Chế độ sóng bờ biển Cửa Đại - Hội An và ảnh hưởng của nó đến xói lở

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 31 CHẾ ĐỘ SÓNG BỜ BIỂN CỬA ĐẠI - HỘI AN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN XÓI LỞ WAVE CLIMATE AT CUA DAI - HOI AN SEASHORE AND ITS IMPACT ON BEACH EROSION Huỳnh Công Hoài, Lieou Kiến Chính, Lê Đức Vĩnh Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp.HCM; hoai_hc@yahoo.com Tóm tắt - Chế độ sóng khu vực bờ biển cửa Đại - Hội An được phân tích dựa trên kết quả mô phỏng sóng bằng mô hình toán cho toàn bộ biển Đông và cho khu vực bờ biển cửa Đại trong thời gian 8 năm (2009 - 2016). Kết quả mô phỏng được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm với số liệu sóng dự báo của NOAA và số liệu sóng thực đo trong khu vực nghiên cứu. Từ kết quả phân tích sóng cho thấy, khu vực cửa Đại sóng có 2 mùa rõ rệt. Mùa gió Đông Bắc sóng chủ đạo có hướng ĐĐB và ĐB, đây cũng là mùa có chiều cao sóng lớn, chiều cao sóng cực đại lên đến 4,7 m và gây xói lở nghiệm trọng cho đường bờ phía Bắc cửa Đại. Trong mùa gió Tây Nam, sóng có hướng chủ đạo ĐĐN và có chiều cao sóng nhỏ hơn, chiều cao sóng cực đại chỉ có 2m. Đây cũng là mùa để bùn cát ra cửa Đại theo dòng chảy ven bờ đưa lên bồi đáp đường bờ phía Bắc, nhưng do thiếu hụt nguồn bùn cát nên sự bồi đắp không cân bằng, bờ biến phía bắc cửa Đại càng lúc càng xói lở. Abstract - The wave climate at the Cua Dai – Hoi An seashore was analyzed based on the results of wave simulation via mathematics models for the whole East Sea and the Cua Dai – Hoi An seashore in 8 years (2009- 2016). The simulation results were adjusted and verified with predicted wave data from NOAA and observed data from the area under study. Results from the wave analysis show that the waves in the Cua Dai – Hoi An seashore come in two distinct seasons. During the Northeasterly wind season, the waves chiefly move in the NE and NEE directions, appearing in considerable heights with the maximum of 4.7m, thus causing serious erosion to the Northern coastline of the Cua Dai – Hoi An seashore. During the southwesterly wind season, the waves chiefly move in the SEE direction, appearing with the maximum height of only 2m. This season is also the time for mud and sand from the Cua Dai estuary to be moved by the current along the shore to reinforce the Northern coastline. However, due to a shortage of mud and sand, there occurs imbalance in the reinforcement, leading to increasing erosion of the beach north of the Cua Dai estuary. Từ khóa - sóng; Tomawac; chế độ sóng; Cửa Đại; Hội An; biển Đông. Key words - wave; Tomawac; wave climate; Cua Dai, Hoi An; the East Sea. 1. Đặt vấn đề Bờ biển cửa Đại thuộc thành phố Hội An nằm ở miền