Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn Nguyêñ Viết Quỳnh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS ngành: Hải dương học; Mã số: 6

Bản ghi

1 Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn Nguyêñ Viết Quỳnh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn ThS ngành: Hải dương học; Mã số: Người hướng dẫn: PGS. TS. Nguyêñ Minh Huâ n Năm bảo vệ: 2012 Content Mở đầu Abstract: Phân tích quá trình tiêu tán năng lượng sóng trong rừng ngập mặn. Đưa ra Mô hình tính toán và dự báo sóng SWAN. Áp dụng mô hình SWAN tính toán suy giảm năng lượng sóng do rừng ngập mặn tại khu vực cửa Trà Lý Thái Bình. Keywords: Hải dương học; Quá trình lan truyền sóng; Rừng ngập mặn; Tính toán Rừng ngập mặn (RNM) phát triển chủ yếu tồn tại và sinh trưởng tại khu vực bờ biển ngập nước. Rừng ngập mặn trên thế giới rải rác chủ yếu ở những khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới vì chúng không chịu được sự lạnh giá ( Taal, 1994). Trong quá khứ rừng ngập mặn được xem như là vô dụng và như một kết quả chúng bị biến mất nhanh chóng []. Chỉ gần đây rừng ngập mặn được nhận là một hệ sinh thái quan trọng, không chỉ vẻ đẹp mà còn vì tầm quan trọng đối với sự ổn định đường bờ biển và môi trường nuôi dưỡng nhiều sinh vật biển. Đặc biệt những khu rừng ngập mặn gần bờ có thể làm giảm độ cao sóng và thậm chí sóng thần. Tháng 7 năm 1996, cơn bão số 2 (Frankie) với sức gió km/giờ đổ bộ vào huyện Thái Thụy (Thái Bình) nhờ có dải RNM bảo vệ nên đê biển và nhiều bờ đầm không bị hư hỏng, trong lúc đó huyện Tiền Hải do phá phần lớn RNM nên các bờ đầm đều bị xói lở hoặc bị phá vỡ. Năm 2005, vùng ven biển huyện Thái Thụy tuy không nằm trong tâm bão số 7 (Damrey) nhưng sóng cao ở sông Trà Lý đã làm sạt lở hơn 650m đê nơi không có RNM ở thôn Tân Bồi, xã Thái Đô trong lúc phần lớn tuyến đê có RNM ở xã này không bị sạt lở vì thảm cây dày đặc đã làm giảm đáng kể cường độ sóng. Trận sóng thần khủng khiếp tại Ấn Độ Dương tháng 12 năm 2004, Kathiresan and Rajendran (2005) đã cho thấy tầm quan trọng của rừng ngập mặn trong

2 việc làm suy giảm ảnh hưởng của sóng thần.ví dụ, tại Indonesia tâm sóng thần rất gần với đảo Simeuleu, tuy nhiên số lượng người chết đặc biệt thấp bởi vì sự hiện diện của những khu rừng ngập mặn với mật độ dày đặc, phía đông nam của Ấn Độ, thiệt hại về kinh tế và con người ít tại những vùng có rừng ngập mặn rậm rạp. Do tầm quan trọng to lớn của chúng, rừng ngập mặn và hệ sinh thái rừng ngập mặn đã được chú trọng nghiên cứu trong thời gian gần đây nhưng sự hiểu biết về chúng còn rất hạn chế. Thiếu trầm trọng những nghiên cứu động lực và nghiên cứu về sự tương tác giữa trầm tích học và thủy động học. Đặc biệt, những nghiên cứu về quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn là không nhiều. Trong bối cảnh như vậy, đã lựa chọn Tính toán quá trình lan truyền sóng trong rừng ngập mặn là tên của đề tài nghiên cứu. Bố cục luận văn gồm chương và phần kết luận: Chương 1: Quá trình tiêu tán năng lượng sóng trong rừng ngập mặn Chương 2: Mô hình tính toán và dự báo sóng SWAN Chương : Áp dụng mô hình SWAN tính toán suy giảm năng lượng sóng do rừng ngập mặn tại khu vực cửa Trà Lý Thái Bình Kết luận và kiến nghị CHƢƠNG 1 QUÁ TRÌNH TIÊU TÁN NĂNG LƢỢNG SÓNG TRONG RỪNG NGẬP MẶN Trong chƣơng này, tổng quan về rừng ngập mặn nói chung, phân bố rừng ngập mặn trên thế giới và ở Việt nam, các đặc điểm đƣợc giới thiệu trong phần đầu. Trong phần tiếp theo trình bày cơ sở khoa học của lý thuyết sóng tuyến tính, các phƣơng pháp xác định tiêu tán năng lƣợng sóng. 1.1 Rừng ngập mặn Rừng ngập mặn (RNM) là rừng có những loại cây đặc biệt, thường mọc ở ranh giới giữa những phần đất tiếp giáp bờ biển và biển, ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. RNM thường phát triển trong những vùng triều, giữa mực nước biển trung bình và mực nước triều lớn. Phía ngoài biển của rừng ngập mặn thường là vùng đất bùn, với độ dốc khoảng 1:1000. Phía sau RNM có thể là những đê biển, đầm muối và khu vực dân cư

