Về những cấu trúc thủy động lực đặc thù gây xói lở - Bồi tụ tại dải ven bờ nam Trung Bộ

15 Tạp chí Khoa học và Công nghệ biển T11 (2011). Số 3. Tr 15 - 30 VỀ NHỮNG CẤU TRÚC THỦY ðỘNG LỰC ðẶC THÙ GÂY XÓI LỞ-BỒI TỤ TẠI DẢI VEN BỜ NAM TRUNG BỘ LÊ PHƯỚC TRÌNH, BÙI HỒNG LONG, LÊ ðÌNH MẦU, PHẠM BÁ TRUNG Viện Hải dương học Tóm tắt: Những cấu trúc thủy ñộng lực ñặc thù bao gồm các xoáy thuận chiều kim ñồng hồ ñược hình thành và tồn tại trong các vịnh hở (open bays) thuộc dải ven bờ Nam Trung bộ, các phân khu sóng chuyển tiếp trong trường sóng nhiễu xạ. Nhánh Tây của xoáy là nhân tố quan trọng bậc nhất gây ra tình trạng bồi lấp các cửa, ñiển hình là cửa Sa Huỳnh, cửa Tam Quan và cửa ðề Gi. Mũi nhô và các chướng ngại vật ven bờ như kè mỏ hàn, kè cảng, v.v... , tạo ra trường sóng nhiễu xạ chứa ba phân khu, trong ñó phân khu sóng chuyển tiếp ñóng vai trò ñặc biệt quan trọng gây nên tình trạng xói lở bờ quyết liệt nhất. ðiển hình là bãi biển Phan Thiết và cụm dân cư bờ Nam thị trấn La Gi, nơi trường sóng chịu ảnh hưởng của các hệ thống kè cảng. ðó cũng là một trong những nguyên nhân chính gây tình trạng ñóng, mở cửa An Hải (ñầm Ô Loan). Từ khóa: Nam Trung bộ (NTB), thủy thạch ñộng lực, xoáy thuận, mũi nhô, xói lở-bồi tụ, khúc xạ, nhiễu xạ, hướng ðông Bắc (NE), ðông ðông Bắc (NNE), Tây Nam (SW). I. MỞ ðẦU Hệ thủy ñộng lực ven bờ và hình thái bờ Nam Trung bộ (NTB) từ ðà Nẵng ñến Bình Thuận mang nhiều nét ñặc thù tạo ra những cấu trúc thủy ñộng lực tách biệt và khác biệt nhau, và từ ñó là những dạng xói lở-bồi tụ khá ñiển hình gây ảnh hưởng ñáng kể lên cuộc sống các cộng ñồng dân cư và hoạt ñộng kinh tế - xã hội ở nhiều ñịa phương. Thực tiễn ñòi hỏi các nhà khoa học phải ñiều tra-nghiên cứu một cách cơ bản những vấn ñề này, cho nên một số ñề tài ñã ñược triển khai tại Viện Hải dương học. Bài báo này tổng hợp khía cạnh ñộng lực của các ñề tài, chú trọng những cấu trúc thủy ñộng lực cục bộ mang tính ñặc thù và cơ chế hình thành chúng, mối quan hệ với những khu bờ bị xói hoặc bồi nghiêm trọng. Nhân tố bao trùm về không gian và thời gian ñối với hệ thủy - thạch ñộng lực dải ven bờ miền Trung bao gồm tác ñộng của các trường sóng bề mặt từ Biển ðông lan truyền vào bờ, của hệ dòng chảy ven bờ ñược hình thành bởi gió và chế ñộ ñịa chuyển trên Biển ðông, tác ñộng của thủy triều và dòng triều ven bờ. Dưới dạng biên cứng nhám và gồ ghề, 16 bờ biển tạo ảnh hưởng ngược lại ñối với quá trình tác ñộng ñó làm thay ñổi nhất ñịnh cơ chế và hình thái chuyển ñộng của nước biển trong lớp sát bờ. ðặc biệt, những dạng “gồ ghề lớn” và phổ biến như các vũng-vịnh, mũi nhô, kể cả các kè biển, v.v. ... thường tạo ra những cấu trúc thủy-thạch ñộng lực cục bộ khá ñặc sắc về khía cạnh khoa học và có ý nghĩa lớn về mặt thực tiễn. II. TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Bài báo dựa trên những dữ liệu của các ñề tài ñã ñược thực hiện gần ñây như ñề tài “ðánh giá những tác ñộng của các công trình bảo vệ ñến môi trường vùng cửa sông ven biển Nam Trungb” (Lê Phước Trình, 2008a). ðề tài “Luận chứng khoa học kỹ thuật phục vụ cho quản lý tổng hợp và phát triển bền vững dải ven bờ biển Nam Trung bộ ñáp ứng mục tiêu chiến lược phát triển kinh tế biển” (Lê Phước Trình, 2008b). ðề tài KHCN.06.08 và ñề tài hợp tác nghiên cứu với Viện Hải dương học Quốc gia Ấn ðộ (Lê Phước Trình, 2000; 2008a). Từ các tư liệu lưu trữ về các công trình nghiên cứu xói-bồi, qui luật thủy thạch ñộng lực vùng ven bờ chúng tôi tiến hành phân tích, lý giải nguyên nhân, cơ chế hình thành các cấu trúc thủy ñộng lực ñặc thù và ghi nhận những ñặc ñiểm cơ bản tập trung ở một số khu vực ñiển hình tại dải ven biển NTB. