Giáo trình Quản lý tổng hợp vùng bờ - Nguyễn Bá Quỳ

Nội dung text: Giáo trình Quản lý tổng hợp vùng bờ - Nguyễn Bá Quỳ

1. Trường Đại học Thủy lợi - Delft University of Technology NGUYỄN BÁ QUỲ Qu¶n lý tæng hîp vïng bê Cố vấn khoa học: Assoc. Prof. Ir. K.J. Verhagen Hµ Néi -2002
2. MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ QUẢN LÝ VÙNG BỜ 01-14 1.1 Lịch sử và khái niệm quản lý vùng ven bờ 1.2 Quan điểm hệ thống về vùng ven bờ 1.2.1 Khái quát về hệ thống đa dạng vùng ven bờ 1.2.2 Phân hệ tự nhiên 1.2.3 Phân hệ kinh tế – xã hội 1.2.4 Cơ sở hạ tầng và thể chế 1.3 Quản lý vùng ven bờ: phân tích chính sách và hệ thống 1.3.1 Phân tích hệ thống trong giải quyết các vấn đề vùng ven bờ 1.3.2 Các loại dự án quản lý dải ven bờ CHƯƠNG 2: PHÂN HỆ PHI SINH VẬT: MÔI TRƯỜNG VẬT LÝ, 15-38 CÁC NGUỒN TÀI NGUYÊN PHI SINH VẬT 2.1 Mở đầu 2.2 Phân loại và định nghĩa về vùng ven bờ 2.2.1 Phân loại theo nguồn gốc tự nhiên 2.2.2 Bờ biển sơ cấp và thứ cấp 2.3 Các quá trình ven bờ 2.3.1 Sóng và các quá trình liên quan đến sóng 2.3.2 Dòng chảy biển và các quá trình liên quan đến dòng chảy 2.3.3 Vận chuyển trầm tích do gió 2.3.4 Địa mạo bờ biển 2.4 Địa mạo bờ biển 2.4.1 Phạm vi không gian và thời gian trong nghiên cứu địa mạo bờ biển 2.4.2 Mặt cắt bờ biển và sự tiến triển địa mạo ngắn hạn 2.4.3 Sự tiến triển địa mạo dài hạn CHƯƠNG 3: PHÂN HỆ HỮU SINH: MÔI TRƯỜNG SINH THÁI, 39-70 TÀI NGUYÊN SỐNG 3.1 Giới thiệu 3.2 Quá trình sinh thái 3.2.1 Vòng tuần hoàn dinh dưỡng trong hệ sinh thái 3.2.2 Dòng năng lượng qua hệ sinh thái 3.2.3 Cơ chế điều hành hoạt động của hệ sinh thái 3.3 Hệ sinh thái ven bờ 3.3.1 Rạn san hô ngầm 3.3.2 Rừng ngập mặn 3.3.3 Bãi cỏ biển 3.3.4 Vùng cửa sông và đầm phá 3.3.5 Đầm lầy nước mặn 3.3.6 Bãi thuỷ triều
3. 3.3.7 Bãi biển 3.3.8 Hệ sinh thái đụn cát 3.3.9 Hệ sinh thái cỏ biển và bờ đá CHƯƠNG 4: CƠ SỞ HẠ TẦNG VÀ THỂ CHẾ 71-80 4.1 Mở đầu 4.2 Lập kế hoạch xây dựng và các biện pháp bảo vệ bờ biển 4.3 Các công trình bảo vệ bờ biển 4.3.1 Phương án số 0 4.3.2 Nuôi bãi nhân tạo 4.3.3 Mỏ hàn 4.3.4 Tường đứng 4.3.5 Kè bảo vệ cồn cát 4.3.6 Đê chắn sóng đơn 4.3.7 Tôn cao bãi biển 4.3.8 Kiểm soát bồi lắng 4.4 Các mô hình hình thái 4.4.1 Khái niệm về các mô hình hình thái một chiều 4.4.2 Khái niệm về các mô hình hình thái tựa hai chiều 4.4.3 Khái niệm về các mô hình hình thái hai chiều 4.5 Cơ sở hạ tầng thể chế CHƯƠNG 5: PHÂN HỆ KINH TẾ – XÃ HỘI 81-95 SỰ ĐA DẠNG CỦA CÁC CHỨC NĂNG, LỢI ÍCH VÀ XUNG ĐỘT 5.1 Giới thiệu 5.2 Chức năng sử dụng trong hệ thống ven biển 5.2.1 Đặc điểm 5.2.2 Chức năng sử dụng 5.3 Khía cạnh kinh tế xã hội 5.3.1 Các bên liên quan trong quản lý dải ven biển 5.3.2 Các khía cạnh thể chế và luật pháp 5.3.3 Các khía cạnh kinh tế 5.3.4 Các vấn đề về môi trường 5.3.5 Các vấn đề về xã hội 5.3.6 Các yếu tố chính trị CHƯƠNG 6: QUẢN LÝ VÙNG VEN BIỂN LÀ MỘT ĐÁP ỨNG 96- VỚI SỰ THAY ĐỔI TOÀN CẦU 108 6.1 Giới thiệu 6.2 Xu hướng dân số 6.3 Phát triển kinh tế và nhu cầu cạnh tranh 6.3.1 Du lịch và giải trí 6.3.2 Ngư nghiệp
4. 6.3.3 Bảo tồn thiên nhiên 6.4 Thay đổi khí hậu và sự gia tăng mực nước biển 6.4.1 Các dự báo và cơ chế gia tăng mực nước biển 6.4.2 Tác động của sự gia tăng nước biển 6.5 Quản lý tổng hợp vùng ven biển CHƯƠNG 7: QUẢN LÝ TỔNG HỢP DẢI VEN BIỂN TRONG BỐI 109- CẢNH CHÍNH SÁCH QUỐC TẾ 114 7.1 Mở đầu 7.2 Uỷ ban liên Chính phủ về thay đổi khí hậu 7.3 Hội nghị về môi trường và phát triển của Liên hiệp quốc 7.4 Hội nghị quốc tế về vùng ven biển 7.5 Ngân hàng Thế giới CHƯƠNG 8: DỰ ÁN QUẢN LÝ VÙNG VEN BỜ HẢI HẬU - TỈNH 115- NAM ĐỊNH 143 8.1 Mục đích, yêu cầu và nhiệm vụ của công tác quản lý vùng bờ 8.1.1 Mục đích 8.1.2 Yêu cầu 8.1.3 Nhiệm vụ 8.2 Những thuận lợi và khó khăn của vùng biển Hải Hậu – Nam Định 8.2.1 Những thuận lợi đối với vùng biển Hải Hậu – Nam Định 8.2.2 Những khó khăn đối với vùng biển Hải Hậu – Nam Định 8.2.3 Yếu tố kinh tế xã hội 8.3 Đánh giá những tác động bất lợi đối với vùng biển Hải Hậu – Nam Định 8.3.1 Đối với môi trường tự nhiên 8.3.2 Đối với các ngành kinh tế 8.3.3 Đối với môi trường xã hội 8.3.4 Các mâu thuẫn 8.4 Quy hoạch tổng thể vùng bờ biển Hải Hậu – Nam Định 8.4.1 Di Dân 8.4.2 Xây dựng công trình bảo vệ bờ 8.4.3 Lựa chọn phương án bảo vệ bờ
5. LỜI NÓI ĐẦU Quản lý vùng bờ là một trong các môn học được lựa chọn trong dự án “Nâng cao năng lực đào tạo về kỹ thuật bờ biển cho Trường Đại học Thủy lợi Hà nội” do chính phủ Hà lan tài trợ Môn học bao gồm những nội dung chủ yếu về bờ biển: Quản lý vùng bờ, quản lý đường bờ, cồn cát, nghiên cứu cửa sông ,bờ biển Đối tượng của quản lý vùng bờ là quan tâm xem xét vùng bờ biển như là một hệ thống tương tác các hoạt động kinh tế, quá trình vật lý, các phản ứng hóa học và hoạt động sinh vật. Ví dụ hoạt động kinh tế như: đánh cá, hàng hải, hoạt động giải trí, quốc phòng, lắng động chất thải, khai thác khoảng sản, đặt đường ống, đường cáp dưới đáy biển, khai hoang, xây dựng phát trển hải cảng, thăm dò khai thác dầu khí, bảo tồn thiên nhiên Phát triển kinh tế trong vùng bờ phụ thuộc vào năng suất có thể chấp nhận được trong thời gian lâu dài và khả năng của tài nguyên vùng bờ.Quản lý với mục tiêu sử dụng hiệu quả tài nguyên bờ biển cho những lợi ích phát triển kinh tế vùng. Quản lý cần dựa trên nhận thức tổng hợp về một hệ thống bờ biển và mối tương tác giữa hệ thống bờ biển với hệ thống ngoại vi liền kề: lưu vực sông, biển, đại dương. Lập kế hoạch là một việc làm liên tục của các cơ quan quản lý và được xem xét là một nhiệm vụ cốt yếu trong sự phát triển cân bằng bền vững giữa một mặt là phát triển vùng, mặt khác là bảo vệ tài nguyên vùng bờ lâu dài. Mục tiêu cần đạt được trong môn Quản lý vùng bờ là: - Đưa ra một phương pháp tổng hợp có hệ thống để mô tả quá trình vật lý, sinh vật và kinh tế xã hội trong vùng bờ và mối tương tác giữa chúng trong hệ thống. - Tăng cường kiến thức và sự hiểu biết về những quá trình này. - Chỉ ra cách làm để sử dụng và cung cấp các thông tin có chất lượng cho các nhà ra quyết định về chính sách và các nhà quản lý vùng bờ. Môn học này được chia ra làm 3 phần: * Phần giới thiệu đưa ra một cách nhìn cơ bản, toàn cảnh về hệ thống vùng bờ. Bên cạnh các phân tích chính sách cốt lõi được coi như là một công cụ trong việc giải quyết vấn đề bờ biển. Những yếu tố chính trong bất kỳ các phân tích về quản lý tổng hợp vùng bờ là: + Phân tích hệ thống tự nhiên bao gồm nước, bùn cát, chất hữu cơ hoặc hình thái bờ biển.
6. + Phân tích, đánh giá các hoạt động kinh tế và tác động của chúng với hệ thống tự nhiên. + Đề xuất các giải pháp nhằm thực hiện việc phát triển kinh tế xã hội bền vững theo hướng tiếp cận quản lý tổng hợp. * Phần thứ hai bao gồm các nội dung cơ bản sau đây: - Hệ thống phi sinh vật - Hệ thống hữu sinh - Phân hệ kinh tế xã hội - Sự phát triển của hệ thống quản lý - Sự thay đổi toàn cầu tác động đến các hệ sinh thái ven biển - Chính sách quốc tế về quản lý vùng bờ * Phần thứ ba trình bày một mô phỏng mẫu về phương thức quản lý vùng bờ thông qua trò chơi mô phỏng. Thông qua việc xây dựng các kịch bản giúp người học hiểu biết nội dung cần làm trong việc quản lý, nhận thức sâu sắc hơn các giá trị của vùng bờ và đề xuất các giải pháp nhằm khai thác, sử dụng và phát triển tài nguyên vùng ven biển. Tác giả xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nhân viên của CICAT, Khoa xây dựng, Trường Đại học công nghệ Delft. Cảm ơn các nhà khoa học, đồng nghiệp trong và ngoài trường Đại học Thủy lợi, đặc biệt là PGS. H.J.Verhagen, người đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành quyển giáo trình và PGS. TS. Vũ Minh Cát - người hiệu đính, hoàn thiện trước khi in ấn. Đây là lần soạn thảo đầu tiên, không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được ý kiến đóng của các chuyên gia, các đồng nghiệp và sinh viên để từng bước hoàn thiện, có thêm một tài liệu khoa học phục vụ giảng dạy và tham khảo Hà nội – 2002 PGS. TS. Nguyễn Bá Qùy
7. CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ QUẢN LÝ VÙNG BỜ 1.1 Lịch sử và khái niệm quản lý vùng ven bờ Con người luôn ưa thích vùng ven bờ vì những nguồn tài nguyên hấp dẫn của nó. Với những vùng đất đồng bằng màu mỡ và có nguồn tài nguyên biển phong phú, cộng với khả năng tiếp cận các thị trường quốc tế một cách dễ dàng, vùng ven bờ đã và vẫn đang thu hút sự quan tâm của con người. Vùng ven bờ là trung tâm phát triển kinh tế của một quốc gia, nơi tập trung rất nhiều hoạt động kinh tế, xã hội, đồng thời cũng chịu nhiều ảnh hưởng bởi hoạt động này. Trong tương lai, tầm quan trọng của vùng ven bờ sẽ ngày một cao hơn do số lượng người dân đến đó sinh sống ngày một nhiều hơn. Vùng ven bờ thực chất là một hệ thống tài nguyên đa dạng. Nó cung cấp các tài nguyên sinh vật và phi sinh vật cho hoạt động của con người và có chức năng điều hoà môi trường tự nhiên cũng như nhân tạo. Mặt khác, vùng ven bờ là một hệ thống nhiều người sử dụng. Con người sử dụng các nguồn tài nguyên cho sự sống như nước và thức ăn, cho các hoạt động kinh tế như sử dụng không gian, các tài nguyên tái tạo và không tái tạo được và nghỉ ngơi, giải trí (các bãi cát và nước ven bờ). Quá trình công nghiệp hoá, phát triển thương mại và áp lực của sự gia tăng dân số liên tục ở nhiều nơi đã làm tăng sự xói mòn, lũ lụt, mất dần các vùng đất ngập nước, ô nhiễm, khai thác bừa bãi đất đai và các nguồn nước ở vùng ven bờ. Nâng cao nhận thức về giới hạn của các nguồn tài nguyên, sự suy thoái môi trường và hậu quả đối với con người đã thúc đẩy các nghiên cứu nhằm đưa ra giải pháp lâu dài cho vấn đề quản lý các nguồn tài nguyên. Những nghiên cứu đó dựa trên cơ sở khái niệm về khả năng chịu đựng của môi trường, là chỉ dẫn cho các hoạt động kinh tế xã hội vì mục tiêu bảo tồn lâu dài các yếu tố và khu vực thiết yếu và khu vực thiết yếu của hệ thống môi trường. Năm 1972, lần đầu tiên trong báo cáo của Câu Lạc Bộ Thành Rôm đã đề cập những vấn đề nói trên một cách hệ thống và chặt chẽ, kết quả đã cho ra đời một cuốn sách nổi tiếng nhan đề “Những giới hạn phát triển “ (Meadows và những người khác - 1972). Phản ứng chính trị đối với thách thức này đã được Uỷ ban Quốc tế về Môi trường và Phát triển trình bày năm 1987 trong báo cáo Bruntland về “Tương lai chung của chúng ta”(WCED-1987). Báo cáo đưa ra khái niệm phát triển bền vững như một giải pháp đảm bảo những điều kiện sống có thể chấp nhận được cho các thế hệ hôm nay cũng như mai sau. Báo cáo Bruntland đã đưa ra các mục tiêu cho chiến lược bảo tồn toàn cầu như sau: - Duy trì các quá trình sinh thái thiết yếu và các hệ thống duy trì sự sống. - Bảo tồn đa dạng gen. - Sử dụng bền vững các loài và các hệ sinh thái. 1
8. Năm 1992, 20 năm sau báo cáo của câu lạc bộ Thành Rôm, một hội nghị đặc biệt về môi trường và Phát triển(UNCED) của Liên hợp quốc đã được tổ chức ở Rio de janero. Chương trình nghị sự 21 là một kế hoạch hành động được đưa ra cho các quốc gia nhằm phát triển bền vững. Nội dung “Chương trình nghị sự 21” bao gồm toàn bộ những chủ đề có liên quan đến môi trường và Phát triển. Sự tiếp cận theo huớng tổng hợp như vậy được trình bày trong cuốn sách của Meadow - được gọi là “Tiếp cận tầm giới hạn” (Meadow và các cộng sự -1992). Hình 1.1: Phát triển của các thành phố trên bờ biển Ngày nay người ta đã công nhận rằng sự phát triển vùng ven bờ cần dựa trên cơ sở sự hiểu biết đúng đắn về các quá trình ở đó, sử dụng kĩ thuật và các kỹ năng kinh tế xã hội nhằm đạt được một sự cân bằng có thể chấp nhận được giữa những lợi ích trước mắt và lâu dài. Chính vì vậy, một sự phát triển được kiểm soát cần phải tiến hành ngay tại vùng ven bờ. Các mâu thuẫn giữa các đối tượng sử dụng khác nhau đang trở nên gay gắt hơn. Chúng ngày càng phát triển cả về quy mô cũng như phạm vi khi dân số và việc sử dụng các nguồn tài nguyên trên trái đất tăng lên. Sự cần thiết phải có một phương pháp chung để mô tả mối quan hệ qua lại phức tạp giữa hệ thống tài nguyên và việc sử dụng nó. Bởi thế, cần phải lập kế hoạch và kiểm soát quá trình này một cách bền vững và hệ thống. Quá trình này gọi là “Quản lý vùng ven bờ” (CZM). Quản lý vùng ven bờ nhằm mục đích giải quyết những vấn đề hiện tại và trong tương lai ở vùng ven bờ, bằng cách tìm ra một sự cân bằng bền vững giữa lợi ích kinh 2