3 sinh sống. Phía trong RNM cây sẽ mọc song song với đường bờ biển với nhiều loài khác nhau. 1.2 Lý thuyết sóng tuyến tính và phổ sóng Lý thuyết sóng tuyến tính Sóng được miêu tả một cách tổng quát bởi lý thuyết sóng tuyến tính hay lý thuyết sóng Airy (Airy, 1845). Trong đó: - Độ sâu nước là hằng số - Chuyển động của sóng là hai chiều - Sóng chuyển động trong dạng nhất định bất biến theo thời gian. - Chất lỏng không nén được - Nhớt, rối và sức căng bề mặt được bỏ qua - Chiều cao sóng (H) nhỏ so với chiều dài sóng (L) và độ sâu (d) Phương trình điều chỉnh vận tốc thế vị (Young, (1999)),,, theo hai hướng (x,z) x z u w x z (1.1) Điều kiện biên động lực trên bề mặt: z t z 0 g 0 t Điều kiện biên đáy: 0 z z h Ở đây ɳ (m) là dao động mực nước, g (m/s 2 ) là gia tốc trọng trường, thế vận tốc, u (m/s) là vận tốc theo hướng x, w (m/s) là vận tốc theo hướng z. Phân loại sóng theo độ sâu

4 Sóng có thể được phân loại dựa theo mối quan hệ giữa chiều dài sóng với độ sâu hay tích số của số sóng k và độ sâu nước d (kd). Hầu hết tham số sóng sẽ thay đổi khi sóng lan truyền từ vùng nước sâu vào vùng nước nông. Chiều dài sóng, vận tốc nhóm sóng và chuyển động quỹ đạo của hạt nước sẽ thay đổi Năng lượng sóng và phổ năng lượng sóng Năng lượng sóng bao gồm động năng và thế năng (Battjes, (1998)). Năng lượng sóng tổng cộng bằng tổng động năng và thế năng (mật độ năng lượng) trên một đơn vị chiều rộng được tính bằng: E 1 gh 8 2 (1.2) Trong đó, là mật độ nước (kg/m), g là gia tốc trọng trường (m/s 2 ) và H là độ cao sóng (m). Phổ sóng Một phương pháp để nghiên cứu các quá trình dao động là xem xét chúng là một tổ hợp các sóng hình sin với độ lớn, tần số và pha khác nhau. Các hàm số thể hiện sự phân bố của biên độ và pha theo tần số được gọi là phổ tần số. Phổ có thể là liên tục hay rời rạc, nhưng phổ sóng là liên tục. Phổ mật độ năng lượng sóng đặc trưng được thể hiện trong hình 1.5 dưới đây. Trục ngang thể hiện tần số, trục thẳng đứng thể hiện mật độ năng lượng. 1. Các phƣơng pháp xác định tiêu tán năng lƣợng sóng 1..1 Phương pháp sử dụng hệ số ma sát đáy Sóng lan truyền ở vùng nước nông gần bờ chịu tác động ma sát do đáy sinh ra. Độ lớn của lực ma sát này phụ thuộc vào một loạt các tham số như vận tốc quỹ đạo sóng theo phương ngang, độ nhám của đáy và độ sâu nước. Trong nhiều tài liệu về hiện tượng suy giảm sóng trong rừng cây ngập mặn hiện tượng ma sát đáy rất ít được chú ý mặc dù các biểu thức của lực ma sát thường được sử dụng để mô tả các thành phần tiêu tán do rừng cây ngập mặn. Công thức của Van Rijn