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Những kết quả nghiên cứu về xói lở-bồi tụ và biến ñổi ñịa hình tại dải ven biển NTB qua khảo sát thực ñịa - Khu vực Cửa ðại (Hội An): ðặc ñiểm cơ bản của khu vực Cửa ðại là quá trình dịch chuyển cửa sông về phía Nam liên tục hằng năm và ñã kéo dài trong nhiều thập niên, tốc ñộ dịch chuyển trung bình ≈ 50 m/năm. Biểu hiện của sự dịch chuyển ñược thể hiện bằng mảng bồi lấp cửa sông bên bờ bắc (phát triển doi cát lấn lòng sông) và dải xói lở bờ sông ở mạn bên bờ Nam (hình 1). Kèm theo, sau mỗi mùa mưa lũ bờ biển của doi cát phía Bắc thường bị xói mòn còn mũi An Lương ở phía nam thì bồi nhanh ra biển. ðã có công trình xây kè ñá dọc bờ sông phía Nam cửa nhằm ngăn chặn quá trình dịch chuyển, nhưng kè bị sóng ñánh hư hại không phát huy ñược tác dụng lâu dài. - Khu vực các cửa Sa Huỳnh (Quảng Ngãi), Tam Quan và ðề Gi (Bình ðịnh): ðiển hình ở những nơi này là hiện tượng bồi lấp cửa biển. Mũi cát bồi phía Nam cửa, các bãi bồi ngầm và nổi thường xuyên phát triển trong kênh thu hẹp khu vực mặt cắt 17 cửa gây cản trở lưu thông thuyền bè ra vào cảng. Lưu ý, ở ñây các kênh tự nhiên nối biển (vịnh hở) với ñầm nước ngọt hoặc lợ ở bên trong, cảng cá nằm trong ñầm. Biểu hiện của quá trình bồi lấp như sau, có một dòng vật liệu ñáy ven bờ Tây các vịnh từ phía Nam tràn lên, tụ lại trước cửa và lấn vào kênh, tạo ra những lưỡi cát bồi (ngầm và nổi) xuyên dọc theo kênh chèn ép luồng lưu thông (Lê Phước Trình, 2008a, 2008b; Phạm Bá Trung và cs., 2010). ðã có những kè mỏ hàn xây dài ra biển ở vị trí phía Nam cửa với mục ñích ngăn chặn dòng cát dọc bờ tràn lên, tuy nhiên kè lại gây ra những kiểu biến ñổi khác của dòng vật liệu cho nên hiện tượng bồi lấp cửa vẫn cứ tiếp diễn. Hình 1: ðặc ñiểm xói lở-bồi tụ tại Cửa ðại (Hội An) - Khu vực ñầm Ô Loan (Phú Yên): ðặc ñiểm nổi bật nhất là quá trình luân phiên ñóng/mở cửa ñầm tạo lạch triều cắt ngang doi cát hẹp và dài ngăn cách ñầm Ô Loan với biển. ðó là cửa An Hải, thường những năm mưa bão mạnh cửa ñược mở rồi lại ñóng kín (bồi lấp) (Trần Văn Bình, Trịnh Thế Hiếu, 2010; Lê Phước Trình, 2008a). Hiện tượng ñóng/mở cửa An Hải gây những khó khăn và thuận lợi nhất ñịnh. Khi cửa mở thì thuận lợi cho việc trao ñổi nước giữa ñầm Ô Loan với biển, thuyền bè của ngư dân vào ra dễ dàng, nhưng lại khó khăn cho sản xuất 18 nông nghiệp và các ngành khác do bị xâm nhập mặn. Khi cửa ñóng thì ñầm bị ngăn cách với biển, hầu như không có lưu thông tự nhiên. Cửa Mái Nhà (Cửa Lễ Thịnh) cạnh mũi nhô ở ñầu phía Bắc doi cát không ñóng vai trò quan trọng. Hiện tại môi trường nước trong ñầm Ô Loan bị xấu ñi rất nhiều cần phải ñược cải tạo, ñiều ñó có liên quan tới cửa An Hải, và ñây là vấn ñề nan giải của ñịa phương. - Khu vực cảng Phan Thiết và cảng La Gi (Bình Thuận): ðáng lưu ý nhất là hiện tượng bờ biển bị phá vỡ một cách quyết liệt do tác ñộng sóng trong trường sóng ðông Bắc (NE) sau khi chịu ảnh hưởng từ các hệ thống kè bảo vệ cảng nằm trong cửa sông Cà Ty và cửa La Gi. Cách hệ thống kè cảng chừng 2 km về phía Nam một khu vực bờ dài chừng 1,5 km bị xói lở cực kỳ mãnh liệt. Bãi tắm của thành phố Phan Thiết và khu dân cư ở bờ Nam thị trấn La Gi bị ảnh hưởng cực kỳ nặng nề, dân buộc phải di dời. Ở ñoạn giữa kè cảng và khu xói lở thì, ngược lại, bờ biển ít biến ñổi, thậm chí ñược bồi nhẹ (Lê Phước Trình, 2008b; Phạm Bá Trung và cs., 2010). 2. Những yếu tố tự nhiên tác ñộng mạnh lên dải ven bờ NTB gây xói lở-bồi tụ Những biểu hiện xói-bồi ñiển hình tuy khác biệt về tính chất và cách biệt về không gian nhưng phần lớn ñều có chung những nguyên nhân cơ bản, ñó là tác ñộng trên kích thước lớn của trường sóng bề mặt Biển ðông, của hệ dòng chảy ven bờ NTB, một phần do ảnh hưởng của chế ñộ thủy triều, trong ñó sóng và dòng chảy có nguyên nhân từ trường gió. - Gió và sóng-gió vùng ven bờ: Trên bề mặt Biển ðông chế ñộ gió thịnh hành là NE (tháng XI-III) và SW (tháng VI-VIII), chúng tạo thành hai trường sóng bề mặt có hướng lan truyền tương ứng. Từ khơi vào bờ, nghĩa là trên dải ven bờ, sự chuyển hướng gió tương ñối ñồng nhất thành NNE (mùa ñông) và SSW (mùa hè). Nhưng vào sát bờ hướng gió có nhiều thay ñổi, cụ thể là về mùa ñông từ ðà Nẵng ñến Phú Yên gió thống nhất hướng N, sau chuyển thành hướng NE (Nha Trang) rồi sau ñó sang hướng E (Phan Thiết) (hình 2a). Về mùa hè, tương ứng trong các khu vực ấy là gió E, chuyển thành SE rồi sau ñó là W (Lê Phước Trình, 2000). Hướng truyền sóng trong dải ven bờ về cơ bản tuân thủ theo sự thay ñổi hướng gió (hình 2a). Về ñộ cao sóng, theo tài liệu trong chuyên khảo “Biển ðông” (Nguyễn Mạnh Hùng và cs., 2009) thì ñộ cao cực ñại trung bình năm ñạt 6 - 7 m trong cung hướng từ N ñến NE (mùa ñông) và 5 - 6 m cung hướng từ SE ñến S, dọc bờ Bình Thuận là W (mùa hè). - Hệ dòng chảy vùng