9. tế và sự an toàn của môi trường. Điều này có thể đạt được nhờ phân tích kỹ lưỡng các quá trình tự nhiên và hoạt động phát triển kinh tế xã hội. Cần phải đẩy mạnh việc phát triển khả năng quản lý tổng hợp vùng ven bờ đối với các quốc gia vùng ven biển, bởi vì: - Xu hướng tăng tỷ lệ đói nghèo ở các vùng ven biển hiện nay đang dẫn đến sự suy thoái vùng ven bờ và chất lượng cuộc sống ở đó. - Các áp lực do phát triển và dân sinh hiện nay đang làm gia tăng ô nhiễm biển có nguồn từ đất liền và sự can thiệp của con người ở các lưu vực sông cũng như ảnh hưởng của quá trình ven bờ. Những áp lực này bao gồm : - Giảm nơi cư trú và các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong đó có các bãi biển, rừng ngập nặm, đất ngập nước, cỏ biển và san hô,cũng như các tài nguyên thuỷ sản và các nguồn tài nguyên biển và ven bờ khác; - Tăng sự tổn thương đối với vùng ven bờ do bị ô nhiễm, mất bãi biển, sinh cảnh, tăng hiểm hoạ tự nhiên và các tác động lâu dài của sự thay đổi khí hậu toàn cầu. Những thay đổi nói trên hiển nhiên sẽ hạn chế khả nằng phát triển trong tương lai: - Nhiều nguồn tài nguyên và hệ sinh thái ven bờ đã xuống cấp và đang bị đe diah cần phải được tái tạo và phục hồi; - Các nỗ lực để phát triển năng lực quản tổng hợp vùng ven bờ và thực hiện các chương trình quốc gia có kéo dài 10 năm hoặc hơn nữa; - Thực hiện các chiến lược nhằm thích ứng và giảm thiểu những ảnh hưởng của thay đổi khí hậu toàn cầu có thể kéo dài một vài thập kỷ và hơn nữa, cho dù có áp dụng ngay các biện pháp làm giảm bớt lượng phát thải khí nhà kính. D©n sè vïng kh¸c D©n sè vïng ven biÓn Hình 1.2: Dân số vùng ven biển Bởi vậy, bây giờ là lúc phải bắt đầu hoặc tăng cường quản lý tổng hợp vung ven bờ. Nhìn chung, các mục tiêu cơ bản của quản lý vùng ven bờ: - Dự báo nhu cầu về sử dụng các nguồn tài nguyên trong tương lai. 3
10. - Lập kế hoạch khai thác các nguồn tài nguyên này. - Kiểm soát việc sử dụng các nguồn tài nguyên này. Quản lý vùng ven bờ là cả một quá trình. Nó bao gồm tất cả các hoạt động kinh tế, chính trị, xã hội. Thành công của quản lý vùng ven bờ phụ thuộc rất nhiều vào nhận thức của cộng đồng về các vấn đề liên quan đến sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên và thiện chí chính trị để giải quyết chúng. Trong quá trình này, nhiều giai đoạn khác nhau cần được tiến hành như sau: Giai đoạn 1: xác định vấn đề - các dấu hiệu mang tính xã hội (chẳng hạn như khi các nhóm bị ảnh hưởng lên tiếng) chỉ ra khả năng có một vấn đề. Trong một thời đoạn nào đó, có thể có mâu thuẫn về quan điểm về các nhóm khác nhau trong xã hội về phạm vi, nguyên nhân và ảnh hưởng của vấn đề đó. Sự nhất trí về tính cần thiết của sự can thiệp về phía chính quyền (trong hoạch định chính sách) là mục tiêu cuối cùng kết thúc giai đoạn này. Giai đoạn 2: Lập chính sách - mặc dù đã có sự thống nhất là có vấn đề, song vẫn còn những quan điểm khác nhau về cách giải quyết nó. Phát triển công nghệ được lưu tâm để giải quyết vấn đề này. Giai đoạn 2 được kết thúc khi chính quyền đưa ra một chính sách đầy đủ cùng với các biện pháp tương ứng. Phân tích chính sách là một phần trong giai đoạn này. Nhiệm vụ của tổ chức quản lý vùng ven bờ được đề cập đến trong giai đoạn này. Giai đoạn 3: Thực thi chính sách – cuối cùng thì kế hoạch được phê duyệt sẽ đưa vào thực hiện. Đầu tư được triển khai; các dự án được thiết kế và thực hiện và sự phản ứng liên quan về khía cạnh chính trị xã hội cũng lắng xuống. Giai đoạn 4: Quản lý và kiểm soát – kiểm soát là trọng tâm của giai đoạn này. Những công việc thường xuyên như giám sát có thể dẫn đến đòi hỏi đổi mới công nghệ và tăng đầu tư. Điều chỉnh tính pháp lý trở nên quan trọng. Cần thận trọng bởi vì những phát triển mới cũng như kiến thức và sự hiểu biết về tình hình liên quan có thể đòi hỏi các biện pháp bổ sung. Đây là quá trình có tính tuần hoàn rất đặc trưng. Rõ ràng, việc quản lý vùng vùng ven bờ là hết sức khó khăn và phức tạp, đòi hỏi phải có kiến thức rất rộng. Sự gia tăng các hoạt động ở vùng ven bờ làm nảy sinh các vấn đề ngày càng nhiều hơn. Những vấn đề này có thể rất đa dạng về phạm vi không gian và thời gian như: - Xói lở bờ biển do xây dựng cảng, kè trên sông và khai thác cát. - Suy thoái hệ sinh thái do phát triển đô thị, nuôi trồng thuỷ sản và ô nhiễm nước. - Giảm sút hoạt động du lịch do các bãi biển bị ô nhiễm bởi rong, rêu phát triển khi có nhiều chất dinh dưỡng từ đất liền đưa ra biển. - Ô nhiễm do sự cố tràn dầu. Ở nhiều nước, những vấn đề như đã đề cập ở trên được giải quyết mà không thể dự tính trước. Trong khi đó, các vấn đề không thể tách biệt nhau và là một phần của 4
11. phát triển tổng thể kinh tế - xã hội. Cách giải quyết một vấn đề cụ thể được lồng ghép trong bài toán tổng thể. Các thách thức đối với công tác quản lý vùng ven bờ rất đa dạng, chẳng hạn như sự thay đổi các điều kiện ngoại cảnh (mực nước biển dâng lên, xói lở trên diện rộng, sụt lún đất), sự thay đổi mô hình kinh tế xã hội (gia tăng sự chuyển dịch các hoạt động kinh tế xã hội về các vùng ven bờ) và các hoạt động từ nguồn nước thải, khai thác cát đá v.v. Để nghiên cứu mức độ dễ bị tổn thương của vùng ven bờ do những thay đổi nói trên, không chỉ có các tác động riêng lẻ mà sự tương tác giữa chúng cũng cần phải biết. Nói chung, tính dễ bị tổn thương của vùng ven bờ có thể bị xem xét trong bối cảnh của sự phát triển bền vững, một khái niệm dùng để chỉ khả năng của một quốc gia trong việc giải quyết một cách lâu bền tất cả những áp lực, vấn đề và thiệt hại về môi trường ở vùng ven bờ của mình. Giá trị sinh thái và kinh tế phải được xem xét cân đối để đưa ra các chiến lược cho sự phát triển bền vững như vậy. Đây là một vấn đề phức tạp bởi vì suy thoái môi trường là một quá trình diễn ra chậm nhưng khó có thể đảo ngược được. Các hành động ngăn ngừa phải được xúc tiến trước khi những dấu hiệu của sự suy thoái trở nên rõ ràng. Quy hoạch các nguồn tài nguyên vùng ven bờ chứa đựng các khía cạnh về kỹ thuật, xã hội, kinh tế và môi trường. Nó đòi hỏi sự đóng góp của rất nhiều ngành, lĩnh vực. Một số ví dụ về lĩnh vực chuyên môn trong nhóm nghiên cứu lập kế hoạch được đưa ra dưới đây: Kỹ thuật: Kỹ thuật biển, địa hình ven bờ, hình thái bờ biển, thuỷ động lực học, khí tượng biển, địa chất; Kinh tế- xã hội : Kinh tế vĩ mô, kinh tế kỹ thuật, nhân khẩu học, quy hoạch vùng, xã hội học và các chuyên môn khác của đối tượng sử dụng như nghề cá, khai khoáng, giao thông và du lịch. Môi trường: sinh học, sinh thái học, hoá học. Bên cạnh sự đóng góp của các ngành chuyên môn, phải cần đến năng lực của các nhà phân tích hệ thống và chính sách, những người có thể tổng hợp các đóng góp của các chuyên gia vào hệ thống phân tích chặt chẽ và có thể đưa ra các chiến lược trình các nhà ra quyết định. 1.2 Quan điểm hệ thống về vùng ven bờ 1.2.1 Khái quát về hệ thống đa dạng vùng ven bờ Vùng ven bờ là một vùng điển hình, nơi các vấn đề tương tác với nhau có thể được xem xét bằng phương pháp phân tích hệ thống. Như minh hoạ một cách trìu tượng ở hình 1.3, vùng ven bờ trước hết được kiểm soát bởi hai nguồn hoạt động: Các điều kiện tự nhiên (tồn tại ngoài sự kiểm soát của con người) và cơ sở hạ tầng tổ chức 5
12. hay các kế hoạch phat triển kinh tế xã hội, hình thái có tổ chức và được phê chuẩn, mà trong đó có sự hoạt động tích cực của con người. Tiếp theo cũng trên hình 1.3, ba hệ thống cơ bản trong vùng ven bờ được phân biệt: Hình 1.3: Nguyên tắc hệ thống của các yếu tố chính trong vùng ven bờ - Hệ tự nhiên: bao gồm tất cả những gì không do con người tạo ra (khí quyển, thạch quyển, thuỷ quyển) kể cả sự tương tác giữa chúng thông qua các quá trình sinh học, phi sinh học và hoá học. Đây là hệ các nguồn tài nguyên tồn tại khá bền vững, nếu không có sự tác động của con người. - Các chức năng sử dụng thể hiện toàn bộ các lợi ích của con người trong việc “sử dụng” theo một nghĩa rộng nhất các nguồn tài nguyên đó. - Cơ sở hạ tầng: bao gồm cơ sở hạ tầng về tổ chức và kỹ thuật. Những cơ sở hạ tầng này cần phải có sẵn và như vậy có thể vật chất hoá những chức năng sử dụng dự định. Trong nhiều trường hợp, các cơ sở hạ tầng có ảnh hưởng vô ý cũng như hữu ý đến hệ tự nhiên, và đôi khi ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến các chức năng sử dụng khác, gây ra áp lực và mâu thuẫn. Ba hệ thống: hệ tự nhiên, các chức năng sử dụng và cơ sở hạ tầng tương tác với nhau về: Nguyên tắc rất nhạy cảm đối với các phân tích khoa học và định lượng. Tất cả các hoạt động của con người, theo như định nghĩa, diễn ra trong mối tương tác với hệ tự nhiên, một phần chỉ đơn thuần do sự có mặt của con người, phần khác qua các ảnh hưởng trực tiếp của việc khai thác, cơ sở vật chất hạ tầng và sự ô nhiễm của các chất thải. Tam giác cong nhỏ ở giữa với vị trí chiến lược là giao của ba hệ thống trên, thể 6
13. hiện vai trò quan trọng của công tác quản lý vùng ven bờ. Đây là nơi có tất cả các thông tin liên quan và các chiến lược cho phát triển bền vững được xây dựng trên cơ sở các kiến thức tổng hợp, hệ thống thông tin và phân tích chính sách. 1.2.2 Phân hệ tự nhiên Trong sơ đồ hệ thống vùng ven bờ, hệ tự nhiên là hệ không có sự tác động của con người. Các yếu tố cơ bản trong hệ tự nhiên là: - Không khí (khí quyển ). - Nước (thuỷ quyển) kể cả các chất hoà tan có thể được mô tả qua các tính chất hoá học, vật lý và sinh học của chúng. - Trầm tích (thạch quyển) đặc trưng bởi các tính chất vật lý, khoáng vật học và hoá học của nó, cũng như các tham số thuỷ động lực học và kỹ thuật địa chất liên quan như tốc độ lắng chìm và ứng suất tiếp tới hạn. - Sự sống trên đất liền và dưới biển được đặc trưng bởi số lượng các loài khác nhau với số cá thể khác nhau. Nhìn chung, các tính chất của các yếu tố cơ bản trên có thể sử dụng làm tài liệu đầu vào cho các mô tả mang tính định lượng về các quá trình tự nhiên đang diễn ra ở vùng ven bờ. Chúng là cơ sở quan trọng phục vụ cho việc giám sát các điều kiện sinh thái ở vùng ven bờ . Hệ thống vùng ven bờ thực chất là phần giao nhau giữa khí quyển, thuỷ quyển và thạch quyển. Việc mô tả chi tiết hơn về hệ thống có thể sử dụng mô hình số trị. Việc mô tả này bao gồm đánh giá các yếu tố quan trọng của hệ thống, các mối tương tác vật lý giữa chúng và sau đó xây dựng hệ phương trình cơ bản biểu diễn các quá trình tương tác giữa những yếu tố này. Một điều quan trọng khác nữa là xác định gianh giới hệ thống của vùng nghiên cứu. Chưa có một định nghĩa chung nào về vùng ven bờ được công nhận. Năm 1982, hội nghị Liên Hợp Quốc về luật biển đã đưa định nghĩa đối với các vùng khác nhau theo chủ quyền và tính pháp lý. Trong bối cảnh đó, các hoạt động khoa học tại vùng ven bờ bị giới hạn trong hải phận quốc gia. Để áp dụng được vào thực tế, cần có sự hoàn thiện hơn về khía cạnh luật pháp, trên cơ sở xem xét tổng thể các điều kiện sinh thái và vật lý. Biên giới nghiên cứu phải xác định cho một đối tượng cụ thể, bởi vì các nghiên cứu có thể được tiến hành với quy mô khác nhau cả về thời gian lẫn không gian. Biên giới của hệ thống nghiên cứu và việc mô tả các quá trình liên quan đến nó sẽ được lựa chọn tương ứng. Không gian theo chiều dọc bờ biển của hệ thống được xác định khi các các hoạt động trong đó được xem xét trong khoảng thời gian xác định. Điều này có thể dẫn tới phạm vi của hệ thống lên đến hàng 100 km và cần được xem xét trong một khoảng dài. Các kỹ sư chuyên về vùng ven bờ hoặc các nhà địa mạo học vùng ven bờ thường được tham gia nghiên cứu các hệ thống với quy mô nhỏ hơn có kích thước vài chục kilomét. 7
14. Nếu nghiên cứu tác động của hệ thống đến chất lượng nước và hệ sinh thái thì khái niệm hệ thống vùng ven bờ cần được xem xét và phân tích với quy mô lớn hơn. Trong trường hợp đó, nghiên cứu thường phải mở rộng ra cả ngoài hải phận quốc gia, mà đôi khi nó đòi hỏi phải có một phương thức tiếp cận mang tính quốc tế. Gianh giới về phía biển, ví dụ như gianh giới của hệ thống động lực địa mạo thường được chọn ở nơi đủ sâu, nơi sự đóng góp cho quỹ bùn cát sát bờ là nhỏ. Điều này thường xảy ra tại độ sâu nằm trong khoảng từ 25 đến 30m. Nếu có hẻm núi ở vùng nước sâu ngoài khơi, thì ảnh hưởng của chúng cần được tính đến như một điểm hút bùn cát. Rõ ràng, các điều kiện biên thuỷ lực ở phía biển cần phải xác định một cách hợp lý nhằm phân tích được ảnh hưởng của sóng và dòng chảy từ một hệ thống vùng ven bờ lớn hơn. Gianh giới phía đất liền thường được chọn là gianh giới giữa biển và đất liền tại mức thuỷ triều cao. Ở những vùng mà đồng bằng ven biển và những đụn cát có đóng góp đáng kể vào quỹ trầm tích, ảnh hưởng của chúng phải được thể hiện trong điều kiện biên. Tương tự như vậy, vận chuyển bùn cát từ các con sông ra biển cũng phải được tính đến như một nguồn bùn cát. Những vùng có chất lượng nước kém, cũng cần được đưa vào hệ thống xem xét một cách đầy đủ. Các quá trình vật lý ở vùng ven bờ rất phức tạp. Các tương tác thường xuyên giữa 2 hay nhiều quá trình cần được tính đến. Nói chung, có thể phân chia ra các loại quá trình dưới đây: - Các quá trình động lực học chẳng hạn như tương tác khí quyển - biển hoặc sự vận chuyển bùn cát do gió. - Các quá trình thuỷ động lực học như sóng, triều, mực nước và dòng chảy. - Các quá trình hình thái động lực học như tương tác giữa vận chuyển bùn cát và các thay đổi địa hình đáy biển và hình thái đường bờ. - Các quá trình địa động lực học do sự mất ổn định về địa chất như sụt lún, nâng lên của mặt đất, động đất, hoá lỏng và trượt lở. - Các quá trình sinh thái động lực học mô tả những thay đổi xảy ra trong hệ sinh thái do các quá trình /yếu tố nêu trên. 8