5 Theo Van Rijn (1989), tiêu tán năng lượng do ma sát đáy được thể hiện bằng đại lượng D f là công trung bình theo thời gian của lực ma sát D f 1 T T 0. U. dt (1.11) b trong đó T là thời gian, τ b là ứng suất tiếp đáy, U δ vận tốc quỹ đạo sóng theo phương ngang. Công thức của Collins Ma sát đáy theo Collins (1972) dựa trên công thức thông thường đối với sóng có chu kỳ với các tham số phụ để phù hợp với trường sóng ngẫu nhiên. Cường độ tiêu tán năng lượng được xác định bằng công thức ma sát đáy thông thường: C bot = c f. g. U orb (1.15) trong đó c f là hệ số ma sát Collins c f = Phương pháp hình khối trụ Một phương pháp khác dựa trên công thức lý thuyết đối với tiêu tán năng lượng sóng do thực vật với các biểu thức riêng biệt trong đó xác định phần năng lượng bị tiêu tán do các quá trình quan trọng nhất Công thức của Morrison Morrison và nnk (1950) đã xác định được lực tác động lên một cọc mảnh đơn lẻ trong sóng bề mặt: f t du 1 C 1 m D 2 Cd D U U (1.18) 4 dt 2 trong đó C m là hệ số quán tính, D là đường kính của cọc, C d hệ số tiêu tán và U là giá trị cực đại của vận tốc quỹ đạo theo phương ngang. Công thức của Dalrymple Dalrymple và nnk (1984) xác định một hệ số tiêu tán năng lượng dựa trên biểu thức của Morrison đối với các thực vật chìm trong nước ở đầm lầy.

6 v 2 kg sinh kh sinh kh Cdbv Nv H (1.22) 2 k cosh kh trong đó k là số sóng, σ là tần số góc, αh là độ cao trung bình của thực vật. Hiện tượng phản xạ sóng từ thực vật không được tính đến trong công thức này. Hai cơ chế cơ bản để mô tả hiện tượng tiêu tán năng lượng sóng do thực vật được mô tả ở các phần phía trên là phương pháp khối trụ và tăng cường tham số nhám đáy. Phương pháp tăng cường tham số nhám đáy dựa trên các kết quả của Collins (1968) được Vries và Roelvink (WL Delft Hydraulíc, 2004) nghiên cứu và áp dụng bổ sung vào mô hình SWAN, các kết quả này được hiệu chỉnh cho cỏ biển - Spartina Anglica. Phương pháp này có vẻ phù hợp khi hiệu chỉnh nhưng không tồn tại nguyên tắc vật lý để tham số hóa các dạng thực vật, các dạng thực vật phức tạp không dễ dàng đưa vào mô hình do thực vật chỉ được tham số hóa bằng một tham số. Mendez và Losada (2004) đã mở rộng công thức của Dalrymple (1984), kết quả này có thể áp dụng cho vùng đáy nghiêng và sóng vỡ. Các thí nghiệm vật lý trong máng chứng minh các kết quả rất triển vọng của phương pháp này, Mendez và Losada cho thấy rằng dạng mô hình này có thể dễ dàng áp dụng trong các mô hình tính toán lan truyền sóng chuẩn để tích hợp quá trình tiêu tán năng lượng sóng do thực vật và còn có thể dự tính dòng chảy sóng cũng như vận chuyển trầm tích trong vùng có thực vật. Kết luận là công thức của Dalrymple (1984) là phương pháp xấp xỉ quá trình tiêu tán năng lượng sóng do thực vật tốt nhất và thích hợp nhất để tích hợp vào mô hình SWAN. CHƢƠNG 2 - MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO SÓNG SWAN Giới thiệu mô hình tính toán sóng SWAN phiên bản mới nhất, đã trình bày tóm tắt cơ sở khoa học và thuật toán của mô hình SWAN. Phần phân tích thành phần tiêu tán đã tập trung vào thành phần tiêu tán năng lƣợng do cây để phục vụ thực hiện các nội dung của đề tài Giới thiệu mô hình SWAN SWAN là mô hình tính toán sóng thế hệ ba, tính toán phổ sóng hai chiều bằng cách giải phương trình cân bằng tác động sóng (trong trường hợp không có dòng chảy có thể dùng phương trình cân bằng năng lượng sóng) có tính tới sự lan truyền sóng từ vùng