Trung Việt Nam (Hình 1), đây là vùng bờ biển du lịch nổi tiếng của Việt Nam với rất nhiều resort được xây dựng. Trong nhiều thập niên vừa qua, vùng biển này đã bị xói lở nghiêm trọng, ước tính trung bình mỗi năm đường bờ bị xói sâu vào 12m/năm [4]. Trong những năm gần đây, sự xói lở này đã uy hiếp đến các resort và đã gây lún sụp một số resort trong khu vực. Nhiều nguyên nhân gây xói lở đã được xem xét nhưng tựu trung tập trung vào các nguyên nhân chính như sau: - Tác động của sóng và dòng chảy. - Tác động của sự thiếu hụt bùn cát từ cửa Đại cung cấp cho vùng bờ biển do xây dựng quá nhiều các nhà máy thuỷ điện ở thượng nguồn. - Tác động của con người do việc xây dựng các công trình bảo vệ không đồng bộ hay do việc khai thác cát trong khu vực gây ra sự biến đổi dòng chảy. Để có thể cung cấp các thông số sóng làm cơ sở cho việc nghiên cứu sự xói lở của khu vực cửa Đại, báo cáo này sẽ phân tích các đặc trưng sóng trong khu vực bằng cách mô phỏng lại diễn biến sóng trong 8 năm của biển Đông. Từ đó trích xuất các thông số sóng cơ bản gồm, chiều cao sóng, hướng sóng, chu kỳ sóng trong khu vực xói lở để xây dựng các phân tích thống kê sóng cho khu vực nghiên cứu. 2. Xây dựng mô hình mô phỏng sóng Để có được số liệu sóng trong 8 năm, mô hình Tomawac được sử dụng để mô phỏng sự lan truyển sóng trên biển Đông. Phần mềm Tomawac được phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia Thuỷ lực và Môi trường Pháp (LNHE) và R&D Group của điện lực Pháp. Trước đây Tomawac là một phần mềm thương mại, nhưng từ năm 2010 đã chính thức phổ biến mã nguồn mở nằm trong bộ chương trình Telemac-Mascaret. Hình 1. Vị trí cửa Đại - Hội An 2.1. Cơ sở lý thuyết mô hình Tomawac: Mô hình Tomawac mô phỏng sự lan truyền sóng dựa trên phương trình bảo toàn của phổ hướng hoạt động sóng N (directional spectrum of wave action) 𝜕𝑁 𝜕𝑡 + �̇� 𝜕𝑁 𝜕𝑥 + �̇� 𝜕𝑁 𝜕𝑦 + 𝑘�̇� 𝜕𝑁 𝜕𝑥 + 𝑘�̇� 𝜕𝑁 𝜕𝑦 = 𝑄(𝑘𝑥 , 𝑘𝑦 , 𝑥, 𝑦, 𝑡) (1) Nếu đặt : �⃗� = (𝑥 ̇ , �̇�, 𝑘�̇� , 𝑘�̇�) thì phương trình (1) viết lại: 𝜕𝑁 𝜕𝑡 + �⃗� . 𝑔𝑟𝑎𝑑�̅�,�̅�(𝑁) = 𝑄(𝑘𝑥, 𝑘𝑦, 𝑥, 𝑦, 𝑡) (2) Trong đó Cù Lao Chàm Hôi An 32 Huỳnh Công Hoài, Lieou Kiến Chính, Lê Đức Vĩnh �̇� = 𝐶𝑔 𝑘𝑥 𝑘 + 𝑈𝑥 �̇� = 𝐶𝑔 𝑘𝑦 𝑘 + 𝑈𝑦 𝑘�̇� = − 𝜕𝜎 𝜕𝑑 𝜕𝑑 𝜕𝑥 ̇ − �⃗� . 𝜕�⃗� 𝜕𝑥 𝑘�̇� = − 𝜕𝜎 𝜕𝑑 𝜕𝑑 𝜕𝑦 ̇ − �⃗� . 𝜕�⃗� 𝜕𝑦 N: phổ hướng của hoạt động sóng; Ux, Uy: vận tốc dòng theo hướng x và y; Cg: Vận tốc nhóm sóng; kx, ky: hằng số sóng theo phương x và y;  : tần số góc sóng tương đối (intrinsic angular frequency) liên hệ với tần số góc theo công thức Q: nguồn tạo sóng hoặc làm giảm sóng do gió, do ma sát, do sóng vỡ. Chiều cao mặt sóng được xác định theo công thức: 𝜂(𝑥, 𝑦, 𝑡) = ∫ ∫ √2𝐹(𝑓, 𝜃)𝑑𝑓 𝑑𝜃 2𝜋 𝜃=0 ∞ 𝑓=0 𝑐𝑜𝑠[𝑘(𝑥. 𝑐𝑜𝑠𝜃 + 𝑦. 