15. Hình 1.4: Các quá trình vật lý vùng ven bờ 1.2.3. Phân hệ kinh tế – xã hội Theo quan niệm truyền thống, vùng ven bờ là vùng có hoạt động kinh tế xã hội mạnh nhất và cũng là vùng sản xuất lượng thực phẩm chính. Nhìn chung, gianh giới của hệ thống kinh tế xã hội không đồng nhất với gianh giới của hệ tự nhiên. Các hoạt động trong một vùng rộng hơn vùng ven bờ, có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trong phạm vi vùng ven bờ. Việc gia tăng xâm nhập mặn do xói lở bờ biển có thể ảnh hưởng tới những vùng nông nghiệp thấp trũng rộng lớn trong nội địa. Việc mất đi các bãi biển có ảnh hưởng đến các hoạt động liên quan ở những khu vực lân cận. Chưa có một chỉ dẫn chung cho việc xác định gianh giới của hệ thống kinh tế xã hội. Các gianh giới này phải dựa trên cơ sở phân tích các hoạt động kinh tế xã hội hiện tại và trong tương lai ở vùng ven bờ và vùng nội địa liên quan đến nó, như trình bày trong các kế hoạch phát triển vùng và quốc gia. Trên cơ sở chức năng sử dụng khác nhau của vùng ven bờ, có thể phân ra các nhóm sau: - Các chức năng cơ bản: sản xuất lương thực, cung cấp nước và năng lượng - Các chức năng xã hội: Xây dựng nhà ở và giải trí. - Các chức năng kinh tế: Giao thông vận tải, phát triển công nghiệp và khai thác cát. - Các chức năng công cộng: bảo vệ và xử lý nước, rác thải. 9
16. Hình 1.5: Ảnh hưởng các hoạt động KTXH đến hệ sinh thái biển Hiện tại và tương lai của vùng ven biển được nghiên cứu theo không gian sử dụng của các hoạt động khác nhau, hàng hoá và dịch vụ do chúng cung cấp và những giá trị kinh tế xã hội vốn có của chúng. Hiện nay, nhiều nước xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu để có thể sử dụng một cách hiệu quả trong việc thể hiện các hoạt động trong hệ thống. Kết quả của nghiên cứu phân tích chính sách phải xác định được các tác động từ chính sách đã lựa chọn lên các chức năng sử dụng. Ví dụ điển hình là vùng nghiên cứu nằm ở phía Tây Nam Hà Lan, trên một vùng đồng bằng ven biển, điểm hội tụ của 3 cửa sông chính trước đây. Những mâu thuẫn gay gắt nảy sinh giữa chức năng giải trí, phát triển thuỷ sản và bảo tồn sinh thái (đặc biệt là sự sống của các loài chim và hải cẩu). Chính sách ưu tiên ở đây là bảo tồn sự phát triển hệ sinh thái, trong khi hoạt động của ngành thuỷ sản và hoạt động giải trí có thể được lồng ghép vào sự phát triển đó. Vấn đề này được thực hiện dựa vào các giới hạn sử dụng và việc phân vùng các chức năng sử dụng chính. 10
17. 1.2.4 Cơ sở hạ tầng và thể chế Khái niệm cơ sở hạ tầng có nhiều nghĩa. Nó đề cập đến các yếu tố vật chất như đường xá, cầu, đê chắn sóng, đê chắn cát ngoài biển v.v và cả những yếu tố liên quan đến thể chế. Phần lớn các hoạt động ở vùng ven bờ đều nhờ vào cơ sở hạ tầng và vấn đề này được xem xét đến trước tiên. Do ảnh hưởng của các công trình vùng ven bờ đến hệ thống tự nhiên và chi phí xây dựng chúng, các công trình này là yếu tố quan trọng trong các nghiên cứu quản lý vùng ven bờ. Tuỳ thuộc vào ảnh hưởng của chúng tới hệ thống ven bờ, có thể phân chúng theo 3 nhóm sau: - Công trình chống đỡ: bao gồm vật chất tự nhiên như cát, sỏi. Chúng là tấm bình phong để chống xói lở các vùng ven bờ. Các cồn cát, bãi bồi nhân tạo ảnh hưởng ít nhất đến các quá trình tự nhiên. - Công trình bảo vệ: được làm từ vật chất có khả năng chịu lực như đất sét, đá hoặc các sản phẩm nhân tạo như bê tông. Các công trình như đê, kè, tường biển được xây dựng để bảo vệ bờ biển khi gặp sóng mạnh và thuỷ triều cao. Khi các công trình làm chức năng bảo vệ thì chúng cũng tác động vào các quá trình vùng ven bờ - Công trình tác động: được thiết kế để tác động một cách tích cực đến các quá trình tự nhiên nhằm cải thiện các điều kiện cho một vài hoặc tất cả các hoạt động ven bờ. Bởi thế các công trình này được xây dựng từ những vật chất nhân tạo có thể chịu được áp lực tự nhiên. Ví dụ như các đê chắn sóng, đê bảo vệ bờ biển. Rõ ràng kiểu công trình này có tác động mạnh đến hệ sinh thái ven biển. Cơ sở hạ tầng ở bên ngoài vùng ven bờ cũng có ảnh hưởng gián tiếp đến động học vùng ven bờ. Chẳng hạn việc xây dựng đập ngăn sông giữ lại một phần lượng nước và bùn cát vận chuyển tới vùng ven bờ. Kết quả là theo thời gian, một phần bãi trước sẽ bị xói mòn do thiếu hụt bùn cát và kết quả là sau một thời gian nào đó, quá trình xói lở sẽ diễn ra. Tiếp theo là những nội dung liên quan đến thể chế. Quản lý vùng ven bờ một cách hiệu quả cần đến một hệ thống kiểm soát, trong đó đưa ra các mục tiêu quản lý vùng ven bờ, giám sát quá trình thực hiện và các kế hoạch hành động ngắn hạn và dài hạn thích hợp. Liên quan đến nội dung này có thể xác định được 4 hệ thống sau: - Hệ thống chính sách: xác định các mục tiêu lâu dài quản lý vùng ven bờ và tiêu chuẩn áp dụng cho phân tích các kịch bản; - Hệ thống luật pháp: bao gồm các công ước quốc tế, tính hiệu lực đối với việc thực thi chính sách nói trên. - Hệ thống tài chính: cung cấp nguồn tài chính cần thiết. - Hệ thống thực thi: xác định phạm vi trách nhiệm đối với tất cả các hoạt động liên quan đến quản lý vùng ven bờ. 11
18. Hình 1.6: Ảnh hưởng các hoạt động kinh tế xã hội tới vùng ven biển Do các điều kiện lịch sử, văn hoá, hành chính, xã hội và tài chính khác nhau, mỗi nước xây dựng các hệ thống kiểm soát khác nhau. Bởi vì hệ thống kiểm soát có ý nghĩa quyết định đối với sự thành công của quản lý vùng ven bờ, cho nên các đặc điểm của nó và trách nhiệm của các liên quan phải được nhận thức bởi chính các nhà quản lý vùng ven bờ đó. 1.3. Quản lý vùng ven bờ: phân tích chính sách và hệ thống 1.3.1. Phân tích hệ thống trong giải quyết các vấn đề vùng ven bờ Quản lý vùng ven bờ thực chất là một quá trình ra quyết định liên tục, nhằm mục đích thu hẹp khoảng cách giữa thực tế và điều mong muốn trong sử dụng các nguồn tài nguyên biển và ven bờ. Nói chung, điều này có thể đạt được nhờ một hệ thống các quyết định/ biện pháp. Việc hình thành vấn đề, xác định mục tiêu quản lý và xây dựng các chính sách phù hợp để đạt được các mục tiêu quản lý đó, cần được tiến hành theo một quy trình hệ thống, trong đó có việc đề xuất, phân tích và đánh giá các chiến lược nhờ sử dụng phương pháp phân tích hệ thống. Phân tích chính sách có thể được mô tả như một quá trình hệ thống, giúp những người lãnh đạo đưa ra quyết định xác đáng, đánh giá và lựa chọn một hành động tối ưu trong số các các chiến lược khả thi khác nhau để đạt được những mục tiêu quản lý đề ra. Đó là một cách tiếp cận có hệ thống và logíc với các giả thuyết, mục tiêu và tiêu chí được xác định và chỉ ra một cách rõ ràng. Nó có thể hỗ trợ đắc lực người ra quyết định 12
19. đưa ra quyết định đúng đắn hơn thông qua việc mở rộng cơ sở thông tin, nâng cao sự hiểu biết về hệ thống vùng ven bờ và dự đoán kết quả của một số phương án hành động khác nhau. Cốt lõi của phân tích chính sách (phương pháp xây dựng vấn đề) chính là phân tích hệ thống. Phân tích chính sách là một hoạt động giải quyết vấn đề liên quan đến các kiến thức và phương pháp khoa học kỹ thuật tiên tiến, các khái niệm về các mục tiêu và công bằng xã hội, các yếu tố đánh giá và xem xét đối tượng trong bối cảnh rộng hơn và cả những điều không chắc chắn vốn có. Trong quá trình ra quyết định, có thể kể ra 3 giai đoạn chính sau: - Xác định và phân tích vấn đề. - Xây dựng các giải pháp lựa chọn. - Đánh giá và lựa chọn giải pháp tối ưu. Trong thực tế, quá trình này thường có tính chất tuần hoàn. Nhiều nhà quản lý đề xuất nhiều hoặc ít hơn các bước trong quá trình phân tích chính sách, đó là: 1. Xác định vấn đề; 2. Xác định các mục tiêu; 3. Xác định các tiêu chuẩn; 4. Xác định các giới hạn, cản trở; toàn bộ giai đoạn hình thành; 5. Xác định, xây dựng và sàng lọc phương án - một phần của giai đoạn nghiên cứu 6. Đánh giá các phương án 7. So sánh và xếp loại các phương án chính sách khác nhau và 8. Đưa ra các kết quả toàn bộ giai đoạn đánh giá và trình bày. Quá trình phân tích chính sách nói chung không phải là công việc có thể làm được ngay, mà thường phải trải qua nhiều chu trình khác nhau. Do đó, mục tiêu không phải đưa ra những mô hình phân tích cứng nhắc mà phải chỉ ra, trong một phạm vi nào đó, những giai đoạn cơ bản của việc phân tích. Bằng việc làm rõ những giai đoạn này trong quá trình phân tích, có thể nhận được một hướng dẫn ban đầu về cấu trúc của việc phân tích. Tuy nhiên, vấn đề cụ thể đặt ra và cản trở đối với việc nghiên cứu, cuối cùng sẽ quyết định cách tiếp cận cho việc phân tích. Mô hình phân tích định lượng thường bao gồm 4 giai đoạn cơ bản (DELFT HYDTAULIC: Hoozemans, 1991). 1. Giai đoạn khởi xướng. 2. Giai đoạn thu thập và phân tích dữ liệu. 3. Giai đoạn mô hình hoá. 4. Giai đoạn lập kế hoạch. Sự thẩm vấn với những người ra quyết định là hết sức quan trọng trong giai đoạn 1 và giai đoạn 4. Trong giai đoạn 1- giai đoạn khởi xướng, các mục tiêu và thủ tục phân tích phải được xác định. Giai đoạn này sẽ đưa ra một kế hoạch công việc cho giai đoạn tiếp theo. Giai đoạn 2, giai đoạn thu thập và phân tích dữ liệu và giai đoạn 3, giai đoạn mô hình hoá, yêu cầu nhà phân tích đưa ra được các thông tin chính.Giai đoạn 2 có một đặc điểm là việc sử dụng các kiến thức chuyên ngành. Điều này rất cần 13
20. thiết cho việc thiết kế hệ thống hỗ trợ ra quyết định. Một hệ thống như vậy sẽ được áp dụng trong giai đoạn 3, với điều kiện phải có các công cụ tính toán đủ dùng. Trong giai đoạn cuối, các phương án về chính sách được đưa ra nhằm đánh giá và sắp xếp ưu tiên. Kết quả của giai đoạn này có thể là việc hình thành một hoặc nhiều chính sách hoặc chiến lược mong muốn. Mặc dù có sự chuyển giao từ từ giữa các giai đoạn trên, nhưng việc tách riêng chúng là cần thiết để có thể kiểm soát được quá trình phân tích. Đối với việc thiết kế các giai đoạn liên tiếp của kế hoạch quản lý vùng ven bờ, cần đến một số công cụ và kỹ thuật sau: - Thủ tục xây dựng các kịch bản. - Kỹ thuật thu thập và xử lý dữ liệu. - Thủ tục xây dựng và sàng lọc các chiến lược. - Lập mô hình hệ thống. - Các kỹ thuật sàng lọc và đánh giá và - Các kỹ thuật trình bày. Lập mô hình hệ thống chỉ có thể thực hiện được khi các tham số hệ thống đã biết và các kịch bản được xác định một cách hợp lý. Hiệu quả của mô hình hoá sẽ được nâng cao nếu các dữ liệu dựa vào được trình bày ở dạng thích hợp. Các áp dụng thực tế sẽ mang lại hiệu quả cao nếu việc trình bày thuận tiện, dễ hiểu. Kỹ thuật tiên tiến về GIS và cơ sở dữ liệu, có thể hỗ trợ công việc mô hình hoá cũng như các hoạt động tiền và hậu xử lý. Việc tổng hợp các thành phần này vào hệ thống hỗ trợ việc ra quyết định là rất có lợi. 1.3.2 Các loại dự án quản lý dải ven bờ Có nhiều loại dự án quản lý vùng ven bờ. Các dự án này có thể phân biệt với nhau theo độ liên kết giữa hệ tự nhiên, các chức năng và cơ sở hạ tầng (CSHT). Chẳng hạn như: Các hệ thống thông tin vùng ven bờ: các dự án chủ yếu được thực hiện để xây dựng cơ sở dữ liệu và phân tích nhờ GIS. Quản lý thiên tai: Các dự án chủ yếu tập trung vào kiểm soát xói lở bờ biển và các giải pháp bảo vệ. Quản lý chất lượng nước: Các dự án chủ yếu tập liên quan đến chất lượng nước, hiệu ứng phân tán vật chất trong nước v.v Đánh giá và quy hoạch môi trường: các dự án chủ yếu liên quan đến việc xác định các vùng nhạy cảm về môi trường, trong đó có quản lý đất ngập nước. Phát triển du lịch và kinh tế: Các dự án chủ yếu nhằm xây dựng các lợi ích và chiến lược du lịch. Quy hoạch và quản lý tổng hợp vùng ven bờ: Các dự án chủ yếu tập trung vào việc phân vùng sử dụng đất và các văn bản pháp quy cho vùng ven bờ 14