7 nước sâu vào vùng nước nông ven bờ, đồng thời trao đổi năng lượng với gió thông qua hàm nguồn cùng với sự tiêu tán năng lượng sóng Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAN - Phương trình cân bằng tác động phổ: Trong SWAN sự tiến triển của phổ sóng được mô tả bằng phương trình cân bằng tác động phổ được viết trong hệ toạ độ Đề Các : N t Cx N x C y N C y N C N S (2.1) Trong hệ toạ độ địa lý phương trình có thể viết dưới dạng: N C N t cos 1 C cosn C N C N S (2.2) Với là kinh độ, là vĩ độ. * Năng lượng gió truyền cho sóng: S in (, ) A BE(, ) (2.) Với A là hệ số tăng tuyến tính, B là hệ số tăng theo hàm mũ. Hệ số A và B phụ thuộc vào tần số và bước sóng đồng thời phụ thuộc vào vận tốc và hướng của gió. + Hệ số tăng tuyến tính A: Biểu thức của Cavaleri và Malanotile-Rizzli (1981) được sử dụng để loại bỏ sự tăng trưởng của sóng tại các tần số thấp hơn tần số Pierson-Moskovitz. 1,5.10 A 2 g 2 U * 4 max 0, cos( ) H w (2.4) Trong đó là hướng gió, H là giá trị để lọc + Hệ số tăng theo hàm mũ B: Trong mô hình SWAN sử dụng biểu thức tính hệ số tăng theo hàm mũ B: Công thức của Kome và nnk (1984):

8 a U* B max 0, cos( W ) 1 (2.5) w C ph Với C ph là vận tốc pha, a và w là mật độ không khí và nước. - Mất mát năng lượng trong khi truyền sóng (S ds ): Mất mát năng lượng khi truyền sóng gây ra do ba quá trình: sự bạc đầu của sóng, ma sát đáy và sóng vỡ do ảnh hưởng của độ sâu địa hình. - Ma sát đáy. Mô hình ma sát đáy sử dụng trong SWAN bằng mô hình thực nghiệm của Jonswap, mô hình sức cản của Collins (1972) và mô hình nhớt rối của Madsen (1980). Công thức sử dụng trong các mô hình này là. S 2, ) Cbottom E(, ) (2.6) 2 g sinh ( kd) ds, b ( 2 Ở đây C bottom là hệ số ma sát đáy, hệ số này phụ thuộc vào vận tốc quỹ đạo chuyển động sóng. - Sóng vỡ do ảnh hưởng của độ sâu địa hình. D tot _ 1 2 bjqb H m 4 2 (2.7) Với bj =1, Q b là phân số sóng vỡ, H m là chiều cao sóng cực đại H m =.d ở đây là hệ số sóng vỡ, d là độ sâu nước tổng cộng, D tot là tỉ lệ tiêu tán năng lượng trung bình trên một đỉnh sóng. Công thức hàm nguồn năng lượng sóng vỡ có dạng Dtot Sds, br(, ) E(, ) (2.8) E * Tương tác phi tuyến giữa các sóng - Tương tác sóng bậc bốn tot

9 Tương tác sóng bậc bốn được tính với các xấp xỉ tương tác riêng (DIA) của Hasselmann (1985). Hàm nguồn được cho dưới dạng S * ** (, ) S (, ) S (, ) (2.9) n14 n14 n14 - Tương tác sóng bậc ba Theo xấp xỉ bậc ba Lumped (LTA) của Eldeberky và Battjes. Hàm nguồn có dạng. S, ) S (, ) S (, ) (2.10) nl( nl nl Với eb là hệ số - Nước dâng do sóng. Trong mô hình 1D, nước dâng do sóng tính bằng cách tích phân phương trình cân bằng mô men, đó là sự cân bằng giữa tác động sóng (gradient ứng suất phát xạ) và gradient áp suất thuỷ tĩnh. F x gd 0 x (2.11) Với d là độ sâu nước tổng cộng, mực nước dâng so với mực nước trung bình Mô hình số của SWAN Trong mô hình SWAN, lời giải của phương trình cân bằng tác động sóng được triển khai bằng một số sơ đồ khác nhau trong cả năm chiều (thời gian, không gian địa lý, không gian phổ). - Sơ đồ quá trình truyền sóng Các sơ đồ được sử dụng trong SWAN dựa trên cơ sở có tính năng mạnh, sát thực tế và mang tính kinh tế. Do vậy, sơ đồ được sử dụng là dạng hàm ẩn trong cả không gian địa lý và không gian phổ, thêm vào đó là phép xấp xỉ trung tâm trong không gian phổ. SWAN bao gồm ba sơ đồ : * Sơ đồ BSBT (backward space - backward time): Sơ đồ này tính cho cả trường hợp sóng ổn định và sóng không ổn định.