ven bờ: Hệ dòng chảy trong dải ven bờ NTB là một bộ phận của hệ hòan lưu Biển ðông, hình thành như một cấu trúc luồng Bắc-Nam dọc theo vệt bờ, kích thước không gian và thời gian ổn ñịnh (hình 2b; Lê Phước Trình, 2008b). Luồng Bắc-Nam có nguồn gốc từ cân bằng ñịa 19 chuyển và lực căng tiếp tuyến gió, trong lý thuyết tuyến tính thì tốc ñộ dòng là tổng vec-tơ của hai thành phần ñó. Thành phần dòng có nguồn gốc sóng-gió góp phần tăng cường các tính chất vừa nêu của luồng Bắc-Nam, tuy nhiên cấu trúc dòng chảy sóng luôn mang kích thước nhỏ hơn. Về mùa gió NE cấu trúc luồng Bắc-Nam áp mạnh vào bờ, phần ñuôi kéo dài ñến tận mũi Cà Mau, cường ñộ luồng khá mạnh, ở ñầu các mũi nhô tốc ñộ trung bình ñạt ñến trên 60 – 70 cm/s, trước mũi ðại Lãnh tốc ñộ dòng chảy trên 100 cm/s (Cap Varella). Về mùa gió SW những tính chất ñó giảm trong chừng mực nhất ñịnh, hướng dòng trong lớp bề mặt ñôi khi chuyển thành N hoặc N-NE, từ vĩ ñộ 11.5o N (ngang vịnh Phan Rang) luồng tách bờ ra khơi nhường dải ven bờ tỉnh Bình Thuận cho dòng chảy gió có hướng ngược lại (Lê Phước Trình, 2008). Trong bức tranh thủy-thạch ñộng lực cụ thể mang tính ñịa phương thì qui luật ñiều hòa của thủy triều và dòng triều chỉ ñóng vai trò xúc tác làm tăng hoặc giảm cường ñộ của những sự kiện tự nhiên ñã hình thành hoặc ñang xảy ra. Hình 2: Sơ ñồ trường gió và front sóng (a) và hệ dòng chảy ven bờ (b), mùa ñông 3. Hiệu ứng thủy ñộng lực cục bộ và cơ chế hình thành các cấu trúc riêng lẻ Hiệu ứng cục bộ là biểu hiện dị thường ở từng ñịa phương làm biến dạng bức tranh chung mang tính chế ñộ của chuyển ñộng nước biển trong dải ven bờ. Các dị thường ñược 20 tạo ra bởi ảnh hưởng của biến ñổi ñịa hình bờ kích thước nhỏ hơn kích thước của dải ven bờ, cho nên chúng phụ thuộc chặc chẽ vào ñặc ñiểm hình thái bờ ở từng khu vực. - Về hình thái bờ biển khu vực NTB: Bờ biển từ ðà Nẵng ñến Bình Thuận trên ñặc ñiểm ñịa hình có thể chia thành hai phần khác biệt. Phần phía Bắc ñường bờ ổn ñịnh chạy dọc theo kinh tuyến (~109 0 E), ñộ dốc lớn, dải ven bờ sâu, tính chất bờ gồ ghề khúc khuỷu, có nhiều vũng vịnh lớn nhỏ cấu thành từ các mũi ñá nhô liền với những dải ñất pha cát bằng phẳng. Phần phía Nam ñường bờ ổn ñịnh chạy theo hướng NE-SW, vật liệu chủ yếu là cát và cát bùn nên ñộ kết dính không cao, ñáy ven bờ nông và thoai thoải, có các vịnh hình cung dài trống trải (Lê Phước Trình, 2008b). Trên nét khái quát ñó, ở phần phía Bắc ta lưu ý có nhiều vũng vịnh hở với kích thước chừng 10 - 15 km chiều dọc và 4 - 5 km chiều ngang, như các vịnh Sa Huỳnh, Tam Quan, Tân Thạnh, ðề Gi, Ô Loan, v.v... . ðoạn bờ phía Bắc các vịnh này thường ñược cấu tạo bởi những mõm núi ñá gốc lớn nhô xa ra biển, ñường bờ thẳng hoăc cong lõm vào. Bờ phía Tây liền với các dãy núi ñá (thường là cách một con kênh tự nhiên ngắn chừng 200 - 300 mét) và ñược cấu tạo trên ñịa hình ñồng bằng ñất pha cát, phát triển thành bãi biển vòng cung dài chừng 10 - 15 km. Với cấu tạo như vậy vệt bờ toàn vịnh thường có dáng hình móc câu, phía bờ Bắc vịnh luôn hẳm và bền vững, nhưng ở phía Tây thì là bãi thoai thoải và dễ bị xói lở-bào mòn nhờ ñó thường xuyên cung cấp vật liệu cho bồi lấp cửa kênh thông ra biển. Ở phần phía nam (Bình Thuận) ta sẽ lưu ý tới một số công trình kỹ thuật ven biển. ðó là các hệ thống kè chống sóng bảo vệ cảng ở các cửa Phan Rí, Phan Thiết và La Gi. Hệ thống kè có dạng hai ñê bê-tông dài vững chải hình gọng kìm xuyên ra biển chừng 1,0 ÷ 1,5 km (hình 8), có tác dụng như những chướng ngại vật nhân tạo ngăn chặn mọi tác ñộng từ phía biển. - Lớp biên ngang ven bờ và quá trình hình thành chuyển ñộng xoáy cục bộ trong các vịnh hở ven bờ: Cấu trúc luồng Bắc-Nam ven bờ NTB luôn áp sát ñường bờ gồ ghề khúc khuỷu, ñặc biệt trong mùa gió NE. Ma sát trong quá trình tiếp xúc sẽ tạo ra trong dải sát bờ một lớp biên gọi là lớp biên ngang (horizontal boundary layer). ðộ dày mỏng của lớp biên ngang khác nhau tùy từng vị trí và mức ñộ ảnh hưởng của ñặc ñiểm biến ñổi bờ, tính chất chuyển ñộng trong lớp biên ñó cũng biến ñổi theo một cách tương ứng. Trong lớp biên ngang tính chất rối (turbulent) khống chế chuyển ñộng của nước biển, vì vậy có thể biểu diễn thành phần dọc bờ của tốc ñộ dòng chảy bằng phương trình