng phƣơng tiện vận tải đƣờng biển ra, vào cảng làm hàng ngày càng tăng lên. 12 Theo kế hoạch của UBND tỉnh Ninh Bình thì dự án nạo vét luồng vào cửa Đáy đƣợc thực hiện từ năm 2008 tới 2015. Trong khuôn khổ của dự án trên, có cả việc nạo vét cửa Đáy, sông Đáy nhằm đảm bảo cho tàu 5.000 tấn ra vào cửa Đáy, sông Đáy thuận lợi mà không cần phải chờ đến thuỷ triều. Ngoài ra, theo nghị định 04/2011/NĐ-CP ngày 14/01/2011 của Chính phủ thì luồng dẫn của sông Đáy cũng sẽ đƣợc nạo vét phục vụ quá trình tiêu thoát lũ cho các tỉnh thuộc đồng bằng sông Hồng. 13