10 * Sơ đồ S&L Sơ đồ dạng này được sử dụng trong điều kiện sóng ổn định. Thời gian có thể bỏ đi như một biến, các bước lặp vẫn được tiến hành như trước. * Sơ đồ cấp độ gió bậc ba Sơ đồ này được áp dụng cho điều kiện sóng không ổn định. Hai thành phần đạo hàm theo hướng x và y Việc số hoá quá trình khuyếch tán sóng trong sơ đồ S & L được thực hiện được trong trường hợp sóng truyền trên khoảng cách lớn. Hiệu ứng này phụ thuộc vào phổ sóng. Giá trị của hiệu ứng phụ thuộc vào dạng phổ và thời gian sóng truyền. - Hàm nguồn Trong SWAN các hàm nguồn tạo sóng, tương tác sóng và tiêu tán sóng được viết dưới dạng hàm ẩn: n1 n n1 n1 S n n1 S E ( E E ) (2.12) E Với S E Điều kiện biên và điều kiện ban đầu Trong SWAN, điều kiện biên trong không gian địa lý và không gian phổ là biên hấp thụ đầy đủ với năng lượng sóng đi ra khỏi miền tính hoặc vào bờ. Trên các biên hở, năng lượng của sóng tới được cho bởi người sử dụng. Đối với vùng ven bờ điều kiện biên được cho dọc biên nước sâu và không cho dọc theo biên bên. Điều này có nghĩa là có những lỗi tại biên trong khi truyền vào vùng tính. Vùng ảnh hưởng là vùng tam giác với đỉnh tại góc giữa biên nước sâu và biên bên, phân tán tới bờ trong góc từ 0º tới 45º trên hướng truyền của sóng nước sâu. Để khắc phục vấn đề này thì biên bên nên lấy ở xa vùng cần tính để tránh những lỗi trong vùng tính Bổ sung tiêu tán năng lƣợng sóng do cây trong mô hình SWAN [6] Bổ sung sự tiêu tán năng lượng bởi cây thực vật nghĩa là phải đưa thêm một hạng mới vào phương trình. Với sự bổ sung này mô hình diễn tả quá trình tiêu tán năng lượng

11 sóng bởi cây thực vật, trong đó thực vật có thể được thay đổi theo chiều ngang, và chiều thẳng đứng. S Sin Snl Snl4 Sds, w Sds, b Sds, br Sds, veg, i (2.1) Tiêu tán năng lượng do rừng ngập mặn được tính theo phương pháp của Dalrymple (1984). Theo phương pháp này phân bố năng lượng tiêu tán trên một đơn vị diện tích được tính theo công thức: v 2 kg sinh kh sinh kh Cdbv Nv H (2.14) 2 k cosh kh Công thức này được cải tiến bởi Mendez and Losada năm Phân bố năng lượng tiêu tán trên một đơn vị diện tích được tính bằng: 1 kg sinh kh sinh kh v Cd bv Nv H rms (2.15) 2 2 k cosh kh Trong đó: C : là hệ số tổng hợp D Dtot Sds, veg (, ) E(, ) (2.16) E tot Với D tot 1 g k sinh k sinh kh C bv N v H rms 2g 2 (2.17) k cosh k h Trong đó là tần số trung bình, k là số sóng trung bình. Với H 2 8 rms E. tot 2 2 k sinh kh sinh k h Sds, veg g C b N D v v E E(, ) tot (2.18) k cosh k h Tông tiêu tổng cộng bằng tổng tiêu tán của các lớp. S I ds, veg Sds veg, i1, i (2.19) Trong đó I là số lớp cây ngập mặn, i là lớp được xem là có sự tiêu tán năng lượng

12 sau: Công thức trên được mở rộng tính theo phổ tần, hướng và theo các lớp độ sâu như S ds, veg, i sinh 2 g 2 k h sinh i C D b v, i N v, i k E tot k i1h sinh k ih sinh k i1h E, k cosh k h (2.20) Trong đó : - h: là tổng độ sâu nước - i: là tỉ lệ của lớp nước i so với h I i1 1 i Như vậy năng lượng tiêu tán do rừng ngập mặn được tính theo phân bố theo mặt rộng và trên mỗi đơn vị diện tích có hiệu ứng như phân bố mật độ của thực vật trên một trường và có tính đến ảnh hưởng theo chiều thẳng đứng của các tham số đặc trưng Sự biến thiên của cây theo phƣơng ngang Tiếp theo công thức đồng nhất, cây có thể dễ dàng được thay đổi theo phương ngang Biến đổi cây theo phương thẳng đứng Để bổ sung sự biến đổi đặc điểm của cây theo phương thẳng đứng cần phải đơn giản hóa phân bố thẳng đứng của vận tốc quỹ đạo theo phương ngang. SWAN là mô hình trung bình độ sâu, bởi vậy sự phân bố vận tốc quỹ đạo ngang theo phương thẳng đứng được xem như profile đồng dạng. Khi cây được chia thành nhiều lớp thì sự tiêu tán tổng cộng sẽ bằng tổng các tiêu tán thành phần. Có thể bổ sung cây thay đổi theo phương thẳng đứng, bằng cách đưa tham số cây khác nhau cho mỗi lớp. Tuy nhiên, áp dụng tham số cây không đồng nhất theo phương thẳng đứng thì profile vận tốc quỹ đạo ngang thực sự không còn đồng nhất nữa. Ví dụ: mặt cắt của dòng chảy trong trong một lớp với 1000 thân cây với đường kính mỗi thân là 5 mm sẽ khác với mặt cắt chỉ với thân cây với đường kính 100 mm tạo ra các giá trị tiêu tán năng lượng khác nhau. Trong SWAN, tiêu tán năng lượng tổng cộng là giá trị trung bình theo độ sâu,