Bernoulli : 21 CPw += 0 2 2 ρ (1) Các ký hiệu: w - tốc ñộ dòng ; P – áp suất nước ; −0ρ mât ñộ ; C – hằng số. Ta dùng một trường hợp cụ thể và phổ biến của vịnh hở ở NTB ñể xây dựng sơ ñồ dòng trung bình trong lớp biên ngang (hình 3), trên sơ ñồ biểu thị tập hợp ñường dòng và các mặt cắt tốc ñộ dòng dọc bờ. Lý thuyết thủy ñộng lực cho phép phân tích chi tiết chuyển ñộng trong ñó như sau. Theo qui tắc bảo tồn thể tích, dưới ảnh hưởng của mũi nhô ñịa hình (bờ Bắc và Nam mũi nhô) tập hợp các ñường dòng bị dồn ép dần vào bờ từ trước và giản rộng dần ra từ sau ñỉnh nhô, bề dày của lớp biên ngang mỏng dần từ trước và dày dần từ sau ñỉnh nhô một cách tương ứng. Cùng với biểu hiện ñó tốc ñộ dòng dọc bờ cũng sẽ tăng dần và giảm dần, tức là ở cùng khoảng cách từ bờ thì tốc ñộ dòng dọc bờ lớn dần lên từ mặt cắt I (phía Bắc) tới mặt cắt II rồi mặt cắt III (ñỉnh nhô), kéo theo là giá trị áp suất nước sẽ nhỏ dần tương ứng (theo ñịnh luật Bernoulli). Sau ñỉnh nhô, từ mặt cắt III tới mặt cắt IV (nằm bên trong mũi nhô) xuôi theo hướng dòng dọc bờ thì tiến trình hoàn toàn ngược lại, tốc ñộ giảm dần còn áp suất tăng dần. Như vậy từ mặt cắt III trở về phía Nam nước biển chảy theo hướng tăng áp suất, ñiều kiện ñó buộc phải hãm tốc ñộ dòng. Trong lớp biên ma sát tình trạng hãm tốc kéo dài cho ñến khi tốc ñộ triệt tiêu (mặt cắt IV). Tại nơi triệt tiêu dòng ắt phải xảy ra hiện tượng bù trừ nước (compensation) từ phía ñối diện, do ñó hình thành dòng bù trừ ngược chiều ở phía kia mặt cắt IV. Quá trình bù trừ là quá trình kích thích dòng chảy ở phía bờT vịnh (mặt cắt V). Tại mặt cắt IV xuất hiện ñới tụ dòng, tức là một ñới mà ở ñó xảy ra sự gặp nhau giữa hai luồng dọc bờ ñối lập hướng – dòng trong lớp biên ngang từ ngoài vào và dòng bù trừ dọc bờ từ Nam lên. Mực nước tại ñây dâng cao hơn bình thường dẫn ñến hệ quả tách bờ của hệ dòng chảy, cũng tức là tách bờ của lớp biên ngang truyền thống. Sự kết nối của dòng bù trừ với hệ thống dòng tách bờ chảy về Nam tạo khái niệm rõ ràng về sự khởi ñộng quá trình hình thành xoáy thuận chiều kim ñồng hồ ở phần trên của lõm ñịa hình bờ (vịnh hở). Ban ñầu xoáy nhỏ, chưa hoàn chỉnh, áp sát bờ phía ñỉnh vịnh. Cơ chế vận chuyển xoáy theo luồng cố ñịnh ven bờ ( nPu ∂∂=Ω /r ) làm cho các xoáy nhỏ tách bờ và dịch chuyển xuôi theo vịnh, nhường không gian sát mũi nhô cho quá trình hình thành một xoáy mới (hình 4a). Các xoáy nhỏ chưa hoàn chỉnh tác ñộng lẫn nhau, kết hợp nhau và phát triển thành xoáy kích thước lớn hơn, cho ñến giai ñoạn dừng thì còn lại chỉ một xoáy hình ê-lip chiếm toàn bộ không gian vịnh và ổn ñịnh theo thời gian (hình 4b; Lê Phước Trình, 2008b). 22 Hình 3: Sơ ñồ ñường dòng và profile tốc ñộ dòng trong lớp biên ngang trước mũi nhô Hình 4: Quá trình hình thành xoáy thuận chiều kim ñồng hồ trong các vịnh hở ở giai ñoạn phát triển (a) và giai ñoạn dừng (b) Trong khoảng không gian vịnh liền sau mũi nhô áp lực nước bị hẩng hụt, gradient áp suất giảm xuống một cách ñột ngột và chỉ tăng dần trên mặt cắt cửa vịnh. ðiều ñó tạo hình thái một lõm thủy lực (hydraulic depression) trên toàn vịnh hở với giá trị cao ở phía ñầu vịnh (Lê Phước Trình, 2008b). Nước biển trong không gian liền sau mũi nhô mang tính không bền vững (non-stability), chuyển ñộng loạn với nhiều cuộn xoáy kích thước lớn nhỏ kết hợp nhau. - Nhiễu xạ sóng sau chướng ngại vật và sự hình thành những cấu trúc thủy ñộng lực ñặc biệt : Trường sóng vùng ven bờ thể hiện rõ hiệu ứng khúc xạ (refraction), tức là thay ñổi hướng truyền của sóng khơi sao cho càng dần vào bờ thì front sóng (wave crest) càng lệch về hướng song song vệt bờ (shoreline), nói cách khác là tia sóng (wave ray) lệch về phía pháp tuyến bờ. Góc lệch front sóng với bờ và góc lệch tia sóng với pháp tuyến bằng nhau (ký hiệu bα ). Sóng tới khi khúc xạ và sóng phản xạ lại từ bờ (reflection) tạo một dải giao thoa ven bờ (interference). Trong lớp biên ngang còn thể hiện hiệu ứng nhiễu xạ sóng (diffraction), tức là biến ñổi gấp gáp các qui luật và ñặc trưng khúc xạ. Nhiễu xạ ñặc biệt rõ khi ñịa hình biến ñổi ñột ngột tạo thành những chướng ngại vật chắn ngang các front 23 sóng (như kè mỏ hàn, mũi nhô ñầu vịnh, doi cát, cồn ngầm, v.v. ...). ðối với vùng ven bờ NTB, mũi