21. CHƯƠNG 2 PHÂN HỆ PHI SINH VẬT: MÔI TRƯỜNG VẬT LÝ, CÁC NGUỒN TÀI NGUYÊN PHI SINH VẬT 2.1 Mở đầu Chương này đề cập đến hệ tự nhiên ven bờ, nhấn mạnh vào việc mô tả các quá trình vật lý có ảnh hưởng đến hình thái vùng ven bờ. Ngoài ra, các vấn đề về động học hình thái cũng được đặc biệt quan tâm. Tuy nhiên, các biểu diễn toán học của các quá trình thuỷ động lực học, vận chuyển bùn cát và địa động lực sẽ không được đề cập tới. Phần giới thiệu các hệ không tái tạo nhằm 3 mục tiêu: - Giới thiệu thống nhất các thuật ngữ về các quá trình ven biển cho các nhà vật lý hải dương, địa mạo và các kỹ sư chuyên ngành liên quan đến vùng ven bờ . - Tóm tắt các quá trình ven biển. - Khả năng mô phỏng các quá trình hình thái động động lực học và giới thiệu các công trình kỹ thuật làm giảm hoặc chống lại xói lở bờ biển. Phần 2.2 giới thiệu các loại bờ biển trên cơ sở phân loại hiện nay. Các thuật ngữ và định nghĩa về các hiện tượng vùng ven bờ được giới thiệu trong cuốn Hướng dẫn Bảo vệ Bờ biển (CERC,1984) Phần 2.3 tóm tắt các quá trình vật lý quan trọng nhất chi phối của các tác động hình thái động lực của bờ cát. Phần lớn nội dung của phần này được lấy từ cuốn Hướng dẫn nuôi bãi nhân tạo do DELFT HYDRAULICS và Trung tâm nghiên cứu công trình dân dụng đưa ra. Phần 2.4 đề cập đến hình thái học vùng ven bờ, tập trung vào các bờ biển thẳng không bị chia cắt bởi các sông, lạch. Chương 4 giới thiệu sơ bộ về các biện pháp có thể áp dụng nhằm bảo vệ và khôi phục các đoạn bờ biển. Một số công cụ mô hình hóa trình bày trong phần này có thể dùng để nghiên cứu ảnh hưởng của các tác động tự nhiên, nhân sinh đối với hình thái vùng ven biển. 2.2 Phân loại và định nghĩa về vùng ven bờ. Hình dáng đường bờ biển hiện nay chủ yếu được quyết định bởi sự dâng mực nước biển do băng tan. Mực nước biển sau khi băng tan không được quan trắc một cách đồng bộ dọc theo tất cả các bờ biển trên thế giới. Nhìn chung, mực nước biển hiện nay cao hơn mực nước biển cách đây 20.000 năm khoảng 130 m. Tốc độ tăng mực nước biển khá lớn khoảng 8 mm/năm cho đến khoảng 7.000 năm trước đây và sau đó giảm khoảng 1,4 mm/năm đến thời điểm cách đây 4.000 năm và mực nước hầu như giữ nguyên cho đến nay. Có nhiều cách phân loại vùng bờ, song có thể chia thành hai nhóm chính như sau: 15
22. - Bờ bùn - Bờ cát (thạch anh, cát san hô); - Bờ sỏi/ cuội - Bờ đá Theo các đặc điểm chính về hình thái học, có thể phân loại như sau: - Bờ biển có đảo chắn - Bờ biển có cửa sông - Bờ biển dạng châu thổ - Bờ biển có bãi/cồn cát - Bờ biển có vách đá - Bờ biển rạn san hô - Bờ biển có rừng ngập mặn, v. v. Tuy nhiên, các kiểu phân loại này thiếu một sự xắp xếp hệ thống như kiểu phân loại theo nguồn gốc tự nhiên. 2.2.1 Phân loại theo nguồn gốc tự nhiên Trong cách phân loại theo nguồn gốc tự nhiên, 3 yếu tố quan trọng nhất được đề cập là hình dáng vùng đất, sự dịch chuyển tương đối theo phương thẳng đứng giữa đất và biển, và sự thay đổi của đường bờ do các quá trình địa mạo biển. Công trình phân loại theo nguồn gốc tự nhiên được biết đến nhiều nhất là của Johnson năm 1925. Theo kiểu phân loại này, bờ biển có thể chia ra bốn loại - Bờ biển nổi - Bờ biển chìm - Bờ biển trơ - Bờ biển hỗn hợp. Bờ biển nổi có sự giảm tương đối của mực nước biển, trong khi bờ biển chìm thì ngược lại. Bờ biển trơ được xác định với các đặc điểm không phụ thuộc vào sự nổi hay chìm của nó. Kiểu bờ biển này bao gồm bờ của châu thổ, đồng bằng bồi tích, núi lửa và rạn san hô. Bờ biển hỗn hợp có các đặc điểm tổ hợp của các bờ chìm và nổi. Nhược điểm của kiểu phân loại này là phần lớn các bờ biển đều thuộc loại bờ chìm. Valentin (1952) đã đề xuất một cách phân loại khác dựa trên sự phân biệt giữa các bờ biển tiến và thoái. Bờ biển tiến có thể do sự nổi lên của nó hoặc là do sự bồi lắng của bùn cát. Các bờ biển thoái có thể do bị ngập hoặc bị xói lở. Shepard (1952, 1963) đã đề xuất một cách phân loại trên cơ sở kết hợp các yếu tố cơ bản nhất: - Các bờ biển sơ cấp được hình thành do các quá trình không do biển - Các bờ biển thứ cấp được hình thành do các quá trình của biển Các ví dụ về bờ biển sơ cấp như bờ biển có dạng tảng băng (như vịnh Fjords ở Na uy), các bờ biển dạng đụn cát do gió tạo nên, và các bờ biển do núi lửa hình thành 16
23. (đá). Các ví dụ về bờ biển thứ cấp như các bờ đá bị sóng cắt, bờ biển có đảo chắn và bờ biển có rừng ngập mặn. Thuật ngữ bờ biển sơ cấp dễ bị nhầm lẫn: tất cả những bờ biển đều là thứ cấp bởi vì biển tác động lên bờ sơ cấp ngay sau khi các điều kiện hình thành bờ đã ổn định. Tuy nhiên, nếu năng lượng sóng nhỏ và bờ có khả năng chịu đựng cao đối với tác động của biển (chẳng hạn như bờ đá gốc) thì xói lở sẽ diễn ra chậm. Phần lớn các đoạn bờ biển là dạng hỗn hợp của bờ biển thứ cấp và sơ cấp. Trong các phần tiếp theo, phân loại theo nguồn gốc tự nhiên của Shepard (1963) và Snead(1982) được sử dụng. 2.2.2 Bờ biển sơ cấp và thứ cấp 2.2.2.1 Bờ biển sơ cấp Nhiều bờ biển về cơ bản vẫn còn giữ được hiện trạng như lúc nó hình thành. Hình dạng của bờ biển loại này không bị thay đổi do tác động của biển, mà phụ thuộc vào những gì đã xảy ra trước đây. Bờ biển sơ cấp có thể chia nhỏ thành 9 nhóm: a) Các bờ biển mà phần ngập nước bị xói mòn Các hẻm núi ngầm dưới biển là một dạng xói mòn chính kiểu này. Ví dụ về kiểu bờ biển này là hẻm núi Bahama. b)Các bờ biển mà phần đất nổi bị xói mòn Bờ biển loại này là kết quả của sự chìm xuống của thung lũng sông, hoặc do mực nước biển dâng lên, hoặc do đất bị lún xuống. Các thung lũng sông, được hình thành do sự xói mòn lớp mặt,bi hạ dần xuống. Bờ biển thung lũng sông bị nhấn chìm gọi là bờ biển Ria. Ví dụ điển hình của kiểu bờ này là Vịnh Chesapeake. Bờ biển thung lũng băng tan bị nhấn chìm gọi là bờ biển Fjord. c)Bờ biển bồi tích vùng đất thấp do băng tan Kiểu bờ biển sơ cấp này có hai kiểu phụ (i) Bờ biển nổi nơi vùng đất sau khi băng tan được tiếp tục nâng lên do hoạt động kiến tạo và (ii) Bờ biển chìm do ảnh hưởng của các tảng bang tan. Cả hai kiểu này khá phổ biến ở Thụy Điển. d) Bờ biển vùng đất thấp có băng bao phủ Là những vùng ở Nam Cực và Bắc Cực bị ảnh hưởng bởi những khối băng lớn, núi băng và những vùng đất bị đóng băng vĩnh cửu. e) Bờ biển bồi tích Kiểu bờ biển này có hai loại: - Bờ biển châu thổ được hình thành do bồi tích sông. Nguồn trầm tích do sông tải ra vượt quá lượng xói lở do sóng và dòng chảy. Các dạng điển hình được hình thành do tác động tương đối của dòng chảy sông và dòng ven bờ bao gồm: ¾ Dạng chân chim với nhiều nhánh như sông Misssissippi, bờ biển châu thổ Bắc Bộ và Mê Kông (Việt Nam) 17
24. ¾ Dạng hình cung như sông Nile (Ai Cập) ¾ Dạng nhọn với một dòng chính như sông Tiber ¾ Dạng phân thùy với hai lá rõ ràng như sông Rhone và sông Ebro. - Bờ biển đồng bằng bồi tích: Loại bờ biển dốc thoai thoải và thẳng với nguồn cung cấp trầm tích từ các dòng suối cận kề. Hầu hết các bờ biển loại này nằm dọc các sa mạc f) Bờ biển được bồi tích do gió Kiểu bờ biển này bao gồm các bãi và cồn cát trong đó quá trình bồi tích do gió luôn lớn hơn xói lở do sóng.Các loại cồn cát chính là: - Cồn cát nghiêng ra biển: là những cồn cát nhỏ liền kề và song song với bãi biển. - Cồn cát hình Parabol là những luống cát cong có mặt lõm hướng về phía bờ. - Cồn cát nhọn là những dải cát cong mà mặt hướng ra biển có độ nghiêng lớn. Loại này phổ biến khi gió chỉ thổi theo một hướng. - Cồn cát ngang hướng gió là những cồn cát dài mà mặt khuất có độ nghiêng lớn, nằm song song hoặc hơi chếch so với bờ (vuông góc với hướng gió chính). - Cồn cát dọc hướng gió là những cồn cát dài song song với hướng gió và vuông góc (hơi chếch) với bờ biển. - Cồn cát hoá thạch với cát đá vôi chỉ có ở vùng nhiệt đới. Bãi cát phẳng có thể được hình thành phía trước các cồn cát, nơi có năng lượng sóng thấp (do bị che chắn) và gió mạnh. g) Bờ biển được hình thành do đất trượt Bờ biển kiểu này được hình thành do điều kiện ngoại lực như sóng gió, dòng chảy hoặc do các hoạt động kiến tạo làm sạt trượt các khối đất gần kề với biển. h) Bờ biển hình thành do núi lửa Bờ biển loại này được đặc trưng bởi dòng dung nham kết thúc bất ngờ khi gặp biển hoặc dòng dung nham đổ vào biển trước khi nguội và đông cứng lại. Đặc điểm điển hình loại này là có độ dốc lớn và dạng hình nón chẳng hạn như bờ biển Hawai i)Bờ biển bị đứt đoạn Bờ biển này được hình thành bởi các dốc đứt đoạn, tách vùng đất được nâng lên ra khỏi một vùng biển bị sụt xuống điển hình như bờ biển Canifonia (Mỹ). Ngoài ra còn có thể do quá trình nâng kiến tạo không đều như bờ biển Makran (Iran). 2.2.2.2 Bờ biển thứ cấp Bờ biển loại này là kết quả tương tác giữa các điều kiện ngoại lực với bờ biển sơ cấp và tác động của con người. Có thể phân ra 5 dạng bờ biển thứ cấp sau: 18
25. a) Bờ biển bị xói mòn Dạng bờ này cấu tạo từ đá mềm hoặc cát liên kết chẳng hạn như đá cát hoặc đá vôi bị sóng ăn mòn. Quá trình ăn mòn diễn ra trên diện rộng. Kiểu bờ này còn được biết đến như kiểu bờ có vách đá nhô ra biển. Nếu các vách đá nhô ra biển được cấu tạo từ vật chất giống nhau thì sóng có thể gây ra xói mòn theo những đường thẳng, nhưng nếu độ rắn của chúng khác nhau, thì sóng và dòng chảy sẽ tạo thành đoạn bờ lồi lõm và các phần cứng hơn sẽ nhô ra biển thành các mỏm nhọn(như ở bờ biển Costa Brava ở Tây Ban Nha). Một số bờ biển có cấu trúc phay kiến tạo bị sóng mạnh cắt dần thành những đường gần như thẳng tắp (như ở bờ biển Molakai, Hawaii). Thông thường, các bờ biển được hình thành không theo quy luật với một số đặc điểm như vách đá, mũi, đôi khi có các hõm ở giữa, các thềm phẳng, động, cung, hoặc núi (các khối đá cao tách khỏi lục địa ) b) Bờ biển bồi tích Là bờ biển mở rộng ra phia biển do các quá trình bồi tích dưới tác động của sóng và dòng chảy. Các đặc trưng của dạng bờ biển này như sau: Bãi biển là nơi lưu giữ các trầm tích, phần lớn là cát được lọc kỹ (thạch anh, mảnh vụn san hô, cát từ núi lửa) hoặc sỏi, đá cuội do sóng và dòng chảy đưa đến. Giữa các bãi biển là các khe, chỏm núi (dạng lưỡi liềm có khoảng trống bằng phẳng hình lòng chảo hướng ra biển ở phần bờ cao hơn), các lạch nhỏ (các kênh thoát nước nhỏ) và các đụn cát được tạo thành do sóng và dòng chảy. Một số dạng bãi biển phổ biến là: - Bãi biển có đầu và hông liền kề với vịnh: bùn cát bị xói từ các mũi đất lắng đọng ở đầu phía trong và hai bên của các vịnh cạnh đó. - Bãi biển khép kín kiểu túi: được hình thành dọc các bờ đá gần cửa sông (bãi tích tụ do sông) hoặc gần các khu vực có đá mềm bị xói mòn và bùn cát được đưa vào các vũng, vịnh nhỏ (bãi biển bồi tích) - Bãi thẳng: được hình thành ở các khu vực có nhiều bùn cát và không có vật cản trở quá trình vận chuyển bùn cát dọc bờ. - Cồn cát: hình thành do sóng vỗ bờ và các dòng suối nhỏ song song với bờ. Mỗi cồn cát đánh dấu vị trí đường bờ trước đó và cấu tạo từ vật chất tương đối thô (cát, sỏi, vỏ ngao,sò, ) được các cơn bão tấp vào. - Bãi phẳng: bãi rộng, phẳng được hình thành do bồi tích liên tục trong điều kiện năng lượng thấp. Căn cứ vào điều kiện hình thành, người ta chia ra các kiểu bờ biển bồi như sau: - Cồn cát trong vùng sóng vỡ: hình thành do bồi tích dọc bờ trong phần ngập nước khu vực sóng vỡ (cồn cát do sóng vỡ) nằm song song, chéo, ngang hoặc uốn cong so với bờ, đôi khi lộ ra lúc thuỷ triều xuống. - Cồn cát ngoài vùng sóng vỡ: một phần bị ngập khi thuỷ triều lên, có nguồn gốc từ 19
26. các bãi ngầm, từ từ nổi lên do các quá trình bồi tích biển. Các cồn cát loại này được được gọi là các đảo chắn khi các đụn cát được tạo thành, nơi sóng và dòng chảy vận chuyển bùn cát qua thường xuyên, liên tục. Cồn chắn ở đầu vịnh có thể được hình thành ở những nơi có bùn cát tải từ sông ra và được phân bố lại bởi dòng chảy. - Mũi đất nhô ra biển: cồn cát mà một đầu nối với đất liền và đầu kia bị ngập bởi nước biển. Các mũi đất cong nhô ra biển được hình thành do tác động của dòng chảy chuyển hướng. - Bãi trước hình nhọn: được hình thành do sự tiến nhanh ra biển của bờ chính ở những vùng mà sóng và dòng chảy đưa bùn cát từ hai hướng chính hoặc ở những vùng ven bờ bị che chắn bởi các cồn hoặc đảo ngoài khơi. - Bãi nối: cồn cát nối một hòn đảo với đất liền hoặc với một hòn đảo khác. Điển hình như bờ biển ở Ý và Carlifornia. - Đảo thấp: là một cồn cát hay đảo nhỏ ngoài khơi, thường nằm trên nền rạn san hô (như ở Flirida, Australia).Trầm tích là các mảnh san hô vỡ và các loài giáp xác. Thực vật dễ phát triển khi lớp trầm tích nổi lên trên mặt nước. - Lạch triều: là kênh nước hẹp ngắn nối liền vịnh hoặc đầm phá với biển và được duy trì bởi dòng triều. - Bãi cồn bùn: là những vùng có kiểu bồi tích điển hình nằm gần cửa sông lớn như sông Amazon, sông Mississipi. Các sông này mang theo một khối lượng lớn trầm tích mịn ra biển. Các bãi, cồn bùn bị thay đổi nhanh khi có bão. Sóng gây ra vận chuyển bùn liên tục dọc bờ theo hướng sóng chính tạo nên các đoạn bờ bùn (Bờ biển Guyana). Thực vật ngập mặn có thể phát triển ở gần đường biên triều cao. Cồn Vành, Cồn Na, Cồn Ngạn cửa Ba Lạt là ví dụ điển hình. c) Bờ biển có rạn san hô Bờ biển kiểu này được hình thành có nguồn gốc từ san hô (chứa cácbonat canxi) sinh sống ở đáy biển và phát triển về phía bờ đến gianh giới triều . Khi một cây san hô chết, cây mới phát triển lên trên nó hình thành rạn có cấu trúc là các khung cacbonat canxi cứng. Xói mòn do sóng làm các mảnh san hô có thể dạt vào bờ tạo thành bãi. Các rạn san hô chủ yếu được tìm thấy ở những vùng nước ấm. Có các loại rạn san hô sau: - Rạn san hô dạng tua: được hình thành ở các chỗ nước nông gần bờ. - Rạn dạng dải: cấu trúc hình cung ở độ sâu nước từ 20 m đến 50 m - Rạn chắn: bao quanh 1 đầm phá dạng dài có lạch phân bố ở các vị trí khác nhau - Rạn vòng: rạn san hô có hình vòng cung bao quanh đầm phá. d) Bờ biển có rừng ngập mặn Các đầm với cây ngập mặn là những vùng rừng, bụi rậm ngập triều ở hầu hết các đoạn bờ bồi tích vùng nhiệt đới ẩm. Phần lớn rừng ngập mặn có các loại cây và bụi rậm chịu 20