13 bởi vậy sự đóng góp khác nhau của mỗi lớp có thể được thêm vào để tạo ra lượng tiêu tán năng lượng tổng cộng. CHƢƠNG - ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAN TÍNH TOÁN SUY GIẢM SÓNG DO RỪNG NGẬP MẶN TẠI KHU VỰC CỬA TRÀ LÝ THÁI BÌNH Trong chương này, trình bày việc áp dụng mô hình SWAN tính toán suy giảm sóng do rừng ngập mặn tại khu vực Trà Lý tỉnh Thái Bình. Trình bày các đặc điểm về sóng, thủy triều, RNM của vùng nghiên cứu. Các số liệu đã được xử lý để đưa vào mô hình tính và xây dựng các kịch bản tính toán. Mô hình SWAN đã được kiểm định bằng cách so sánh kết quả với kết quả nghiên cứu khác và cho kết quả phù hợp. Mô hình SWAN đã được áp dụng vào vùng nghiên cứu trên 2 bước lưới: lưới thô 110x110 m và lưới tinh 22x22m. Đã tính toán cho các phương án mật độ cây từ 0,5 đến 5 cây/m 2 và mực nước 0.5, 1.86,.5 m. Kết quả thu nhận được là phù hợp với quy luật. Trên cơ sở kết quả mô hình, đã đề xuất một số kiến nghị cụ thể về việc phát triển RNM của khu vực..1. Đặc điểm địa hình, hải văn của khu vực nghiên cứu.1.1 Đặc điểm địa hình và lƣới tính Vùng nghiên cứu được chỉ ra trong hình trên, dọc theo bờ biển bao gồm bãi bùn (độ dốc 1:2000) hướng ra khơi và được tạo bởi lượng phù sa được mang ra từ sông Thái Bình. Một phần của bờ biển được bảo vệ bởi vành đai rừng ngập mặn đã trưởng thành. Lưới tính thô: là lưới vuông, có tọa độ địa lý trong khoảng đến E và đến N. Miền tính chi tiết cho toàn bộ vùng tính kích thước 2,56 km theo chiều dọc bờ và khoảng 0,8 km theo chiều vuông góc từ bờ ra phía ngoài khơi. Toàn bộ vùng tính của miền này được chia làm 297 x 281 điểm tính, với kích thước của các ô lưới 110 m 110 m. Lưới tính tinh: là miền tính chi tiết, phía trong lưới tính thô, cho vùng ven bờ được xem là nơi có RNM với lưới tính chi tiết với kích thước 5,72 km theo chiều dọc bờ và khoảng 5,68 km theo chiều vuông góc từ bờ ra phía ngoài khơi. Tọa độ trong khoảng đến E và đến N. Toàn bộ vùng tính của miền này được chia làm 245 x 261 điểm tính, với kích thước của các ô lưới 22 m 22 m Chế độ sóng