𝑠𝑖𝑛𝜃) − 𝜔𝑡 + 𝜑] (3) Trong đó (x,y,t): cao trình mặt sóng; F(f,): phổ tần số sóng, được liên hệ với N theo công thức: N = F/ f: tần số sóng; : hướng sóng. Phương trình (2) được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn và (3) được dùng để xác định cao trình sóng. Chi tiết phương pháp giải có thể tham khảo trong [2]. 2.2. Miền tính toán Sóng khu vực bờ biển cửa Đại được truyền đến từ biển Đông nên để xác định sóng trong khu vực nghiên cứu cần phải mô phỏng sóng lan truyền trên biển Đông. Do đó, miền tính toán bao gồm toàn bộ biển Đông (Hình 2), phía bắc là eo biển giữa Trung Quốc và Taiwan, phía Đông là Phillipine và Indonesia, phía nam là vùng biển Malaysia và phía tây là vịnh Thái Lan. Lưới tính cho toàn biển Đông gồm những phần tử tam giác có tất cả 20593 phần tử và 10 648 nút lưới. Khoảng cách các nút lưới ngoài khơi trung bình khoảng 40km, tại vùng nghiên cứu khu vực bờ biển cửa Đại là 1km 2.3. Số liệu tính toán Dữ liệu địa hình: Địa hình đáy được lấy từ GEBCO (General Bathymetric Chart of Ocean) với độ phân giải 30s (khoảng 925m) cho vùng Biển Đông. Dữ liệu địa hình này được sử dụng cho cả mô hình sóng và mô hình triều. Tại vùng nghiên cứu (Cửa Đại), địa hình là dữ liệu đo đạc năm 2016 được cung cấp từ dự án Hội An. Dữ liệu gió: Dữ liệu trường gió Biển Đông được khai thác từ số liệu của NOAA với độ phân giải 30s (khoảng 925m). Dữ liệu trường gió được sử dụng làm điều kiện biên bề mặt cho mô hình tính sóng. Dữ liệu triều: Dao động mực nước vùng Biển Đông được lấy từ mực nước triều thiên văn cung cấp bởi TPXO [3]. Điều kiện biên: Điều kiện biên cho mô hình sóng là biên đóng cho toàn vùng tính. Tốc độ gió thay đổi theo không gian và thời gian là đầu vào cho mô hình cũng như điều kiện biên cho quá trình tạo sóng trên biển Đông. 2.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Dữ liệu chiều cao sóng, hướng sóng, chu kỳ sóng dùng hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được lấy từ nguồn dữ liệu của NOAA và dữ liệu đo đạc của dự án Hội An. Hình 2. Lưới và miền tính toán Tại vùng bờ biển cửa Đại, có 2 điểm P1, P5 (Hình 3) được dùng để hiệu chỉnh với số liệu NOAA và 2 điểm CD2, CD4 (Hình 3) được dùng để kiểm định với số liệu đo đạc. Thời gian dùng để hiệu chỉnh mô hình sóng là 1 năm, từ 1/1/2016 đến 31/12/2016 và thời gian kiểm định mô hình là 7 ngày từ 19/10/2016 đến 26/10/2016. Hình 3. Vị trí các điểm P1, P5, CD2 và CD4 Hình 4, 5 thể hiện sự so sánh chiều cao sóng tính toán và chiều cao sóng có được từ NOAA tại các điểm P1, P5. Hình 6, 7 thể hiện so sánh chiều cao sóng tính toán và chiều cao sóng đo đạc tại 2 điểm CD2, CD4. Tương tự hướng sóng, chu kỳ sóng giữa thực đo và tính toán tại 2 điểm CD2, CD4 cũng được trình bày từ Hình 8 đến 11. Chỉ số sai số RMSE và PBIAS được sử dụng để đánh giá độ chính xác