27. nước mặn. Rừng ngập mặn hình thành ở vùng nước cạn được bồi tích bởi bùn có nguồn gốc từ sông Ở đó các yếu tố như khí hậu nhiệt đới ẩm, nước cạn, biên độ triều trung bình, có nhiều bùn cát mịn và năng lượng sóng nhỏ rất thuận lợi cho cây ngập mặn phát triển. e) Bờ biển dạng đầm lầy cỏ: các đầm lầy nước mặn được hình thành trong điều kiện bồi tích từ từ ở các lạch ven biển, cửa sông đầu vịnh nơi có biên độ triều thấp và sóng nhỏ tạo điều kiện thuận lợi cho bùn cát mịn lắng đọng. Cỏ và các thực vật nổi dễ phát triển ở những vùng bùn. 2.3. Các quá trình ven bờ Các quá trình thuỷ động lực và hình thái ở vùng ven bờ bị chi phối bởi hai hiện tượng chính đó là gió và thuỷ triều. Gió trực tiếp vận chuyển cát ở các bãi cát khô và tạo sóng, dòng chảy và dao động mực nước, còn thuỷ triều thì tạo ra sự lên xuống tuần hoàn của mực nước và các dòng triều. Trong hầu hết các trường hợp, vận chuyển bùn cát và sự thay đổi địa hình và hình dáng đường bờ được sinh ra trực tiếp do ảnh hưởng của sóng và dòng chảy, mặc dù trong một số trường hợp nhất định, không thể không nói đến ảnh hưởng của gió. Vận chuyển bùn cát mạnh nhất xảy ra ở vùng gần bờ, nơi sóng bị vỡ khi truyền vào vùng nước nông. Khi sóng vỡ, năng lượng sóng bị phân tán và tạo nên chuyển động rối. Sóng làm tăng mực nước trung bình tại vùng sóng vỡ, gọi là sóng vỗ bờ. Một phần sóng dồn lên và rút xuống theo độ dốc bờ. Khi sóng dồn lên, nước ngấm vào bãi cát và chảy xuống khi sóng rút mang theo bùn cát. Phần đỉnh của sóng vỡ tạo ra sự vận chuyển nước vào bờ. Theo số liệu đo đạc, chuyển động của nước vào bờ cân bằng bởi vận chuyển ra biển của lớp nước thấp hơn thường gọi là dòng ngược. Về bản chất, dòng chảy từ bờ ra biển có thể xem là dòng dòng do sóng dồn nước vào bờ gây nên. Khi sóng truyền vào bờ với một góc xiên nào đó, hiện tượng sóng vỡ sẽ tạo ra dòng chảy dọc bờ (được gọi lầ dòng ven bờ). Vận tốc quỹ đạo của sóng, dòng chảy và đặc biệt là chuyển động rối của nước trong vùng sóng vỡ làm cho bùn cát bị bứt lên khỏi đáy và lơ lửng trong dòng nước. Dòng chảy sẽ mang bùn cát theo hướng vuông góc với bờ biển. Dòng ngược từ bờ ra biển sẽ mang các hạt bùn cát lơ lửng ra xa hơn. Một quá trình vận chuyển vào bờ khác xảy ra ở lớp sát đáy do tính không đối xứng của chuyển động quỹ đạo sóng. Phía ngoài vùng sóng vỡ, tính không đối xứng của sóng cũng tạo nên sự vận chuyển bùn cát vào bờ và trọng lực có thể là yếu tố cản trở quá trình đó. Hình 2.1 phác hoạ các hiện tượng khác nhau diễn ra ở vùng ven bờ. Vận chuyển dọc bờ ở những vùng gần bờ chủ yếu được thực hiện bởi dòng chảy sóng và gió sinh ra. Với độ cao khác nhau, sóng bị vỡ ở những độ sâu khác nhau, sinh ra dòng ven khá liên tục và tạo ra phân bố bùn cát khác nhau trên hướng vuông góc với bờ trong quá trình vận chuyển dọc bờ. Dòng triều kết hợp với chiều chuyển 21
28. động quỹ đạo do sóng làm cho các hạt bùn cát bứt lên khỏi đáy và sau đó vận chuyển dọc theo bờ. Hình 2.1. Các dạng chuyển động chính của trầm tích trong mặt vuông góc với bờ (Kraus và Horikwa, 1992) Cân bằng giữa lượng bùn cát đến và lượng bùn cát ra khỏi mặt cắt nào đó phụ thuộc vào độ sâu và hình dáng bờ biển. Sự mất cân bằng có thể là nguyên nhân dẫn đến các quá trình thay đổi tự nhiên, chẳng hạn như sự hình thành các cồn cát ngầm hay các mũi đất nhô ra biển, hoặc do tác động của con người. Ví dụ khi xây các công trình như kè mỏ hàn, đê chắn sóng thường gây bồi phía trước trên đường vạn chuyển của bùn cát và gây xói lở ở các đoạn bờ phía sau. Liên quan đến các quá trình động lực, hình thái học này, cần phân biệt các tác động ngắn hạn và lâu dài. Chẳng hạn,do sự thay đổi theo mùa của các điều kiện thuỷ lực, có thể xảy ra dao động của bờ biển trong thời hạn ngắn, mà không nhất thiết áp dụng các biện pháp mang tính lâu dài. Hình 2.2: Mức độ thay đổi của vị trí đường bờ (Terwindt và Kroon, 1993). 22
29. Sự ổn định lâu dài của bờ biển mang tính chất ổn định động với tình trạng bất ổn định ngắn hạn thường xuyên xảy ra. Với các đoạn bờ biển thoái, hiện tượng xói xảy ra trong thời gian ngắn và kéo dài liên tục. Điều này được minh hoạ trên hình 2.2 2.3.1. Sóng và các quá trình liên quan đến sóng 2.3.1.1 Đặc trưng của sóng Luồng không khí thổi ngang mặt nước, truyền năng lượng vào nước, tạo nên các con sóng (sóng do gió). Những con sóng này sau đó truyền trên mặt biển vào đất liền hoặc vào khu vực nước nông, tại đây năng lượng sóng bị tán xạ hoặc sóng bị vỡ. Độ lớn của sóng do gió (sau đây được gọi đơn giản là sóng) thay đổi từ mức độ rất nhỏ (gợn sóng) đến những con sóng lớn đại dương cao tới 30 m (ở khu vực nước sâu), phụ thuộc vào thời gian gió thổi, đà gió và tốc độ gió. Dưới đây là các đặc tính của sóng: - Độ cao sóng (H): Khoảng cách theo chiều thẳng đứng từ đỉnh sóng đến bụng sóng - Bước sóng (L): Khoảng cách theo chiều ngang giữa hai đỉnh (chân) sóng liên tiếp - Chu kỳ sóng (T): Khoảng thời gian mà hai đỉnh (chân) sóng liên tiếp chuyển động qua một địa điểm nào đó. Sóng được phân ra hai loại là sóng trạng thái biển và sóng lừng. Sóng trạng thái biển được hình thành bởi trường gió cục bộ và thường khá dốc với độ dài bước gấp 10- 20 lần độ cao sóng. Nếu sóng đã truyền xa khỏi nơi khởi nguồn hàng trăm thậm chí hàng nghìn dặm thì độ dốc của nó sẽ giảm. Nó trở nên thấp và khá dài (bước sóng lớn gấp 30 – 500 lần độ cao sóng) và được gọi là sóng lừng. Càng xa điểm khởi nguồn, độ dốc sóng càng giảm . Một nhóm sóng khác gọi là sóng triều. Loại sóng này được tạo bởi lực hút của mặt trăng và mặt trời. Sóng triều thuộc loại sóng rất dài được hình thành từ đại dương và có thể truyền vào vùng biển nông khiến mực nước biển dâng và rút một hoặc hai lần trong ngày. Mực triều khác nhau đáng kể ở các nơi khác nhau trên thế giới.Tại một số nơi, rất khó nhận ra dao động của thuỷ triều vì độ lớn rất nhỏ (Ví dụ như Địa Trung Hải), trong khi ở một số nơi khác giá trị này có thể lên tới 7-10m (Ví dụ ở Anchorage, Alaska). Nhóm sóng cuối cùng là sóng thần được hinh thành do động đất hoặc địa chấn dưới đáy biển. Những con sóng này khá dài và chứa một năng lượng rất lớn. Sóng thàn rất nguy hiểm vì rất khó nhận biết khi ở ngoài khơi, nhưng tiến vào bờ với độ cao rất lớn, thời gian rất nhanh gây thiệt hại rất lớn cho vùng bờ. Sóng do gió ở đại dương và biển nói chung không đều. Lý do là gió tạo ra rất nhiều con sóng đơn, với các đặc điểm riêng biệt. Các con sóng này truyền với tốc độ và các hướng khác nhau. Điều này lý giải tại sao mặt biển thường trông rất xáo động. Tại một điểm nào đó, có thể có các sóng sinh ra từ các nơi khác nhau khiến cho mặt biển càng trở nên xáo động hơn. 23
30. Độ cao sóng hiệu quả Hsig hoặc H1/3 được định nghĩa là giá trị trung bình độ cao của 1/3 số con sóng cao nhất. Một đặc trưng khác của sóng cũng thường hay dùng là căn bậc hai độ cao sóng, Hrms được xác định như sau: N 2 H rms = ∑ HNi / (2.1) i=1 Sóng không đều có thể được mô tả nhờ phân bố Rayleigh, trên cơ sở đó người ta đưa ra các mối quan hệ sau : Hsig= .2 Hrms (2.2) Hmean= 0,89 Hrms (2.3) Cũng như độ cao sóng, chu kỳ sóng được đặc trưng bởi các tham số thống kê. Hai tham số được sử dụng phổ biến là chu kỳ sóng cực đại (Tp) và chu kỳ sóng trung bình (Tmean). Chu kỳ sóng cực đại là giá trị lớn nhất trong phân bố phổ năng lượng sóng. Ngoài các đặc trưng sóng, cần biết về động học sóng. Các phần tử nước dưới tác động của sóng di chuyển theo quy đạo hình tròn hoặc elip với quĩ đạo tròn gần mặt nước và chuyển sang elip khi càng xuống sâu. Tốc độ di chuyển (c) của đỉnh một con sóng đơn được định nghĩa theo công thức sau: c = L/T (2.4) Khi một nhóm sóng lan truyền, sóng có thể sinh ra ở rìa của nhóm, di chuyển qua nhóm đó với tốc độ c và kết thúc ở phía trước nhóm. Ngoài ra, nhóm này cũng di chuyển với một tốc độ chậm hơn gọi là vận tốc nhóm. Ở ngoài nước sâu, vận tốc nhóm bằng một nửa vận tốc của một sóng đơn. 2.3.1.2 Sự truyền sóng (khúc xạ, nhiễu xạ) Tại vùng nước nông, tốc độ truyền sóng có thể xấp xỉ bởi phương trình cg = c = gh (2.5) Trong đó g = 9,8 m/s2 và h là độ sâu nước. Nếu sóng tiến vào bờ theo một góc nào đó với các đường đẳng sâu, nó có xu hướng thay đổi làm giảm góc này. Hiện tượng này được gọi là khúc xạ sóng. Khúc xạ sóng được tạo ra bởi một thực tế là gia tốc sóng tại vùng nước nông nhỏ hơn so với vùng nước sâu. Hiện tượng khúc xạ sóng không xảy ra ở vùng nước sâu bởi vì tốc độ truyền sóng ở vùng nước sâu không phụ thuộc vào độ sâu nước. Khi độ sâu tương đối (độ sâu cột nước h chia cho độ dài bước sóng L) lớn hơn 0.5 được xem là vùng nước sâu. Sự khúc xạ sóng mang tinhs thuận nghịch. Sóng truyền qua một cồn cát ngầm vào lại vùng nước sâu sẽ bị khúc xạ ngược với hướng nó truyền đến. Các đặc trưng của sóng như độ cao, chu kỳ cũng thay đổi nếu sóng truyền vào vùng nước nông dưới một góc nào đó. Thông thường, độ cao sóng tại điểm nước nông H1 quan hệ với độ cao sóng ở điểm nước sâu H0 như sau: 24
31. H1 = Kr Ksh H0 (2.6) Trong đó Kr gọi là hệ số khúc xạ và Ksh là hệ số nước nông. Hệ số Kr luôn luôn nhỏ hơn 1, trong khi Ksh phụ thuộc vào độ sâu và thường biến đổi từ 0,9 tại điểm nước bắt đầu nông đến 1,1 tại mép nước. Một hiện tượng khác khi sóng truyền là nhiễu xạ sóng. Hiệu ứng 3 chiều này xuất hiện như là kết quả của hiện tượng “che khuất” bởi vật cản như đê chắn sóng hay bến cảng. Nhiễu xạ là hiện tượng truyền năng lượng sóng vào vùng khuất. Khi đỉnh sóng vượt qua đầu vật cản, nó có hình vòng cung trong vùng khuất. Nhiễu xạ đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra các cồn cát kiểu tombolo. 2.3.1.3 Sóng vỡ a. Các dạng sóng vỡ Sóng tiến vào vùng nước nông sẽ bị vỡ .Quá trình dẫn đến sóng vỡ không hoàn toàn giống nhau. Một con sóng có thể phân tán năng lượng nhanh hoặc từ từ. Có thể phân thành các dạng sóng vỡ sau: sóng vỡ dâng nước, sóng vỡ đổ, sóng vỡ chìm và sóng vỡ tràn. Trên cơ sở các thí nghiệm với các bãi biển có độ dốc 1:5; 1:10 và 1:20, Galvin(1968) đã đưa ra những điều kiện sóng vỡ theo “tham số ngoài khơi” 2 2 3 Ho/Lotan α ) và “tham số trong bờ”: Hb/(gT tanα) Trong đó, Ho= độ cao sóng tại nước sâu, Lo= độ dài bước sóng tại nước sâu, Hb= độ cao sóng lúc vỡ và tanα = độ dốc bờ biển. Dựa trên công trình nghiên cứu của Galvin, năm 1974 Battjes đã kết luận rằng các dạng sóng vỡ có liên quan chặt chẽ với nhau về số đồng dạng ngoài khơi ξ0: tanα ξo = (2.7) HLo/ o Các giá trị biên trên có thể lấy xấp xỉ như sau: ξ0 3: sóng vỡ kiểu dâng hoặc đổ Người ta thường sử dụng biểu thức sau để xác định sóng vỡ: γb = Hb/hb (2.8) Trong đó : γb = chỉ số sóng vỡ Hb = độ cao sóng vỡ hb = độ sâu tại điểm sóng vỡ Năm 1974, Bạttjes đã sử dụng dữ liệu quan trắc của Boven (1968), Iversen (1952), Goda(1970) và đưa ra các chỉ tiêu sóng vỡ liên quan tới tham số đồng dạng 25
32. ngoài khơi ξ0. Các giá trị γb quan sát được thay đổi từ 0.7-1,1. Khi ξ0 < 0.2 có thể láy giá trị trung bình của γb = 0.8 và khi giá trị ξ0 tăng dần thì γb cũng tăng lên. b. Sóng nước dâng và sóng leo Sóng nước dâng là hiện tượng mực nước cao hơn so với trung bình tại khu vực sóng vỡ trên đường truyền vào bờ của sóng. Sóng leo là chiều cao lớn nhất mà sóng có thể trườn lên mái công trình kể từ điểm nước tĩnh. Dưới đây sẽ đưa ra một số công thức đơn giản liên quan đến hai đặc trưng nói trên. Khi 2 hiện tượng trên kết hợp với thủy triều sẽ làm mực nước thay đổi đáng kể dãn đến sự thay đổi mặt cắt ngang bờ biển. Sóng nước dâng: Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đối với sóng đều đưa đến kết luận rằng nước dâng do sóng vỡ tỉ lệ thuận với độ dốc bãi dξ dd = K (2.9) dy dy Trong đó:ξ chỉ số mực nước dâng, y là trục vuông góc với bờ, d là độ sâu nước bao gồm cả nước dâng, K là hệ số hằng số tuỳ thuộc vào chỉ số sóng vỡ y. Tại đường sóng vỡ mực nước giảm, được gọi là nước hạ do sóng vỡ 1 ξ= − γH (2.10) min 16 b Giá trị cực đại của nước dâng tại bờ là : 5 ξ= γH (2.11) max 16 b Trong đó: Hb là chiều cao sóng vỡ tại đường sóng vỡ. y là trục pháp tuyến với bờ biển d là độ sâu nước,tính cả gia số mực nước tại điểm sóng vỡ K là hằng số (phụ thuộc vào chỉ số sóng vỡ y) Chiều cao sóng leo: Năm 1959, Hunt đã đề nghị một công thức đơn giản về chiều cao sóng leo lớn nhất c ho mái dốc nhắn như sau: RH/ b= ξ b với 0.1 < ξ b <2.3 (2.12) Trong đó: R = chiều cao sóng leo Hb = Độ cao sóng khi vỡ ξb = Tham số đồng dạng đối với vùng sống vỡ = tanα /HLb / o Năm 1974 Battjes đã áp dụng công thức của Hunt đối với sóng ngẫu nhiên và tìm được sự tương đồng giữa những kết quả tính toán của ông với các đo đạc trong phòng thí nghiệm. 26