14 Sóng đổ bộ vào bờ biển khu vực nghiên cứu chủ yếu là sóng được hình thành từ ngoài khơi vịnh Bắc Bộ và lan truyền vào các tham số sóng bị thay đổi qua quá trình khúc xạ và cạn sóng do độ sâu biến động và gây ảnh hưởng khác nhau ở mỗi đoạn bờ, tại các đoạn bờ lồi có mức độ tập trung cao các tia sóng gây xói lở, các đoạn bờ lõm lại được tích tụ..1.. Chế độ thuỷ triều trong khu vực nghiên cứu Thuỷ triều vùng biển khu vực nghiên cứu có đặc điểm chế độ nhật triều thuần nhất với biên độ dao động lớn. Thông thường trong ngày xuất hiện một đỉnh triều (nước lớn) và một chân triều (nước ròng). Trung bình trong một tháng có 2 kỳ nước lớn với biên độ dao động mực nước từ 2,0-4,0 m; mỗi kỳ kéo dài 2 - ngày. Ở thời kỳ nước kém tính chất nhật triều giảm đi rõ rệt, ngược lại tính chất bán nhật triều tăng lên: trong ngày xuất hiện 2 đỉnh triều (chân cao, chân thấp) Bão và nước dâng trong bão Nước ta nằm trong đới chịu tác động trực tiếp của các cơn bão hình thành ở Tây Thái Bình Dương cũng như biển Đông. Bão đổ bộ vào vùng ven biển cửa sông thường gây ra sóng to, gió lớn, nước dâng... làm phá vỡ đê kè, nhà cửa, biến dạng lòng dẫn và các val, bãi cát ngầm... Tại khu vực nghiên cứu và lân cận có mật độ bão đổ bộ khá cao so với các tỉnh ven biển khác..1.5 Đặc điểm rừng ngập mặn Tại vùng ven biển Thái Bình hiện nay có ha rừng ngập mặn, trong đó rừng nguyên sinh có hơn 500 ha, rừng bần và 000 ha rừng sú, vẹt nguyên sinh, còn lại hơn 7000 ha là rừng trồng..2. Kiểm nghiệm mô hình.2.1 Thiết lập đầu vào Trong chuyến khảo sát, Madza và cộng sự (1997) đã tính toán sự suy giảm sóng được nghiên cứu trong khu vực rừng ngập mặn phía ngoài bờ biển Thủy Hải và Thủy Trọng, các bãi triều với độ dốc 1/2000 kéo ra phía ngoài khơi khoảng 8 km, rộng khoảng 1.5 km và kéo dài khoảng km dọc theo đường bờ biển được trồng cây trang (Kandelia Candel). Tại thời điểm khảo sát thì vùng A, B và C, tương ứng với 1/2, và 5-6 tuổi. Vì trong khu vực thì cây đã trưởng thành gây ra sự tiêu tán lớn nên chỉ áp dụng mô hình

15 tính cho khu vực C. Hình dạng của cây được phác thảo như hệ thống ba lớp được chỉ ra trong bảng.9 dưới đây, do xác định chuẩn hệ số tiêu tán là khó khăn nên Madza đã sử dụng hệ số tiêu tán là như nhau cho mỗi lớp. Điều kiện sóng và mực nước, được chỉ ra trong bảng.10. Bảng.9 Tham số cây được sử dụng trong vùng C Lớp 1 Lớp 2 Lớp Mật độ (-/m 2 ) Đường kính (m) Hệ số tiêu tán Chiều cao (m) Bảng.10 Điều kiện động lực Mực nước (m) Dốc đáy (m) 1: 2000 Độ cao sóng H s (m) Chu kỳ sóng T p (s) Kết quả kiểm nghiệm mô hình Madza đã áp dụng công thức sau để tính suy giảm sóng khi lan truyền vào rừng ngập mặn: R = (H s H L )/H s H s độ cao sóng trước RNM, H L độ cao sóng ở khoảng cách L từ mép ngoài rừng. Kết quả tính toán cho vị trí cách bìa rừng 100 m (L = 100 m) được thể hiện qua các kết quả tính toán (xem bảng.11 và.12) Trong mực nước 0.7 m, với cùng một giá trị độ cao sóng đầu vào, hệ số tiêu tán càng lớn thì suy giảm sóng sẽ càng nhiều. Và khi giá trị hệ số tiêu tán không đổi, thì độ cao sóng lớn hơn sẽ bị tiêu tán nhiều hơn. Xu hướng tương tự cũng được thấy trong mực nước 0.9 m. Tuy nhiên, suy giảm sóng trong mực nước 0.7 m là lớn hơn trong mực nước 0.9 m. Điều này được giải thích là khi mực nước lớn hơn chiều cao cây thì quá trình tiêu tán năng lượng sóng do cây ngập mặn trong lớp nước phía trên vòm lá sẽ không còn nữa. Xu hướng này giống với kết quả tính toán của Madza (xem hình.5,.6), có thể áp dụng những thiết lập điều kiện mô hình cho vùng nghiên cứu.