của mô hình. Giá trị của chỉ số sai số RMSE và PBIAS đối với các trường hợp chiều cao sóng, hướng sóng, chu kỳ sóng được trình bày trong Bảng 1, 2, 3 và 4. Từ các giá trị sai số cho thấy kết quả tính toán từ mô hình là khá tốt, nằm trong phạm vi sai số cho phép, do đó mô hình được sử dụng tính toán cho 8 năm, từ 2009 đến 2016. Hình 4. So sánh chiều cao sóng tính toán và chiều cao sóng dự báo từ NOAA tại điểm P1 từ 1/1/2016-31/12/2016 P1 P5 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 33 Hình 5. So sánh chiều cao sóng tính toán và chiều cao sóng dự báo từ NOAA tại điểm P5 từ 1/1/2016-31/12/2016 Hình 6. So sánh chiều cao sóng tính toán và chiều cao sóng đo đạc tại điểm CD2 từ ngày 19/10/2016 đến 26/10/2016 Hình 7. So sánh chiều cao sóng tính toán và chiều cao sóng đo đạc tại điểm CD4 từ ngày 19/10/2016 đến 26/10/2016 Hình 8. So sánh hướng sóng tính toán và hướng sóng đo đạc tại điểm CD2 từ ngày 19/10/2016 đến 26/10/2016 Hình 9. So sánh hướng sóng tính toán và hướng sóng đo đạc tại điểm CD4 từ ngày 19/10/2016 đến 26/10/2016 Hình 10. So sánh giữa chu kỳ sóng tính toán và đo đạc tại điểm CD 2 từ ngày 19/ 10/2016 đến ngày 26/10/2016 Hình 11. So sánh giữa chu kỳ sóng tính toán và đo đạc tại điểm CD4 từ ngày 19/10/2016 đến ngày 26/10/2016 Bảng 1. Sai số giữa chiều cao sóng tính toán và chiều cao sóng từ NOAA Điểm P1 P2 RMSE 0,34 0,33 PBIAS (%) -3,39 5,10 Bảng 2. Sai số giữa chiều cao sóng tính toán và chiều cao sóng từ đo đạc Thời gian 19-26/10 2016 Điểm CD2 CD5 CD4 RMSE 0,22 0,30 0,20 PBIAS (%) 0,82 4,24 3,28 Bảng 3. Sai số giữa hướng sóng mô phỏng với hướng sóng đo đạc Thời gian 19-26/10/2016 Điểm CD2 CD5 CD4 RMSE 14,63 24,98 13,82 PBIAS (%) -7,98 13,62 -1,57 Bảng 4. Sai số giữa chu kỳ sóng mô phỏng với chu kỳ sóng đo đạc Thời gian 19-26/10/2016 Điểm CD2 CD5 CD4 RMSE 2,22 1,84 2,55 PBIAS (%) 34,27 27,72 34,41 3. Chế độ sóng khu vực biển cửa Đại Mô hình Tomawac sau khi hiệu chỉnh và kiểm định được ứng dụng mô phỏng sóng cho biển Đông và khu vực biển cửa Đại trong thời gian 8 năm từ 1/1/2009 đến 31/12/2016. Thời gian tính toán trên máy tính HPC (High Performance Computing) của Đại học Quốc Gia Tp.HCM mất 12 ngày. Để phân tích đặc trưng sóng cho bờ biển cửa Đại, một điểm đại diện P5 tại vị trí như trên Hình 12 được trích suất các thông số sóng với khoảng thời gian 30 phút một giá trị. Các giá trị sóng trích suất trong 8 năm được dùng để phân tích đặc trưng sóng cho khu vực cửa Đại. 3.1. Đặc trưng sóng khu vực biển cửa Đại Với các giá trị trích suất từ kết quả mô hình (hướng sóng, chiều cao sóng) được phân tích và xây dựng thành những hoa sóng cho từng thời đoạn như sau: - Hoa sóng trong thời gian 8 năm (Hình 13). - Hoa sóng cho 2 mùa gió Đông-Bắc (ĐB) và Tây- Nam (TN) (Hình 14, 15). 