33. 2.3.2 Dòng chảy biển và các quá trình liên quan đến dòng chảy. Dòng chảy ven bờ được tạo bởi gió, sóng, thuỷ triều,nước dâng hoặc sự thay đổi của khí hậu. Phần này sẽ giới thiệu tóm tắt các quá trình đó, mà không đi sâu vào việc mô phỏng chúng bằng các phương trình toán học. Quĩ đạo chuyển động của sóng tiến không khép kín. Đây chính là nguyên nhân tạo ra dòng chảy cục bộ hoặc thậm chí là dòng chảy khá lớn do gió. Khi điều này duy trì trong một khoảng thời gian dài, nó có thể là tác nhân quan trọng gây nên vận chuyển bùn cát ra khơi hay vào bờ, đặc biệt là vận chuyển ra khơi, ở gần vùng sóng vỡ . Sự tán xạ năng lượng do sóng vỡ sinh ra chuyển động trong vùng sóng vỡ, tạo ra dòng chảy cục bộ. Khi sóng vượt qua sóng vỡ, hướng vận chuyển ngang tương đối đều được duy trì (ngoại trừ ở vùng sóng vỡ, nơi có quá trình rối mạnh xảy ra). Sóng hầu hết thường tiếp cận bờ biển theo một góc nào đó. Đó là nguyên nhân sinh ra thành phần dòng chảy dọc bờ. Dòng dọc bờ là nguyên nhân chủ yếu gây nên vận chuyển bùn cát dọc bờ. Nước từ vùng sóng vỡ tương tác với nước ở phía ngoài biển là nguyên nhân tạo ra các dòng xoáy. Vì vận tốc dòng chảy cục bộ có thể đạt tới giá trị từ 0.5 - 1.5 m/s nên rất nguy hiểm cho những người tấm biển thiếu kinh nghiệm. Dòng chảy ven bờ do thuỷ triều (đôi khi gọi là dòng triều ngang) là dòng chính ở ngoài vùng sóng vỡ. Hướng của chúng thay đổi theo từng pha triều (dòng rút hay dòng dâng). Chỗ nước càng nông thì vận tốc dòng triều tạo ra càng nhỏ do ma sát đáy .Đặc biệt, gần các cửa lạch ven bờ, các dòng chảy do sóng và thuỷ triều tương tác với nhau tạo ra bức tranh dòng chảy phức tạp. Nước dâng do bão là độ dâng mực nước do bão gây ra. Do phân bố áp lực gió tăng dần từ tâm bão ra ngoài nên mặt nước biển hình thành mặt nghiêng theo nguyên lý áp lực thuỷ tĩnh theo hướng ngược lại. Dọc bờ biển mực nước dâng do bão khác nhau dẫn đến mực nước biển tổng cộng khác nhau. Điều đó dẫn đến sự hình thành dòng ven bờ. Gió thổi trên mặt nước tạo ra dòng chảy. Điều này thấy khá rõ ở những khu vực độ sâu nước tương đối nhỏ như ở các đầm phá. Phân bố theo chiều đứng của dòng chảy do gió cho thấy nó thực sự là dòng mặt vì vận tốc dòng lớn nhất ở sát mặt nước và giảm nhanh khi xuống sâu. Dòng mặt thường có hướng trùng hướng gió, vận tốc bằng khoảng 2 - 3% tốc độ gió(CERC,1984). Nếu có một dòng do gió chuyển động nhanh vào bờ (ví dụ như trong giông bão) thì sẽ có một dòng ngược hướng ra biển được hình thành ở gần đáy. Vì nồng độ bùn cát cao nhất thường ở gần đáy, cơ chế dòng chảy nói trên sẽ mang một lượng lớn bùn cát từ trong bờ ra biển. 2.3.2.1 Phân loại và định nghĩa bờ biển Goldsmith phân biệt 4 nhóm cồn cát cơ bản Cồn cát với thảm thực vật tự phát triển tại chỗ: Sự phát triển của cồn cát có liên quan chặt chẽ với thảm thực vật. Cát ở bãi biển bị giữ lại trong thảm thực vật của cồn cát. Những loại thực vật đặc trưng của cồn cát (như cỏ maram) được nuôi dưỡng 27
34. và phát triển bởi nguồn cát mới. Một số loại thực vật có thể chịu được cát vùi sâu đến 1m. Độ cao của cồn cát chỉ đến một giới hạn nhất định vì nguyên lý cân bằng giữa lượng cát bị giữ lại và sinh trưởng của thực vật trên nó. Medanos: là dạng cồn cát hình thành trên các bãi biển khô hạn, ở đó vai trò của thực vật ít quan trọng hơn. Medanos có thể dịch chuyển vào sâu trong đất liền theo các cồn ngang. Độ cao của chúng lớn hơn nhiều so với cồn cát có thảm thực vật. Cồn cát nhân tạo: là dạng cồn cát tồn tại nhờ việc trồng cỏ hay làm hàng rào. Chúng không đơn thuần là những cồn cát nhân tạo vì chúng lớn lên nhờ sự tích tụ cát do gió thổi một cách tự nhiên cộng với ý tưởng của con người lựa chọn vị trí để giữ cát. Ví dụ điển hình là các con đê tại rất nhiều nơi dọc bờ biển Hà Lan và đặc biệt là dọc bờ biển quần đảo Wadden. Cồn cát dạng parabol: thường được hình thành từ những biến cố lớn xảy ra với bãi ngoài của bờ biển. Sự phát triển của chúng có thể liên quan đến cả sự sinh trưởng của thực vật cũng như lượng cát cung cấp. Ngoài 4 nhóm cồn cát nói trên, Goldsmith còn đưa thêm khái niệm “Dải cát”. Dải cát được định nghĩa là vùng cát chủ yếu do gió tải đến, nơi không có các cồn cát và có bề mặt nhẵn. Sự tồn tại của các dải cát liên quan đến nguồn cung cấp nguồn cát, trong điều kiện sinh trưởng của thực vật không đủ sức giữ cát lại. Dải cát thường hình thành trong điền kiện khí hậu khô. 2.3.2.2 Các quá trình ven biển do gió Trong quá trình khí động lực học, gió đóng vai trò trực tiếp bứt và vận chuyển các hạt cát. Năng lượng để vận chuyển bùn cát phụ thuộc vào tốc độ gió và tương tác của gió với mặt biển. Bề mặt và ma sát bề mặt làm thay đổi bản chất của dòng khí và quyết định tốc độ gió gần lớp mặt. 1. Lớp biên Lớp biên là một phần của tầng đối lưu bị thay đổi bởi quá trình tải. Theo định nghĩa của Stull (1988), lớp biên là một phần của tầng đối lưu, trực tiếp chịu ảnh hưởng của bề mặt trái đất chống lại các lực bề mặt với thời gian khoảng 1 tiếng hoặc nhỏ hơn. Sự tải (nhiệt, ẩm, động lượng) diễn ra do chuyển động rối. Chuyển động rối, gió bão tác động trên nền gió thường có thể hình dung như là các xoáy kích cỡ khác nhau, chồng lên nhau. Phần lớn chuyển động rối trong lớp biên sinh ra do các tác động từ mặt đất. Ví dụ sự đốt nóng mặt đất của mặt trời tạo ra những luồng khí nóng bốc lên (các xoáy lớn). Ma sát dòng khí thổi qua mặt đất là nguyên nhân hình thành các ứng suất trên bề mặt dưới dạng các chuyển động rối. Các vật cản như cây cối, cồn cát làm chuyển hướng luồng gió và sinh rối tại khu vực ngay sau vật cản. Khả năng vận chuyển vật chất trong chuyển động rối thường lớn hơn trong các chuyển động khuếch tán phân tử đến vài bậc. Tần suất khá cao của sự xuất hiện rối gần mặt đất là một trong những đặc điểm phân biệt lớp biên với phần còn lại của khí quyển. 28
35. Lớp biên trong Khi dòng khí bị thay đổi bởi ma sát mặt, nó cần một quãng đường để thích nghi với bề mặt mới. Tại vùng chuyển tiếp do ma sát đó, hình thành lớp biên trong. Trong lớp biên trong, dòng gió thích ứng được với bề mặt mới. Chiều cao của lớp biên trong tăng dần từ điểm có sự chuyển tiếp ma sát bề mặt. Phía trên độ cao này, luồng gió vẫn thích nghi với bề mặt trước khi có sự chuyển tiếp. Ở vùng đất có địa hình phức tạp, mặt cắt gió chứa một vài lớp biên trong chồng lên nhau. Tốc đô gió theo chiều thẳng đứng sẽ khác nhau khi gặp địa hình này và nếu bỏ qua ảnh hưởng của địa hình thì sẽ rất khó phân tích qui luật của gió và dẫn đến sai số lớn do không xem xét đến ma sát bề mặt. 2. Mặt cắt gió Gió trung bình đóng vai trò chính trong sự vận chuyển ngang (hay chuyển động đối lưu). Ma sát làm tốc độ gió trung bình giảm đáng kể ở gần mặt đất. Trên một bề mặt đồng nhất, vô hạn và ở điều kiện bình thường, mối quan hệ giữa tốc độ gió theo độ cao tuân theo quy luật có tên gọi là “Luật tường chắn”. Vì tốc độ gió tăng theo logarit của độ cao nên mối quan hệ này còn được gọi phân bố dạnglogarit. U * z U z = ln (2.13) K zo Trong đó: Uz là tốc độ gió tại độ cao z và K = 0.41 gọi là hằng số Von Karman. Trong trường hợp phân tầng do nhiệt, phương trình (2.13) phải được sửa như sau: U * ⎡ z ⎤ U z = ⎢ln −ψ m ⎥ (2.14) K ⎣ zo ⎦ Trong đó Ψm là tham số ổn định không thứ nguyên, phụ thuộc vào độ cao và độ dài Obukhov L, một hàm của sự biến thiên nhiệt độ gần bề mặt. Trong trường hợp mặt cắt gió dạng logarit, mối quan hệ giữa tốc độ gió và logarit của độ cao là tuyến tính và phụ thuộc vào vận tốc ma sát U*, độ cao nơi tốc độ gió bằng 0 và độ dài nhám zo. Thường trên bãi biển rộng, mặt cắt gió được xem là có phân bố dạng logarit. Khi * tốc độ gió được ghi lại ở một vài độ cao, các tham số mặt cắt gió như U và zo, thường nhận được nhờ các tính toán hồi qui tuyến tính giữa tốc độ gió và logarit của độ cao. Trong trường hợp các điều kiện ổn định (nhiệt độ tại bề mặt nhiệt độ tại độ cao z, chuyển động theo chiều thẳng đứng là đáng kể). Các tính toán này sẽ dẫn đến kết quả sai. 3. Dòng khí Thường trên mặt đất, mặt cắt gió không có dạng chuẩn logarit và sự sai khác này phụ thuộc vào địa hình và độ nhám bề mặt. Khi dòng khí đi ngang qua các cồn cát, phân bố tốc độ gió từ chỗ ổn định khi ở trên bãi biển sẽ bị xáo trộn khi đi qua cồn cát. Các thay đổi của địa hình làm tăng tốc độ gió trên đỉnh và mặt phía biển của các cồn 29
36. cát và làm giảm tốc độ đó ở dưới chân cồn cát và mặt khuất gió của cồn cát. Sự tăng độ nhám về phía đất liền do mật độ thực vật tăng cũng làm giảm tốc độ gió. Vì vậy, tốc độ gió dọc theo một mặt cắt sẽ rất khác nhau, phụ thuộc vào mức độ tăng hay giảm của nó. Sự thay đổi này có vai trò quan trọng đối với vận chuyển trầm tích do gió. Sự tăng hay giảm tốc độ gió còn phụ thuộc cả vào hướng gió. Nếu gió vuông góc với cồn cát thì tác động của địa hình lên dòng khí đạt giá trị cực đại, nếu gió xiên độ dốc cồn cát giảm và vì vậy ảnh hưởng cuả nó đến dòng khí sẽ nhỏ hơn. Những cồn cát cao thậm chí có thể làm cho dòng khí bị chuyển hướng tạo ra gió ở gần chân cồn cát và song song với nó. Trường hợp này, vận chuyển cát vào phía đất liền bị giảm đáng kể. 2.3.3 Vận chuyển trầm tích do gió Trong vận chuyển trầm tích do gió, có hai tham số cơ bản kiểm soát lượng vận chuyển. Tham số thứ nhất là năng lượng làm cho trầm tích chuyển động, nó có quan hệ với vận tốc ma sát gần măt đất. Tham số thứ hai là lực dính kết giữa các hạt trầm tích, quyết định lượng năng lượng cần thiết để bắt đầu hay duy trì chuyển động của hạt. 2.3.3.1 Sự bứt lên của hạt cát Các hạt cát sẽ chuyển động dưới tác động của gió, khi các lực nâng, kéo, mô men vượt quá trọng lượng bản thân các hạt rời rạc hoặc nhóm hạt dính kết với nhau. Khi các lực nâng kéo tăng sẽ xuất hiện vận tốc ma sát tới hạn U* (Bagnold, 1941). Khi các hạt đã chuyển động, vận tốc cần thiết để duy trì chuyển động sẽ thấp hơn với vận tốc tới hạn nói trên do sự truyền động lượng của chính các hạt chuyển động này. Vận tốc ma sát cần thiết để duy trì sự vận chuyển cát được gọi là ngưỡng động lực. 2.3.3.2 Mô hình vận chuyển trầm tích Các hạt cát có thể chuyển động theo kiểu lăn, trượt, nhảy hay bay lơ lửng (Anderson và những người khác năm 1991). Trường hợp lăn, hạt cát vẫn tiếp xúc với bề mặt. Nhảy là hình thức vận chuyển mà hạt cát được nâng lên khỏi bề mặt di chuyển lên phía trước rồi lại rơi xuống bề mặt. Trong trường hợp các hạt bị bứt ra khỏi bề mặt, nhưng nhận được quá ít động lượng thì chúng di chuyển theo kiểu trượt. Trong hình thức vận chuyển theo kiểu nhảy (theo Jensen và Sorensen năm 1983), quỹ đạo của các hạt cát được xác định qua mặt cắt gió trung bình, trong khi vận chuyển theo kiểu nhảy biến dạng (theo Nalpanis năm 1985), các quỹ đạo bị biến đổi do các đặc trưng rối của gió. Tuy nhiên, hầu hết động lượng nâng hạt đều nhận được từ tác động thường xuyên lên đáy cát. Chuyển động lơ lửng là dạng chuyển động của các hạt cát nhỏ hơn được nâng lên khỏi mặt đáy bởi các cơn gió mạnh thổi theo chiều thẳng đứng và được vận chuyển đi một khoảng cách khá xa mà không có bất kỳ một tương tác nào với bề mặt. Khi cát chuyển động đến cồn cát trên bãi, các thay đổi về độ nhám và địa hình sẽ tạo ra dòng rối và vì vậy sẽ làm thay đổi quỹ đạo chuyển động của hạt cát. Mặt khác, sự hiện diện của cồn cát buộc dòng khí chuyển động lên cao và một lượng cát nhỏ được bốc lên theo luồng gió và di chuyển theo hướng quỹ đạo hạt lớn hơn thông 30