nhô ñầu các vịnh hở ñóng vai trò như những chướng ngại vật khổng lồ ngăn chặn quá trình truyền sóng ở cung ñộ N–NE từ biển khơi vào. Dùng hình thái phổ biến của chướng ngại vật là mũi nhô, trên nguyên lý cơ bản của lan truyền sóng ta xây dựng sơ ñồ trường sóng khúc xạ (hình 5 và 8), sơ ñồ thể hiện các tập hợp front sóng (ñường ñứt quảng) và tia sóng tương ứng (ñường liền). Phân tích sơ ñồ có ñối chiếu với thực ñịa (Lê Phước Trình, 2000, 2008a, 2008b) ta rút ra nhận ñịnh về những ñặc ñiểm sau: + ðặc ñiểm phân khu tính chất sóng nhiễu xạ sau chướng ngại vật: Toàn khu vực sóng chịu ảnh hưởng mũi nhô ñược phân thành ba phân khu khác biệt rõ về tính chất : phân khu A khuất sóng; phân khu B sóng chuyển tiếp; phân khu C sóng trở về chế ñộ khúc xạ truyền thống. • Phân khu khuất sóng (A) liền sau mũi nhô thật dễ hiểu. Ở ñây bH - ñộ cao sóng - giảm ñột ngột ñến tối thiểu, năng lượng sóng không ñáng kể, mặt biển tương ñối yên tĩnh, dao ñộng mực nước do sóng (set-up, set-down) rất nhỏ. Ở ñây hướng lan truyền sóng chỉ còn phụ thuộc vào nhiễu xạ từ ngoài vào và từ phía Nam lên, front sóng tạo hình xoắn logarít (spiral), góc lệch tia sóng bα nằm về bên phải pháp tuyến bờ. • Phân khu sóng chuyển tiếp (B) hình thành do quá trình chuyển tiếp trạng thái biển từ khuất sóng (chịu ảnh hưởng tuyệt ñối của mũi nhô) trở về khúc xạ truyền thống (kết thúc ảnh hưởng). Quá trình chuyển tiếp thể hiện tính ñột biến các ñặc trưng sóng cho nên phân khu này hẹp về không gian. ðột biến thể hiện ở hai khía cạnh, một mặt hướng lan truyền sóng thay ñổi từ chế ñộ nhiễu xạ tuyệt ñối (A) sang chế ñộ khúc xạ truyền thống (C), góc lệch bα thay ñổi từ bên phải pháp tuyến bờ sang bên trái xuyên qua giá trị 00 , tức là tia sóng trực giao với bờ (orthogonal và gần như vậy), lúc này toàn bộ công suất sóng (power) sẽ dập vào bờ. Mặt khác, ñộ cao sóng ở ñây tăng ñột biến, có thể ñến giá trị maximum do front sóng song song vệt bờ. Hai ñiều kiện thiết yếu là H lớn và 00≅bα kết hợp nhau tạo công suất sóng cực mạnh. ðây là ñặc tính cực kỳ quan trọng của nhiễu xạ sóng, gây xói lở bờ quyết liệt sau chướng ngại. • Phân khu khúc xạ truyền thống (C) bắt ñầu từ nơi kết thúc hoàn toàn ảnh hưởng của mũi nhô, tức là nơi kết thúc phân khu chuyển tiếp B, trường sóng trở về với chế ñộ khúc xạ ven bờ truyền thống. 24 Hình 5: Sơ ñồ nhiễu xạ sóng sau mũi nhô ở các vịnh hở Hình 6: Dải vật liệu bồi tích vịnh ðề Gi và sơ ñồ nhánh Tây của xoáy + ðặc ñiểm hình thành chuyển ñộng xoáy nhiễu xạ sau chướng ngại vật : Chênh lệch ñộ cao sóng giữa phân khu (A) và phân khu (B) tương ñối lớn, dẫn tới chênh lệch mực nước do sóng (set-up) nghiêng về nơi khuất sóng. ðộ chênh mực nước là nguyên nhân chính hình thành dòng chảy dọc bờ có hướng từ phân khu B tới phân khu A. Giá trị tốc ñộ dòng phụ thuộc giá trị ñộ nghiêng mặt nước ( )/( yHgH bb ∂∂γ ), nhưng thường là khá lớn bởi vì khoảng cách giữa hai nơi không xa. Dòng dọc bờ mạnh theo hướng từ phân khu (B) ñến phân khu (A) vòng lên ñến cuối mũi nhô gây hiệu ứng chảy vòng tròn men theo vệt bờ, ñó là nhân tố cơ bản kích thích quá trình thành tạo một xoáy thuận chiều kim ñồng hồ trong khu vực. Các nhân tố khác như dòng chảy sóng trước mũi nhô, luồng chảy biển ven bờ, v.v. ñóng góp vào quá trình ñó. Ta tạm gọi ñó là xoáy nhiễu xạ (hình 5), khác về nguồn gốc so với xoáy trong lớp biên ngang (hình 4). Phân khu khuất sóng (A), phân khu sóng chuyển tiếp (B) và xoáy nhiễu xạ là những cấu trúc thủy ñộng lực ñặc biệt có ý nghĩa thực tiễn rất lớn. 4. Một số cấu trúc ñặc thù trong chế ñộ thủy thạch ñộng lực tại dải ven biển NTB và tác dụng thực tiễn Những kết quả nghiên cứu trên ñối chiếu với những ñiều kiện tự nhiên cụ thể ở ven bờ NTB cho phép phát hiện và làm sáng tỏ một số cấu trúc ñộng lực cục bộ ñã ñược ñiều tra-khảo sát tại các ñịa phương. 