34 Huỳnh Công Hoài, Lieou Kiến Chính, Lê Đức Vĩnh Ngoài ra tần suất chiều cao sóng, hướng sóng, chu kỳ sóng được phân tích và trình bày trên Hình 16 đến 21. Từ các kết quả phân tích, đặc trưng sóng tại bờ biển Cửa Đại có thể tóm tắt như sau: - Sóng tại khu vực Cửa Đại có 2 mùa rõ rệt, mùa sóng gió ĐB từ tháng 9 đến tháng 2 năm sau và mùa sóng gió TN từ tháng 3 đến tháng 8. - Vào mùa gió ĐB, hướng sóng chủ đạo là hướng ĐB và Đông-Đông-Bắc (ĐĐB) chiếm khoảng 70% (Hình 14). Mùa gió TN, hướng sóng chủ đạo là hướng Đông-Đông-Nam (ĐĐN) chiếm khoảng 56,52% (Hình 15). Nếu xét trong cả năm thì hướng sóng ĐB và ĐĐB chiếm xấp xỉ 46,55% trong khi hướng sóng ĐĐN là khoảng 32,91% và các hướng sóng khác như B, ĐBB, Đ, ĐN có xác suất xảy ra ít hơn 10%. - Chiều cao sóng ở khu vực biển cửa Đại khác nhau rõ rệt trong 2 mùa, sóng cao xuất hiện chủ yếu vào mùa gió ĐB. Những đợt sóng cao hơn 1m xuất hiện 38,47% trong mùa gió ĐB, trong khi vào mùa gió TN sóng cao hơn 1m chỉ có 4,97%. Kết quả tính toán trong 8 năm cho thấy, sóng cực đại vào mùa gió ĐB là 4,42m trong khi đó vào mùa gió TN sóng cực đại chỉ có 2m. Chiều cao sóng trung bình cho toàn năm là 0,71m. 3.2. Ảnh hưởng của chế độ sóng đến xói lở bờ biển cửa Đại Từ đặc trưng của chế độ sóng khu vực cửa Đại cho thấy, thời gian xuất hiện xói lở chủ yếu xảy ra vào mùa gió ĐB, khi đó sóng có chiều cao lớn và xuất hiện với tần suất cao. Đường bờ phía Bắc lân cận cửa Đại có 2 hướng, đường bờ I có hướng TB và đường bờ II có hướng Bắc-Tây-Bắc (BTB). Do đó trong thời gian gió mùa ĐB, sóng thịnh hành có hướng ĐB và ĐĐB sẽ tạo thành dòng chảy ven bờ về hướng Bắc ở đường bờ I và dòng chảy ven bờ về phía Nam ở đường bờ II, điểm M (Hình 12) là nơi dòng chảy đổi hướng, bùn cát khu vực điểm M sẽ bị mang đi về 2 hướng và không được bồi đắp lại. Đây là khu vực sẽ bị xói lở nghiêm trọng. Thực tế cho thấy các resort ở khu vực này như Fusion resort đã bị xói lở và hư hỏng hoàn toàn. Trong mùa gió TN, sóng thịnh hành có hướng ĐĐN sẽ hình thành dòng chảy ven bờ chủ yếu đi lên hướng Bắc cho cả đường bờ I và II, bùn cát từ cửa sông cửa Đại sẽ được mang lên để bù đắp, tuy nhiên do việc xây dựng các nhà máy thủy điện ở thượng nguồn làm lượng bùn cát thiếu hụt không đủ để bù đắp, nên khu vực đường bờ phía Bắc cửa Đại càng lúc càng xói lở nghiệm trọng. Hình 12. Vị trí điểm P5, hướng sóng và chiều dòng chạy ven bờ mùa gió ĐB (nét đứt) và mùa gió TN (nét liền) Đường bờ phía Nam cửa Đại có hướng Bắc nên mùa gió ĐB với hướng sóng ĐB và ĐĐB sẽ hình thành dòng chảy ven bờ về phía Nam, tất cả bùn cát ra từ cửa sông cửa Đại được mang xuống bồi đắp cho bờ biển phía Nam, trong mùa gió TN, sóng có hướng ĐĐN, dòng chảy ven bờ có hướng ngược lại, đi lên phía