37. thường. Không tiếp xúc với mặt đất, lượng cát này vượt qua một khoảng cách khoảng vài chục mét tính từ đỉnh cồn cát . Trên đỉnh cồn cát, ảnh hưởng của sự thay đổi địa hình không còn nữa và các hạt cát dần dần sẽ rơi xuống tại một khoảng cách nhất định nào đó phụ thuộc vào tốc độ gió. 2.3.3.3 Các tham số giới hạn Sự bứt lên của các hạt cát phụ thuộc vào các tính chất vật lý của chúng. Ở đây, ta chỉ đề cập đến những yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất của các hạt, tức là ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc tới hạn của hạt. Thứ nhất là các đặc trưng như kích cỡ hạt, mật độ, hình dạng, sự sắp xếp của chúng và thành phần khoáng chất của cát. Thứ hai là các điều kiện môi trường và khí tượng ảnh hưởng đến các lực dính kết giữa các hạt. Các yếu tố môi trường bao gồm độ ẩm đất (liên quan đến nước ngầm) và các tác nhân liên kết như chất hữu cơ, tảo hoặc muối. Các yếu tố thời tiết như lượng mưa, độ ẩm không khí và sự bốc hơi. Do sự tương tác của các yếu tố trên rất mạnh và phức tạp nên việc tiến hành nghiên cứu định lượng là rất khó. Các phương trình vận chuyển Nói chung vận chuyển cát do gió liên quan đến sức gió. Hầu hết các phương trình vận chuyển được biểu thị qua vận tốc ma sát. Trong một số phương trình, vận tốc ma sát được thay thế bằng vận tốc gió theo luật logarit. a. Phương trình Bagnold Phương trình vận chuyển nổi tiếng nhất do Bagnold xây dựng năm 1941. Phương trình này có thể dự báo được dòng cát vận chuyển dưới hình thức lăn và nhảy với các tham số như kích cỡ hạt, mật độ, trọng lực, vận tốc ma sát và một số tham số lựa chọn khác. Phương trình này không cho độ chính xác cao khi tốc độ gió thấp hơn tốc độ ma sát tới hạn, nên kết quả tính toán vận chuyển cát trong vùng ven bờ thường lớn hơn lượng vận chuyển thực tế. b. Phương trình Lettan Phương trình Lettan nhận được từ phương trình Bagnold. Phương trình này có tính đến giá trị vận tốc ma sát tới hạn. c. Phương trình Kawamura Việc ứng dụng các phương trình vận chuyển nêu trên cho kết quả cao hơn thực tế đối với lượng vận chuyển cát trong môi trường ven bờ. Lý do là những phương trình này được xây dựng từ các nghiên cứu trên sa mạc hay trong ống gió, nghĩa là trong môi trường lý tưởng. Hầu hết các tham số giới hạn không được xem xét đến, vì vậy việc sử dụng phương trình này sẽ cho lượng vận chuyển cát do gió cực đại trong các điều kiện lý tưởng. Lượng vận chuyển tối đa này được xem là lượng vận chuyển tiềm năng. Lượng vận chuyển thực là lượng vận chuyển trong các sự kiện diễn ra ngắn hạn, khoảng vài tiếng hoặc vài ngày, nhưng thường là rất nhỏ hoặc thậm chí bằng 0. Kết hợp phương trình vận chuyển với phân bố tần suất gió tại một vùng cụ thể, có thể tính 31
38. được vectơ chuyển động tiềm năng (PDV). Đối với môi trường ven bờ, trong điều kiện khí hậu ôn hoà, giá tri của PDV nói chung nhỏ và chỉ nói lên tầm quan trọng tương đối của các khu vực gió khác nhau đối với sự sinh ra tổng lượng trầm tích. Sự hình thành cồn cát Nói chung, sự phát triển của các cồn cát ven biển bị chi phối bởi nguồn năng lượng, nguồn bùn cát và các công trình ngăn, chắn cát. Năng lượng sinh ra do chế độ gió hiện hành và hướng của đường bờ, cả hai quyết định loại gió và vận tốc gió tác động vào bờ. Các công trình ngăn giữ cát phụ thuộc vào sự có mặt của lớp phủ thực vật trong hệ thống khí hậu vùng ven biển. Sự tiến triển địa mạo cụ thể của các cồn cát liên quan đến cả sự cung cấp nguồn cát và khả năng giữ cát của thực vật. Tại vùng ven biển, cồn cát được xem là điểm tích lũy cát. Tuy nhiên, trong quá trình biển tiến, các cồn cát lại là nguồn để biển lấy cát đi. Dọc theo bờ biển Hà Lan, quỹ bùn cát nói chung cân bằng. Ở một số nơi, các cồn cát nhận được thêm cát, trong khi ở một só nơi khác, chúng lại bị lấy bớt đi. Hầu hết các cồn cát ở Hà Lan khá ổn định, việc mất cát do biển tiến nói chung không xảy ra. Ở các nước mà độ cao mặt đất thấp hơn mực nước biển như Hà Lan, các cồn cát đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ bờ biển. Kiểu hình thành cồn cát Có thể phân biệt hai cách thức hình thành cồn cát, một liên quan đến nguồn cát và một liên quan đến động lực ven bờ. Khi cát mới được vận chuyển đến bãi biển và tích tụ trên các cồn, chúng hình thành cồn cát sơ cấp (chưa có trước đây). Tuy nhiên, trên thực tế, hầu hết lượng cát này được tách ra từ những cồn cát bị xói mòn ở những nơi khác. Sự suy tàn của các cồn cát do lớp phủ thực vật bị tiêu diệt, do xói lở hay ảnh hưởng của khí hậu làm cho cát tiến sâu vào đất liền tạo nên các cồn mới ở bãi trong. Các cồn cát mới hình thành kiểu này được gọi là cồn cát thứ cấp. Khi giá trị trung bình của quĩ trầm tích của cồn cát là dương, thì bờ biển có xu hướng tiến ra phía biển hay các cồn cát mới hình thành bên ngoài các cồn cũ. Đây là hình thức hình thành cồn cát luỹ tiến. Ngược lại, nếu quĩ trầm tích có gía trị âm hay các cồn cát bị thu hẹp lại do biển lấy mất cát. Trong trường hợp này, bề mặt của cồn cát luôn bị phơi ra trước gió sẽ là nguồn cung cấp cát để di chuyển sâu vào phía đất liền. Chân cồn cát sẽ bị đẩy lùi và đó là sự thoái hóa của các cồn cát. 2.3.3.2. Vận chuyển bùn cát do sóng và dòng chảy a. Công thức CERC Những ý tưởng của Watts(1954), Inman và Bagnold(1963) là tiền đề của việc ra đời công thức nổi tiếng CERC. Cách tiếp cận ở đây dựa trên cơ sở bảo toàn năng lượng và mối quan hệ của vận chuyển bùn cát với năng lượng được giải phóng khi sóng vỡ. Theo quan điểm của Bagnold, bùn cát chuyển động do sự tương tác giữa các hạt với nhau (vận chuyển đáy) và do dòng chảy thông qua cơ chế khuyến tán rối (vận chuyển lơ lửng). Về mặt nguyên tắc, Bagnold xác định phần năng lượng của dòng 32
39. chảy gây nên vận chuyển đáy và lơ lửng dưới dạng các tham số hiệu suất áp dụng cho dòng dao động, Bagnold lý luận rằng tốc độ tán xạ năng luợng cục bộ là nguyên nhân chính khuấy bùn cát lên và nó bị đưa đi bởi dòng chảy, chẳng hạn như dòng ven bờ là dòng bùn cát được vận chuyển dọc bờ biển. Một số mô hình vận chuyển trầm tích dọc bờ được xây dựng dựa trên quan điểm nêu trên và công thức CERC được áp dụng rộng rãi nhất. Trên thực tế, công thức CERC giả định mối quan hệ tuyến tính giữa dòng năng lượng sóng dọc bờ do sóng vỡ và sự vận chuyển bùn cát dọc bờ. 2 2 S = AH0 c0Krb sinΦb cosΦb (2.15) Trong đó : S = Lượng vận chuyển dọc bờ do sóng vỡ A = Hằng số thay đổi theo đơn vị của S H0 = Độ cao sóng ngoài vùng nước sâu C0 = Vận tốc sóng ngoài vùng nước sâu Krb = hệ số khúc xạ tại đường sóng vỡ ϕb = Góc hợp bởi đường đỉnh sóng và đường bờ Nhiều giá trị khác nhau được đề nghị đối với hằng số A và thường phụ thuộc vào việc chọn tham số độ cao sóng hữu hiệu H0. Nếu H0 nơi nước sâu được áp dụng thì giá trị của A thường được lấy là 0.025, mặc dù đôi khi không tìm được giá tri thực của A. Lý do là do sự thiếu chính xác của các dữ liệu liên quan đến sóng cũng như vận chuyển cát dọc bờ dùng trong mô hình. Hơn nữa,công thức CERC không tính đến sự khác nhau về kích cỡ của hạt bùn cát. Có thể thấy rằng công thức CREC chỉ có hiệu lực đối với các bờ biển dài và thẳng vì ở những nơi này sự khác nhau của độ cao sóng lúc vỡ rất nhỏ. Hơn nữa công thức không tính đến các dòng chảy sinh ra không phải do sóng vỡ, ví dụ như dòng triều. Nếu các dòng c nhảy ngoài sóng là đáng kể thì cần sử dụng các công thức khác tính toán sự vận chuyển bùn cát ven bờ. b. Công thức Bijker Để xây dựng mô hình vận chuyển bùn cát dọc bờ có tính đến ảnh hưởng của dòng triều và các loại dòng khác, phải kết hợp công thức vận chuyển với mô hình dòng chảy dọc bờ. Năm 1967, Bijker đưa ra một công thức vận chuyển đáy do sóng và dòng chảy dựa trên công thức vận chuyển đáy chỉ do dòng chảy của Balinske - Frịlink. Một công thức liên quan đến sự gia tăng của ứng suất đáy do sóng đã được xây dựng. Sau đó vào năm 1986, Bijker đã bổ sung vào công thức vận chuyển đáy sự phân bố của các hạt lơ lửng trên cơ sở sử dụng phân bố bùn cát theo chiều thẳng đứng của Eintein - Rouse. Năm 1981, Bailand phát triển ý tưởng của Bagnold và đưa ra một mô hình tổng vận chuyển bùn cát đáy và lơ lửng đối với dòng chảy biến đổi theo thời gian trên 33
40. đáy dốc phẳng. Cũng giống như mô hình của Bailand và Inman,vận chuyển bùn cát sát đáy liên quan đến vận tốc dòng chảy sát đáy. Lớp sát đáy là nơi mà phân bố vận tốc được coi là có dạng logarit. Hơn nữa, mô hình này dựa trên lý thuyết vận chuyển tổng thể bởi dòng chảy của Bagnold để mô tả tổng vận chuyển trung bình theo thời gian. Bailand đã phát triển mô hình này cho vùng sóng vỡ với giả thiết dòng ven bờ ổn định và cân bằng trong hệ thống bờ và ngoài khơi. Công thức vận chuyển bùn cát dọc bờ được xây dựng với giả thiết rằng bờ biển ở trạng thái cân bằng cục bộ theo hướng giao bờ. Kết hợp với mô hình của Ostendonf và Madsen đối với dòng dừng dọc bờ được xác định là hàm của các đặc trưng sóng tới . Năm 1985,Van Rijn đã xây dựng công thức tính toán vận chuyển trầm tích bởi sóng và dòng chảy dựa trên một khối lượng lớn số liệu đo đạc nồng độ bùn cát lơ lửng cả trong phòng thí nghiệm cũng như trên hiện trường.Các công thức tính toán tiếp theo về vận chuyển bùn cát lơ lửng được giải bằng phương pháp số trị bởi vì chúng là nhưng phương trình mô tả sự khuyếch tán bùn cát theo chiều thẳng đứng. Tiếp theo công thức tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng, một công thức tính toán vận chuyển bùn cát đáy cũng được đưa ra. Các công vận chuyển nêu trên (CERC, Bijker, Bailand và Van Rijn) chỉ là một số công thức được lựa chọn trong số rất nhiều công thức đã được xây dựng. Không một công thức nào đưa ra kết quả chính xác về vận chuyển bùn cát. Thông thường, tính toán và thực đo về bùn cát có thể sai khác nhau đến hai, ba lần. 2.3.3.3. Vận chuyển bùn cát ngang bờ (vuông góc với bờ) Năm 1968, Bakke đưa ra một mô hình tính toán sự tiến triển bờ biển, trong đó ông mô tả bờ biển bằng 2 đường, gọi là ”bờ ngoài” và “bờ trong”. Sau đó, ông giả định rằng sự vận chuyển ngang bờ giữa hai đường này, tại bất kỳ thời điểm nào cũng tỉ lệ thuận với sự chênh lệch giữa dạng mặt cắt bờ cân bằng và dạng mặt cắt thực tế Phương trình vận chuyển ngang bờ có thể viết như sau: Sy= sy (y1-y2+w) (2.16) Trong đó : Sy:lượng vận chuyển ngang bờ sy: hằng số vận chuyển ngang bờ W:khoảng cách cân bằng giữa bờ ngoài và bờ trong y1, y2: toạ độ nằm ngang dọc bờ và vuông góc với bờ. Xuất phát từ công thức trên, Swart(1974) đã tiến hành phân tích kỹ lưỡng các số liệu đo đạc về sự tiến triển mặt cắt bãi. Trên cơ sở đó, ông rút ra được các công thức cho Sy và W như là các hàm của độ cao sóng, chu kì sóng, kích cỡ hạt cát và vị trí của chúng trong mặt cắt. Hầu hết, các dữ liệu của ông liên quan đến đo đạc trong mô hình tỉ lệ nhỏ với sóng đều và như vậy sóng thứ cấp chắc chắn sẽ tác động đến sự tiến triển 34
41. của mặt cắt. Hơn nữa, các mặt cắt liên tục bị xói, nghĩa là công thức thực nghiệm của Swart chỉ áp dụng được đối với vận chuyển theo hướng ra khơi. Năm 1948, Stive và Battjes cũng đã xây dựng một mô hình vận chuyển bùn cát ra khơi. Trong mô hình này, các công thưc được thiết lập đối với dòng chảy từ bờ ra khơi, nồng độ bùn cát, vận chuyển cát ra khơi và sự thay đổi địa hình đáy biển. Đồng thời mô hình này cũng được mở rộng bằng việc đưa các công thức vận chuyển vào bờ do tính không đối xứng của chuyển động quỹ đạo sóng. Với mục đích này, mô hình do Bailard xây dựng (1981) được sử dụng. Như vậy mô hình mới bao gồm vận chuyển vào bờ và ra khơi do tính không đối xứng của sóng và ảnh hưởng của sóng và ảnh hưởng của độ dốc đáy đối với vận chuyển trầm tích ngang bờ . 2.4 Địa mạo bờ biển 2.4.1 Phạm vi không gian và thời gian trong nghiên cứu địa mạo bờ biển Sự tiến triển của địa mạo là kết quả tất yếu của những thay đổi của vận chuyển bùn cát theo không gian và thời gian (Steetrel,1993). Khi sự vận chuyển bùn cát giảm thì đáy biển sẽ nâng lên và ngược lại khi vận chuyển trầm tích tăng thì nó sẽ bị xói. Ở khu vưc bờ biển, sự tiến triển địa mạo thường được phản ánh bằng sự thay đổi vị trí đường bờ mà là yếu tố quyết định cho việc tiến hành các biện pháp chống xói lở bờ biển. Như đã đề cập ở trên, sự tiến triển địa mạo có thể phân thành hai loại - dài hạn và ngắn hạn. Sự phân biệt rõ ràng giữa hai loại tiến triển này theo quan niệm thời gian là không tồn tại. Tuy nhiên, khi nghiên cứu sự xói lở bờ biển và những biện pháp bảo vệ tương ứng, người ta thường nghĩ đến khoảng thời gian (vài năm). Phạm vi thời gian đối với sự tiến triển ngắn hạn có thể rất khác nhau. Đôi khi, sự thay đổi về địa mạo trong một cơn bão lại rất đáng kể, trong khi thay đổi điều kiện sóng hàng năm lại chỉ có thể dẫn đến những thay đổi điạ mạo mang tính ngắn hạn (thay đổi theo mùa). Để đưa ra được quyết định liên quan đến các biện pháp bảo vệ bờ biển, việc xem xét những diễn biến dài hạn rất quan trọng, mặc dù quyết định đó được thực hiện đối với sự tiến triển ngắn hạn. Ví dụ, bờ biển về lâu dài có thể bị xói lở, nhưng vị trí của đường bờ vẫn còn ổn định trong những điiêù kiện bình thường. Tuy nhiên một cơn bão có thể gây ra những ảnh hưởng tức thời, thu hẹp bãi biển hay gây xói lở các đụn cát ở mức không chấp nhận được; vì vậy cần có ngay các biện pháp bảo vệ bờ biển . Điều này có nghĩa là xói lở bờ biển dài hạn sẽ làm cho bờ biển không còn khả năng duy trì được sự thay đổi ngắn hạn . Rõ ràng, tổ hợp của sự xói lở gây ra bởi cả các hình thức vận chuyển dọc bờ và giao bờ hoàn toàn có thể xảy ra. Nói chung, những diễn biến bất lợi dài hạn diễn ra từ từ, nhưng liên tục (từng năm) gây ra tình trạng xói lở không thể phục hồi của bãi biển và các cồn cát. 35