25 - Tại các vịnh Sa Huỳnh, Tam Quan, ðề Gi, Ô Loan: Các vịnh Sa Huỳnh, Tam Quan, ðề Gi, Ô Loan tạo dáng ñịa hình bờ ñồng dạng với sơ ñồ trên hình 5. Chúng ñều bắt ñầu từ một mũi ñá lớn nhô xa ra biển ở phía Bắc làm thành những chướng ngại vật tự nhiên gây ảnh hưởng lên luồng chảy Bắc-Nam và chắn sóng hướng cung ñộ N-NE về mùa ñông. Tại ñây sẽ hình thành các cấu trúc ñặc sắc sau: + Cấu trúc xoáy thuận chiều kim ñồng hồ trong các vịnh : - Về dòng chảy: lớp biên ma sát tồn tại ở ñây là ñiều tất yếu và hậu quả dẫn ñến là một xoáy thuận ổn ñịnh bao trùm không gian vịnh. Xoáy có hình dạng một ê-lip dài theo hướng Bắc-Nam, rìa phía Nam của xoáy không bền vững do không ñược giới hạn bởi ñiều kiện biên ổn ñịnh, rìa phía ðông phối dòng với luồng Bắc-Nam (Lê Phước Trình, 2008a). - Về sóng: hiện tượng nhiễu xạ sóng sau mũi nhô lấn át các tính chất khác của trường sóng trong cung ñộ N-NE và hậu quả dẫn ñến xoáy nhiễu xạ thuận chiều kim ñồng hồ bao trùm không gian phân khu khuất sóng (A) và một phần phân khu sóng chuyển tiếp (B) (Lê Phước Trình, 2008a, b). Cả hai quá trình tạo xoáy thuận chiều kim ñồng hồ xảy ra cùng thời và trên cùng một không gian vịnh, ñiều ñó củng cố vững chắc giả thuyết về sự tồn tại không tránh khỏi cấu trúc xoáy trong các vịnh Sa Huỳnh, Tam Quan, ðề Gi, Ô Loan, v.v. ... . + Dòng Nam-Bắc ven bờ vịnh và vai trò ñối với bồi lấp cửa: Nhánh Tây của xoáy luôn tiếp xúc với bờ vịnh, có nghĩa là tồn tại một dòng chảy dọc bờ theo hướng từ Nam lên Bắc, ổn ñịnh theo ñộ ổn ñịnh của xoáy ít nhất là trong cả mùa gió NE. Dòng này mang một lượng vật liệu từ phía Nam lên, vật liệu (ñáy và lơ lửng) sẽ tụ lại và lắng ñọng ở nơi chuyển hướng dòng, nơi ñó thường là cửa của các kênh tự nhiên nối biển (vịnh hở) với các vịnh kín trong ñất liền. Thế nên quá trình bồi lấp theo các mức ñộ khác nhau tại các cửa biển Sa Huỳnh, Tam Quan, ðề Gi và ñầm Ô Loan chính là quá trình ñược tạo ra và duy trì bởi nhánh Tây của các xoáy, hay nói cách khác là bởi dòng Nam-Bắc ven bờ vịnh (Lê Phước Trình, 2008a, b). ðó là một trong những vai trò quan trọng của xoáy thuận chiều kim ñồng hồ trong các vịnh. Chứng minh tính xác thực của kết luận vừa nêu có thể tìm thấy ở nhiều khía cạnh của tư liệu ñiều tra ño ñạc về xói lở-bồi tụ của các ñề tài. Lấy thí dụ từ tập bản ñồ biến ñổi ñịa hình bờ tỷ lệ 1/100 000 ñược xây dựng bằng tư liệu viễn thám (Lê Phước Trình, 2000). Ở vịnh ðề Gi tồn tại một dải vật liệu bồi tích men theo luồng dọc bờ từ phía Nam lên vượt qua trước cửa vịnh rồi vòng ra khơi (hình 6). ðó là hình ảnh rõ ràng của dòng vật liệu ñược tạo ra bởi nhánh Tây xoáy thuận chiều kim ñồng hồ trong vịnh (Lê Phước Trình, 2008a, b). Thí dụ khác, tại các vịnh Sa Huỳnh, Tam Quan, ðề Gi từ xưa khá lâu ñã hiện 26 diện kè mỏ hàn do các cộng ñồng dân cư tự nguyện ñắp bằng ñá tảng ở phía Nam cửa, mục ñích là ñể ngăn chặn dòng vật liệu dọc bờ từ phía nam lên bồi lấp cửa. Trong cả thời kỳ lâu dài kè luôn ñược gia cố, và gần ñây hệ thống kè này ñược Nhà nước xây dựng lại dài hơn và tương ñối kiên cố. Chứng tỏ có một chế ñộ dòng chảy và dòng vật liệu cố ñịnh dọc bờ Tây vịnh thường xuyên ñưa vật liệu lên tích tụ tại mỏm phía Nam cửa rồi lan ra bồi lấp cửa. Như ñã biết, ñó là hệ quả của một phần chuyển ñộng xoáy trong vịnh (Lê Phước Trình, 2008a, b). Như vậy, trên cơ sở lý thuyết cũng như ñối chiếu với tư liệu ñiều tra-khảo sát ta có thể phát biểu về tính tất yếu hình thành và tồn tại nhiều xoáy thuận chiều kim ñồng hồ tại những vịnh hở ven bờ miền Trung nơi có các ñiều kiện tự nhiên ñồng dạng với nội dung trình bày. Sơ ñồ các xoáy trên một ñoạn Nam Quảng Ngãi - Bắc Bình ðịnh ñược thể hiện trên hình 7. Hình 7: Sơ ñồ nhiều xoáy trong các vịnh hở vùng ven bờ NTB (Qủng Ngãi - Bình ðịnh) Hình 8: Sơ ñồ nhiễu xạ sóng ven bờ do ảnh hưởng của hệ thống kè cảng 27 + Phân khu sóng chuyển tiếp (B) và vai trò chính của nó gây xói lở hoặc phá vỡ bờ quyết liệt ở các vịnh : Bờ biển tại khoảng giữa bờ cát vòng cung của các vịnh Sa Huỳnh, Tam Quan và ðề Gi luôn có xói lở, qua ñó thường xuyên cung cấp lượng vật liệu bồi tích về các cửa. Riêng tại ñầm Ô Loan thì doi cát dài phân cách ñầm với biển không chỉ ñơn giản bị xói lở mà còn bị ñánh tan một cách quyết liệt, mở ra cửa An Hải về phía Nam (hình 5). Nguyên nhân chính của các hiện tượng này xuất phát từ phân khu sóng chuyển tiếp (B) ñược hình thành trong trường sóng hướng cung ñộ N-NE tại các vịnh. - Tại cửa ñầm Ô Loan: Hình 5 là sơ ñồ cơ bản của trường sóng nhiễu xạ sóng nó cũng ñã ñược kết hợp ñể trình bày trường hợp cụ thể cho ñịa phương này. Trên khu vực nhiễu xạ sóng sau mũi Mái Nhà sự hiện diện phân khu sóng