Bắc, tuy nhiên do sóng nhỏ nên không gây xói lở và lượng bùn cát không mất đi. Do đó, đường bờ phía nam cửa Đại hầu như ổn định không bị xói lở. Hình 13. Hoa sóng tại vị trí P5 (phân tích trong 8 năm) Hình 14. Hoa sóng trong mùa gió Đông Bắc (từ tháng 9 đến tháng 2 năm sau) Hình 15. Hoa sóng trong mùa gió Tây Nam (từ tháng 3 đến tháng 8) Hình 16. Tần suất xuất hiện chiều cao sóng mùa gió ĐB Hướng sóng mùa gió ĐB Hướng sóng mùa gió TN M II I Hướng đường bờ I I I Hướng đường bờ I I I Hướng đường bờ I II Mùa gió ĐB ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 1 35 Hình 17. Tần suất xuất hiện chiều cao sóng mùa gió TN Hình 18. Tần suất xuất hiện chu kỳ sóng mùa gió ĐB Hình 19. Tần suất xuất hiện chu kỳ sóng mùa gió TN Hình 20. Tần suất xuất hiện hướng sóng mùa gió ĐB Hình 21. Tần suất xuất hiện hướng sóng mùa gió TN 4. Kết luận Chế độ sóng bờ biển cửa Đại có 2 mùa rõ rệt. Mùa gió ĐB là mùa có sóng lớn, đối với đường bờ nằm ở phía Bắc cửa Đại do tác động của sóng bị xói lở và dòng chảy ven bờ mang bùn cát lên hướng Bắc. Tuy nhiên, khu vực gần cửa Đại và khu vực phía Nam cửa Đại do hướng đường bờ thay đổi, dòng chảy ven bờ có hướng ngược lại đưa bùn cát từ cửa Đại đi về hướng Nam, bồi đắp cho đường bờ phía Nam tránh được xói lở. Mùa gió TN, hướng sóng gần song song với bờ và chiều cao sóng rất nhỏ, thông thường đây là mùa để bùn cát bồi đắp cho đường bờ phía Bắc cửa Đại, nhưng do nguồn bùn cát từ cửa Đại không đủ nên lượng bùn cát mang đến thiếu hụt, do đó diễn biến xói lở đường bờ phía Bắc cửa Đại càng lúc càng nghiêm trọng. Lời cảm ơn: Bài nghiên cứu này thực hiện dưới sự tài trợ của UBND tỉnh Quảng Nam và Cơ quan Phát triển Pháp (AFD) trong khuông khổ dự án “Nghiên cứu diễn biến xói lở và biện pháp bảo vệ bền vững bờ biển Hội An” (2017). Các tác giả bài báo cũng cảm ơn GS. Nguyễn Kim Đan thuộc Phòng thí nghiệm Thuỷ lực Saint Venant Pháp đã cố vấn trong quá trình nghiên cứu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D. N. Moriasi et. Al., “Model evaluation on guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulation”, Transactions of the ASABE, Vol. 50(3), 2007, 885−900. [2] EDF R&D., Telemac modelling system – Tomawac software. Operating Manual release 7.1, 2016 [3] Egbert, Gary D., and Svetlana Y. Erofeeva, “Efficient inverse modeling of barotropic ocean tides”, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 19.2 (2002): 183-204. [4] Joep Fila, Maurits Kampen, Kees Knulst, Richard Marijnissen, Roel van Noort, “Coastal erosion Hoi An”, Faculty of Civil Engineering and Geosciences. 2600 GA Delft, 2016. (BBT nhận bài: 14/9/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 02/10/2018) Mùa gió TN Mùa gió ĐB Mùa gió TN Mùa gió ĐB Mùa gió TN