42. Ngược lại với xói lở dài hạn, xói lở ngắn hạn diễn ra không thường xuyên do sự kiện nguy hiểm ít xảy ra (như nước dâng do bão và các trận bão biển). Hơn nữa, những thay đổi đáng kể của mặt cắt bờ biển trong trường hợp đó chỉ giới hạn ở những phần trên cao của mặt cắt như bãi và cồn cát và chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian rất ngắn (giờ,ngày). Trong trường hợp không có sự thay đổi vận chuyển bùn cát dọc bờ hay tổng khối lượng bùn cát nằm giữa hai mặt cắt sẽ không đổi, mặc dù có sự biến đổi mặt cắt sau bão do xói lở cục bộ trên bề mặt cồn cát. Trong hầu hết các trường hợp, sự xói lở này chỉ tạm thời và mặt cắt bãi biển sẽ dần đần được phục hồi sau bão mà về nguyên tắc ít nhiều ở dạng cân bằng. Các vấn đề liên quan đến xói ngắn hạn Ngay cả bờ biển ổn định (không có sự xói lở dài hạn) sự biến đổi động lực mặt cắt ngang bờ do các thay đổi ngắn hạn có thể dẫn đến các vấn đề về an toàn, thậm chí là sự phá huỷ các cồn cát và ngập lụt các vùng đất ngay sau chúng. Điều này ảnh hưởng đến các hoạt động khác trong khu vực đụn cát, ví dụ như các điểm vui chơi, các toà nhà, khu vực đỗ xe, các nguồn nước uống v.v Như đã nói ở trên, sự di chuyển ngang bờ dẫn tới sự thay đổi mặt cắt bờ là nguyên nhân chủ yếu gây ra những thay đổi ngắn hạn ở vùng bờ, trong khi sự tiến triển dài hạn của vùng bờ chủ yếu chi phối bởi sự chênh lệch lượng vận chuyển dọc bờ. Vì vậy, cần phải chú ý trước hết đến sự thay đổi của mặt cắt bờ. Sau đó sự tiến triển địa mạo dài hạn sẽ được nghiên cứu và xử lý. 2.4.2. Mặt cắt bờ biển và sự tiến triển địa mạo ngắn hạn Dạng mặt cắt bờ biển và những thay đổi trong thời đoạn ngắn chủ yếu bị chi phối bởi vận chuyển bùn cát ngang bờ. Vận chuyển bùn cát ngang bờ và mặt cắt bờ biển có liên quan chặt chẽ với chuyển động của sóng, sự thay đổi trạng thái sóng. Sự thay đổi này phổ biến nhất ở khu vực gần bờ, nơi mà vận chuyển ngang bờ là lớn nhất. Loại mặt cắt bờ biển Trong những thập kỷ qua, đã có rất nhiều nghiên cứu về sự tiến triển mặt cắt bờ biển dưới tác động của sóng. Các nghiên cứu này tập trung vào các mặt cắt cân bằng với một số đặc điểm liên quan đến chế độ sóng và tính chất của bùn cát. Loại mặt cắt đã phát triển được quan tâm rất nhiều và sự khác nhau giữa mặt cắt dạng cồn và dạng bậc thang đã được nghiên cứu khá tỉ mỉ. Mặt cắt dạng cồn được định nghĩa là mặt cắt xói và mặt cắt dạng bậc thang là mặt cắt bồi. Trong các tài liệu, mặt cắt dạng cồn còn được gọi là mặt cắt mùa đông hay mặt cắt do bão, trong khi mặt cắt dạng bậc thang – gọi là mặt cắt mùa hè hay mặt cắt thông thường. Điều đó có nghĩa là, mặt cắt dạng cồn cao có thể tìm thấy trong khi hoặc ngay sau bão do vận chuyển ra khơi sinh ra, trong khi đó, mặt cắt dạng bậc thang được tạo thành trong các thời kỳ sóng trung bình và do vận chuyển vào bờ sinh ra. 36
43. Năm 1973, Dean đã phát hiện ra rằng độ dốc của sóng, nguyên nhân gây nên sự khác nhau của mặt cắt dạng cồn và mặt cắt dạng bậc thang thay đổi phụ thuộc vào tỉ lệ vận tốc lắng của bùn cát (w) trên tham số nước sâu Co = Lo/T, như vậy Ho/L0 = C.w/C0. Có thể viết lại công thức đó như sau: H0(wT), trong đó w là tốc độ lắng chìm của hạt kích cỡ trung bình D50. Dean kết luận rằng C = 0.85 và được Allen khẳng định vào năm 1985. Theo tài liệu hướng dẫn bảo vệ bờ biển (1984) có thể giả định rằng xói lở thường xảy ra với C >1, còn bồi lắng C <1. Trong mối liên hệ này, có thể thấy cuốn tài liệu nói trên đã tách nó khỏi quan điểm cho rằng sự hiện diện của các gờ, hào đặc trưng cho mặt cắt bồi và sự hiện diện của cồn cát đặc trưng cho mặt cắt xói. Trên một bãi biển bồi, có thể không thấy gờ và hào, trong khi các còn cát gần bờ lại không trực tiếp thể hiện đó là bờ xói. Battjes(1974) đã chỉ ra rằng các cồn cát có mối quan hệ phức tạp với quá trình sóng vỡ. Hình dáng của mặt cắt bờ biển Ngoài những nghiên cứu nhằm tìm ra những tiêu chuẩn để xác định loại mặt cắt bờ biển (cồn /bậc thang, xói/bồi), còn có nhiều nỗ lực nhằm mô tả hình dáng của mặt cắt bờ biển cân bằng. Năm 1954, Bruun dựa trên cơ sở phân tích các mặt cắt dọc bờ biển bắc Đan Mạch và vịnh Mission, California, đã phát hiện ra rằng mặt cắt cân bằng có thể xấp xỉ bởi hàm mũ đơn giản sau: h =Ay2/3 (2.17) trong đó: h = độ sâu cột nước y = khoảng cách từ đường bờ theo đường vuông góc với bờ A = nhân tố hình dáng, phụ thuộc vào những đặc trưng về sự ổn định của chất liệu đáy. Bruun tìm được A = 0.12 là phù hợp nhất đối với bờ biển Bắc và khu vực Thyboron (Đan Mạch). Tuy nhiên, mặc dù đã rất cố gắng, Song hằng số A vẫn còn là một dấu chấm hỏi rất lớn, có lẽ nó phụ thuộc vào một số nhân tố khác, ví dụ như chế độ sóng, sự thay đổi mực nước và các dòng chảy ven bờ. Sự xấp xỉ nói trên ngày nay được biết đến với tên là “quy luật Bruun” nổi tiểng. Van de Graaff,Vellinga và Steetzel đã tiến hành rất nhiều kiểm nghiệm với quy mô lớn, nhỏ khác nhau và đã thiết lạp được mô hình hộp đen, dựa trên sự so sánh mặt cắt trước và sau bão, tuy nhiên chưa mô phỏng được dòng chảy và quá trình vận chuyển bùn cát thực tế. Một loạt các mặt cắt kích cỡ khác nhau đã được nghiên cứu bằng lý thuyết và thực nghiệm cho phép hình thành công thức giải tích đối với mặt cắt bị thay đổi do bão. 37
44. Mặt cắt xói được hình thành do cát bị xói từ đụn cát và kéo dài đến độ sâu 0.75Hos dưới mực nước dâng do bão cao nhất. Phát triển các kết quả này, Vellinga (1984) đã chỉ ra rằng mặt cắt này có thể được mô tả bằng hàm mũ h = 0.08y0.78. Sau khi đưa ra công thức bán thực nghiệm về ảnh hưởng của độ dốc sóng và kích cỡ hạt một biểu thức chung mô tả mặt cắt xói ở khu vực gần bờ đã được thiết lập như sau: 0.17 0.44 0.78 h = 0.70 (H0/L0) w y (2.18) Trong đó : h = độ sâu cột nước tại y y = khoảng cách từ bờ theo đường vuông góc từ mép nước w = vận tốc lắng của hạt cát trung bình (D50) H0 = độ cao sóng hữu hiệu tại nơi nước sâu trong khi bão L0 = độ dài bước sóng tại nước sâu, 2 L0 = 1.56 T (2.19) Kết luận Từ việc xác định các phương pháp mô tả mặt cắt cân bằng có thể thấy rõ ràng rằng không thể tính toán được ảnh hưởng chi tiết của một cơn bão nào đó (mà chỉ kéo dài vài giờ hoặc nhiều nhất là một ngày) đến mặt cắt ngang bờ ban đầu. Hơn nữa, khó mà có một mặt cắt cân bằng trong một khoảng thời gian ngắn. Rất thú vị khi Bruun (1992) cho rằng “Các giả thiết của Dean và Bruun mang tính hàn lâm hơn là thực tế trong một môi trường ba chiều không đều. Việc họ đưa ra cùng một kết quả có thể là ngẫu nhiên, nhưng các kết quả của Dean và Bruun đều không thể mở rộng được. Mặt cắt bờ biển / đáy biển là một đối tượng dễ bị thay đổi. Hình dạng của nó được mô tả bằng các phương pháp thống kê tốt hơn là bằng phương phát vật lý”. Rõ ràng là việc sử dụng mô hình cân bằng sẽ không cho phép đánh giá ảnh hưởng của nước dâng do bão lên bờ biển có đê chắn hay đê bao. Để khắc phục các yếu điểm của “cách tiếp cận theo mặt cắt cân bằng”, đã có nhiều nghiên cứu nhằm biểu diễn lưu lượng vận chuyển cục bộ, quyết định sự tiến triển của mặt cắt ngang bờ. Việc trình bày kết quả nghiên cứu sâu hơn có thể tham khảo trong tài liệu của Steetzal (1993). 2.4.3. Sự tiến triển địa mạo dài hạn Sự tiến triển địa mạo dài hạn, như là kết quả của sự chênh lệch lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ, được thể hiện bởi nhiều công thức khác nhau, phụ thuộc vào các điều kiện cục bộ. Việc mô tả chi tiết các công thức về sự tiến triển địa mạo dài hạn chủ yếu liên quan đến sự thay đổi hình thái của các lạch triều, sự liên tục của dạng bờ biển hoặc sự có mặt của các mũi đất v.v 38
45. CHƯƠNG 3 PHÂN HỆ HỮU SINH: MÔI TRƯỜNG SINH THÁI, TÀI NGUYÊN SỐNG 3.1 Giới thiệu Dải ven biển là vùng chuyển tiếp từ ảnh hưởng vùng đất liền sang ảnh hưởng của biển. Thuỷ triều, sóng, nguồn nước ngọt đổ ra biển và vùng nước nông tạo nên một môi trường với các điều kiện thường xuyên thay đổi. Trong một môi trường như vậy sẽ có nhiều trạng thái: từ nước mặn tới nước ngọt, từ đá cứng tới hạt đất mịn, từ sáng tới tối, từ nước đục tới vùng nước trong, từ vùng nước đọng tới vùng chảy nhanh, từ trạng thái chìm tới trạng thái nổi Phân hệ hữu sinh bao gồm một số hệ sinh thái với các quần xã vô cùng đa dạng, đã thích ứng với điều kiện sống tại vùng chuyển tiếp này. Phân hệ hữu sinh thích ứng với tính đa dạng và năng suất sinh học nổi trội là đặc điểm của dải ven biển. Tính từ biển sâu tới núi cao nhất thì dải ven biển là nơi có năng suất tối ưu. Hệ sinh thái ven biển cũng tạo điều kiện cho các chức năng sinh thái (chức năng tự nhiên) và tạo ra các mặt hàng tự nhiên cho con người. Việc duy trì hệ sinh thái này để có thể phục vụ cho các chức năng sinh thái tự nhiên là điều không thể thiếu để phát triển bền vững hệ sinh thái của trái đất. Chương này sẽ trình bày những quá trình sinh thái chủ chốt được coi là quan trọng nhất trong việc duy trì hệ sinh thái dải ven biển, các hệ sinh thái chính của dải ven biển và các khía cạnh khác như chất lượng nước, điều cũng rất quan trọng đối với quản lý dải ven biển. Dưới đây là các định nghĩa cơ bản: Sinh thái học nghiên cứu mối quan hệ giữa các sinh vật và môi trường xung quanh chúng, nghiên cứu sự tương tác giữa các nhân tố hữu sinh và các nhân tố vô sinh. Nơi cư trú là môi trường trong đó sinh vật sống như đầm lầy, bờ biển, nước, bãi biển, đầm phá và bãi bùn. Quần thể là toàn bộ các cá thể thuộc cùng một loài cùng sống tại một địa điểm nhất định. Quần xã là tập hợp các quần thể sinh vật sống tại một khu vực nhất định có quan hệ tương tác với nhau. Ổ sinh thái là khu vực riêng, trong đó một sinh vật có thức ăn và phản ứng cách sống của một sinh vật. Vai trò hoặc chức năng của một loài trong hệ sinh thái. Nếu nơi cư trú là địa chỉ của sinh vật, thì ổ sinh thái là nghề của nó. Hệ sinh thái là một quần sinh vật tương tác với nhau và với môi trường mà chúng sinh sống ví dụ như hệ sinh thái rạn san hô ngầm, hệ sinh thái rừng ngập mặn, hệ sinh thái hồ nước mặn v.v Tính đa dạng là thước đo sự giàu có và khả năng phục hồi của một hệ sinh thái dựa trên số lượng loài hoạt động trong hệ sinh thái đó. Nói chung, hệ sinh thái 39
46. càng đa dạng thì càng có khả năng phục hồi càng cao khi nó phải chịu sự rủi ro từ việc phát triển kinh tế xã hội ở dải ven biển. 3.2 Quá trình sinh thái Sinh thái có hai khía cạnh, cũng như hai mặt của một đồng xu - đó là sinh vật và quá trình sinh thái. Hai khía cạnh này kết nối và lồng ghép môi trường sống ven biển và các sinh vật thành một hệ sinh thái thống nhất. Chúng không loại trừ lẫn nhau mà bổ trợ nhau và việc duy trì quá trình sinh thái cũng quan trọng như việc bảo tồn sinh vật hay môi trường sống của chúng. Trong khi nghiên một môi trường sống của 1 loài hay của 1 hệ sinh thái thì không được quên rằng những hệ thống ấy không phải là những đơn vị độc lập, tách biệt mà nó là một thành phần trong một hệ sinh thái lớn hơn vùng ven biển. Vì vậy, chúng phải được quản lý như một phần của một hệ sinh thái lớn nhằm đảm bảo kết nối các hệ sinh thái khác nhau. Có 3 loại quá trình liên kết các môi trường sống ven bờ và các sinh vật với nhau trong các hệ sinh thái và bất kỳ can thiệp nào hay sự phá vỡ những quá trình này cũng sẽ chắc chắn dẫn đến những thay đổi trong các hệ sinh thái. Các quá trình này gồm: 1. Vòng tuần hoàn dinh dưỡng trong hệ sinh thái. 2. Dòng năng lượng xuyên suốt hệ sinh thái. 3. Cơ chế điều hành hoạt động của hệ sinh thái. 3.2.1 Vòng tuần hoàn dinh dưỡng trong hệ sinh thái Các chất dinh dưỡng là các chất hoá học cần thiết cho sự sinh trưởng của động thực vật. Vì động vật lấy dinh dưỡng từ thực vật, các nhà sinh thái học nghiên cứu về vòng tuần hoàn dinh dưỡng thường chú tâm vào các chất dinh dưỡng thực vật chủ yếu như phốt pho, nitơ, và các chất ít sử dụng hơn như silic. Các nguồn cung cấp dinh dưỡng cho hệ thống sinh thái vùng bờ là đa dạng và phong phú từ nguồn rửa trôi từ đất, từ nước ngầm, sông, chất thải hữu sinh, hoá chất, sự phân huỷ do vi khuẩn của các chất hữu cơ lắng đọng, nước biển theo dòng chảy vào thềm lục địa. Chẳng hạn 1 nguyên tử phốt pho chảy ra từ sông có thể bị thực vật phù du vùng cửa sông hấp thụ. Loài thực vật này lại là nguồn thức ăn cho các loại sò, hến sống ở cửa sông, đầm lầy nước mặn. Các loài này lại bài tiết nguyên tử phốt pho lên mặt nuớc vùng đầm lầy. Sau đó, phốt pho có thể được hấp thụ bởi các loài tảo biển, loài thực vật này khi chết đi sẽ dạt vào ven bờ và chìm xuống đáy biển trở thành mảnh vụn (các xác hữu cơ ở đáy biển). Khoáng hoá là quá trình phân huỷ chất hữu cơ nhờ các sinh vật (hầu hết là các vi khuẩn), giải phóng vào nước nguyên tử phốt pho mà các thực vật phù du khác có thể hấp thụ. Nó lại là thức ăn cho một loài cá di cư xa bờ, đôi khi có thể bị đánh bắt ở vùng xa bờ và cuối cùng nó lại có mặt trong bữa ăn tối của con người. 40