chuyển tiếp (B) khá nổi bật bởi tập hợp các tia sóng trực giao bờ. Nếu lấy ñộ cao sóng cực ñại ở dải ven bờ NTB mH b 6max = (Nguyễn Mạnh Hùng và cs., 2009) thì tại phân khu (B) dòng năng lượng sóng tác ñộng lên 1 m ñường bờ tương ñương 22 Tấn/s - một ñại lượng cực kỳ có ý nghĩa ñối với vấn ñề phá vỡ doi cát ñể lập thành lạch triều ngay trong giai ñoạn ñầu của mùa sóng N-NE (ở các vịnh khác thì gây xói lở bờ). Trong trường hợp bình thường, lấy mH b 2= thì dòng năng lượng sóng tác ñộng lên 1 m bờ cũng ñến 2,5 Tấn/s. Giáp giới với phân khu này về hai phía ((A) và (C)) tình hình không quyết liệt như vậy. ðối với các vịnh khác bức tranh ñộng lực sẽ tương tự. Cù lao Mái Nhà có ảnh hưởng nhất ñịnh lên bức tranh lan truyền sóng ở vùng biển bên ngoài Ô Loan, nhưng quan trọng nhất là ảnh hưởng của nó về mùa gió SW khi mà sóng SE phải vượt qua eo biển rồi mới khúc xạ mạnh vào bờ cận khu vực cửa An Hải. Khi ấy trường sóng khúc xạ sẽ cùng với dòng thủy triều tạo ra quá trình xói ở bờ Bắc và bồi ở bờ Nam lạch triều, ñó cũng tức là quá trình dịch chuyển cửa An Hải dần lên phía Bắc doi cát trong chu kỳ năm. Lũ trong ñầm Ô Loan cũng tham gia vào quá trình hình thành và dịch chuyển lạch triều An Hải. - Tại công trình kè chắn sóng cảng Phan Thiết và cảng La Gi: Hai cặp kè chắn sóng bảo vệ cảng Phan Thiết và La Gi cũng là các chướng ngại vật ảnh hưởng lên hệ dòng chảy dọc bờ hướng NE-SW và trường sóng hướng E về mùa gió NE, cơ chế ảnh hưởng giống như trường hợp của các mũi nhô vịnh vừa trình bày trên ñây. Trên thực ñịa quan trắc cho thấy, ở ñây trong lúc ảnh hưởng hệ thống kè lên chế ñộ dòng không rõ rệt thì ảnh hưởng lên trường sóng là cực kỳ mạnh mẽ, các ñặc ñiểm và cấu trúc ñã trình bày về trường sóng nhiễu xạ ñược ghi nhận thậm chí bằng mắt thường. Một ñoạn bờ dài chừng 1,5 - 2,0 km sát gốc các kè (phía Nam) ít biến ñộng, thậm chí có bồi nhẹ, 28 mặt biển bên ngoài khá yên tĩnh (phân khu A). Liền theo ñó thì một ñoạn bờ khác cũng chừng 1,5 - 2,0 km bị sóng lớn dập rất quyết liệt (phân khu (B)). ðây là bãi tắm Phan Thiết và khu dân cư nam thị trấn La Gi, bờ biển bị sạt lở nghiêm trọng, dân cư phải di dời. Cuối cùng, tiếp về phía Nam thì tình trạng mặt biển không còn quyết liệt nữa, bờ biển ñược bồi tụ (Lê Phước Trình, 2008b; Phạm Bá Trung và cs., 2010). Sơ ñồ trường sóng nhiễu xạ tại La Gi ñược trình bày trên hình 8. Tại Phan Thiết bức tranh tương tự. - Tại cửa sông Cửa ðại (Hội An): Hiện tượng dịch chuyển cửa sông Cửa ðại có những ñiểm cũng gắn liền với những chi tiết của cơ chế vừa trình bày. Về mùa gió NE, dòng chảy tổng hợp (gồm dòng chảy gió và dòng chảy sóng) ven doi cát bờ Bắc khá mạnh và ổn ñịnh, tốc ñộ trung bình ño ñược trong khoảng 50 - 70 cm/s (Lê Phước Trình, 2000). ðó là nhân tố cơ bản dẫn một lượng cát lớn men theo bờ ñưa xuống vùng cửa sông. Ở cuối doi cát, nơi tiếp giáp với dòng sông, dòng tổng hợp ven bờ bị dứt ñột ngột, ấy là lý do tất yếu tạo ra một vùng lõm thủy lực áp sát bờ doi cát về phía lòng sông. Các tính chất của lõm thủy lực là ñiều kiện thuận lợi cho vật liệu lắng ñọng và tích tụ, từ ñó hình thành một bãi bồi cao dần lên khỏi mặt nước nối dài doi cát xuống phía Nam lấn vào lòng sông. Cùng thời gian ñó sóng hướng chính Bắc tràn qua sông trên khoảng không gian mặt cắt cửa, tác ñộng mạnh lên bờ phía Nam gây một ñoạn xói lở bờ (hình 1). Bồi ở bờ Bắc, xói ở bờ Nam, ñó là quá trình dịch chuyển Cửa ðại, là hệ quả các quá trình ñộng lực dòng chảy và lan truyền sóng ven bờ (Lê Phước Trình, 2000). Tư liệu ño ñạc nhiều năm cho thấy mức ñộ lấn sông của bãi bồi và mức ñộ xói lờ bờ nam gần tương ñương, và bằng khoảng 30 - 50 m/năm. Cần nói thêm, trong quá trình ñó, tình trạng hẹp lòng sông sẽ làm cho tốc ñộ dòng sông tăng lên ở chính nơi thoát ra biển, trong lũ ñã ño ñược tốc ñộ 2,4 m/s. Luồng mạnh của dòng sông luôn lệch và áp sát về bờ Nam, và ñây lại là một nhân tố nữa làm hình thành vùng lõm thủy lực khác ở cuối mũi An Lương (phía biển) tạo ñiều kiện thuận lợi cho sự lắng ñọng và tích tụ vật liệu từ sông ra, nhanh chóng mở rộng bãi bồi mũi An Lương (hình 1). IV. KẾT LUẬN Nội dung của bài báo góp phần làm sáng tỏ một số vấn ñề sau ñây: 1) Tổng hợp những ñặc ñiểm cơ bản về thủy-thạch ñộng lực ở một số khu vực ñiển hình trên dải ven bờ NTB, trong ñó có hiện tượng dịch chuyển Cửa ðại (Hội An), hiện tượng bồi lấp các cửa biển Sa Huỳnh, Tam Quan và ðề Gi, hiện tượng ñóng/mở cửa An Hải (ñầm Ô Loan), hiện tượng xói lở bờ quyết liệt do ảnh hưởng các hệ thống kè chắn sóng cảng Phan Thiết và cảng La Gi. 29 2) Trên cơ sở lý thuyết lớp biên ma sát và qui luật truyền sóng ven bờ ñã phát biểu về tính tất yếu hình thành và tồn tại cấu trúc chuyển ñộng xoáy trong các lõm ñịa hình (vịnh hở), về hiện tượng phân khu trường sóng nhiễu xạ sau chướng ngại vật các dạng, trong ñó nổi lên cấu trúc của một phân khu sóng chuyển tiếp cực kỳ quan trọng tại các vịnh hở mùa gió NE (phân khu ñột biến ñặc trưng sóng). 3) Nêu giả thuyết về sự tồn tại xoáy thuận chiều kim ñồng hồ hình ê-lip bao trùm diện tích các vịnh Sa Huỳnh, Tam Quan, ðề Gi và Ô Loan mà nhánh Tây của chúng chính là nguyên nhân cơ bản ổn ñịnh gây ra hiện tượng bồi lấp các cửa biển, gây trở ngại cho các ngành khai thác biển khu vực. Trình bày quan ñiểm về nguyên nhân phá vỡ bờ cực kỳ nghiêm trọng sau các hệ thống kè cảng Phan Thiết và La Gi cũng như hiện tượng ñóng mở cửa An Hải (ñầm Ô Loan), ñó chính là tác ñộng cực kỳ quyết liệt của phân khu chuyển tiếp sóng nhiễu xạ sau kè và sau các mũi nhô tự nhiên. Về hiện tượng dịch chuyển Cửa ðại hằng năm, ñó là hệ quả của quá trình ñộng lực thông qua mối liên hệ giữa sự hình thành bãi bồi mới trong lõm thủy lực cuối doi cát bờ Bắc và quá trình xói lở bờ sông phía Nam do tác ñộng của trường sóng N. Tất cả ñều xảy ra hầu như trong mùa gió NE. Lời cảm ơn: Các tác giả chân thành cám ơn các ñồng nghiệp tại phòng Vật Lý biển và phòng ðịa chất-ðịa mạo biển (Viện Hải dương học) ñã nhiệt tình cung cấp tư liệu và ñộng viên trong quá trình hoàn thiện bài báo. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Phước Trình (chủ biên), 2000. Nghiên cứu qui luật và dự ñoán xu thế bồi tụ-xói lở vùng ven biển và cửa sông Việt Nam - Báo cáo khoa học tổng hợp ðề tài KHCN.06.08, Chương trình khoa học cấp Nhà nước KHCN.06, 88 tr. 2. Lê Phước Trình, 2008a. Tác ñộng của các kiểu kè mỏ hàn và vấn ñề chống bồi lấp ở các cửa biển Sa Huỳnh, Tam Quan và ðề Gi - B/c chuyên ñề. ðề tài “ðánh giá những tác ñộng của các công trình bảo vệ ñến môi trường vùng cửa sông ven biển Nam Trung bộ”, Chủ nhiệm : TS Lê ðình Mầu, Viện HDH, 45 tr. 3. Lê Phước Trình, 2008b. Hiện trạng xói lở-bồi tụ và tác ñộng của các công trình bảo vệ vùng ven biển-cửa sông miền Trung (từ ðà Nẵng ñến Bình Thuận) - B/c chuyên ñề. ðề tài “Luận chứng khoa học kỹ thuật phục vụ cho quản lý tổng hợp và phát triển bền vững dải ven bờ biển Nam Trung bộ ñáp ứng mục tiêu chiến lược phát triển kinh tế biển”, Chủ nhiệm ñề tài : TS Bùi Hồng Long, Viện HDH, 47 tr. 4. Nguyễn Mạnh Hùng, ðỗ Thiền, Trương Trọng Xuân, 2009. Trường sóng trên Biển ðông – Trong chuyên khảo “Biển ðông”, T. II, Hà Nội: 341-365. 30 5. Phạm Bá Trung, Lê ðình Mầu, Lê Phước Trình, 2010. Vấn ñề bồi lấp ở các cửa biển Sa Huỳnh, Tam Quan và ðề Gi do tác ñộng của các kiểu kè mỏ hàn. T/c KH&CN Biển, Số 2: 1-13. 6. Trần Văn Bình, Trịnh Thế Hiếu, 2010. Sự biến ñổi hình thái ñịa hình bãi và ñường bờ tại một số khu vực bờ biển Nam Trung bộ theo thời gian (2007 - 2008). T/c Khoa học & Công nghệ biển, T 10: 15-29. THE SPECIFIC HYDRO-DYNAMICAL STRUCTURES CREATED MAIN EROSION-ACCRETION POINTS ALONG SOUTHERN CENTRAL VIETNAMESE COAST LE PHUOC TRINH, BUI HONG LONG, LE DINH MAU, PHAM BA TRUNG Summary: Specific hydro-dynamical structures include the clockwise ellipsoid eddies covering the whole open bays of central coastal zone and the narrow zones of diffraction-wave ray orthogonals constructed after changing over large promontaries and harbour breakwaters. First of them is main reason created important mouth accretion points in the bays of Sa Huynh, Tam Quan and De Gi, and the other created most violent collaption points of the coasts of Phan Thiet, La Gi and O Loan. Key words: Southern Central Vietnamese Coast (NTB), Hydro-litho-dynamic, Anti- clockwise eddy, Headland, Erosion-Accretion, Refraction, Diffraction, North--East (NE), North- North East (NNE), South- West (SW). Ngày nhận bài: 15 - 10 - 2010 Người nhận xét: TS. Trịnh Thế Hiếu