16 Cd Bảng.11. Suy giảm sóng khi thay đổi hệ số tiêu tán với mực nước 0.7m Hs (m) Cd Bảng.12. Suy giảm sóng khi thay đổi hệ số tiêu tán với mực nước 0.9m Hs (m) Áp dụng mô hình cho vùng nghiên cứu..1 Thiết lập số liệu đầu vào cho mô hình Số liệu sóng hình thành từ gió được xác định cho trạm Hòn Dáu là chuỗi số liệu bao gồm độ cao sóng hiệu dụng, chu kỳ sóng và hướng sóng là sóng hướng Đông được dẫn về biên của lưới tính cho mô hình, một số đặc điểm cơ bản của các tham số sóng tại biên của lưới tính sóng được thể hiện trên bảng.11 dưới đây: Bảng.11 Đặc trưng đầu vào sóng cho mô hình tính toán Mực nước (m) Độ cao sóng H s (m) 1,54 Chu kỳ sóng T p (s) 5,155 Số liệu cây ngập mặn áp dụng cho vùng tính toán là cây Trang có chiều cao 1.95 m, được chia làm lớp: rễ, thân và vòm lá. Mật độ, đường kính, chiều cao cho mỗi lớp

17 được giả định. Hệ số tiêu tán được áp dụng là như nhau cho cả lớp (bảng.12). Dải rừng ngập mặn có chiều rộng khoảng 2 km, với mật độ rừng thưa dần từ bờ ra khơi. Mật độ rừng ngập mặn được thay đổi cho mỗi kịch bản tương ứng là không có RNM, 0.5 cây/m 2, 1 cây/m 2, 1.82 cây/m 2, cây/m 2, 4 cây/m 2 và 5 cây/m 2. Bảng.12 Tham số cây áp dụng cho vùng nghiên cứu Tham số cây Lớp 1 Lớp 2 Lớp Mật độ (-/m 2 ) Đường kính (m) Hệ số tiêu tán Độ cao cây (m) Để đánh giá ảnh hưởng của RNM trong việc làm giảm độ cao sóng, sử dụng công thức [5]: rừng. R = (H s H L )/H s H s - độ cao sóng trước RNM, H L độ cao sóng ở khoảng cách L từ mép ngoài - Để đánh giá ảnh hưởng của chỉ riêng yếu tố RNM trong việc làm giảm độ cao sóng, một số tác giả [5] tính toán hệ số suy giảm độ cao sóng do RNM bằng công thức sau: R = (h không có RNM h có RNM ) / h không có RNM trong đó: h không có RNM, h có RNM lần lượt là độ cao sóng khi không và có RNM..2 Nhận xét kết quả mô phỏng chế độ sóng Bảng.1a Độ cao sóng tại các vị trí với mực nước 0.5m Vị trí Không RNM (0.5cây/m 2 ) Bìa rừng m m m m Bảng.1b Độ cao sóng tại các vị trí với mực nước 1.86 m

18 Vị trí Không RNM (0.5cây/m 2 ) Bìa rừng m m m m Bảng.1c Độ cao sóng tại các vị trí với mực nước.5 m Vị trí Không RNM (0.5cây/m 2 ) Bìa rừng m m m m Các kết quả tính toán mô phỏng cho thấy đặc trưng sóng ở khu vực ven bờ chịu nhiều tác động của địa hình, sự biến đổi của trường sóng ngoài khơi truyền vào và ảnh hưởng tương tác với dao động mực nước. Tuy không ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ sóng nhưng tác động gián tiếp qua tương tác sóng mực nước và sự thay đổi độ sâu của khu vực nghiên cứu. Không có RNM, trong mực nước.5m, trường sóng ở khu vực nghiên cứu có độ cao biến đổi trong khoảng từ 1.0 m ngoài khơi và 0.55 m khi vào bờ. Khi mực nước giảm độ cao sóng trong miền tính có xu hướng giảm do ảnh hưởng của địa hình. Vào thời điểm mực nước 1.86 m, độ cao sóng giảm nhiều và có giá trị trong khoảng 0.6 m khi vào tới bờ. Khi mực nước 0.5 m độ cao sóng giảm đáng kể đạt khoảng 0.10 m khi vào tới bờ. Xem hình.8a,b;.9 dưới đây. Tác động của RNM với mật độ 0.5 cây/m 2 đến trường độ cao sóng ven bờ vùng nghiên cứu khi thay đổi mực nước được thể hiện rõ qua các kết quả tính toán. Trong thời điểm mực nước.5m, ảnh hưởng của dải RNM đã tạo thành các khu vực có độ cao sóng có giá trị nhỏ hơn khi không có RNM theo không gian (hình.9, hình.10a,b,c) Mặc dù xu hướng phân bố theo không gian của trường độ cao sóng vẫn không thay đổi nhiều so với trường hợp không có RNM nhưng giá trị độ cao sóng đã giảm đáng kể. Độ cao sóng giảm khoảng 1 m ở ngoài khơi còn 0.05 m khi vào bờ. Giảm khoảng 6% tại vị trí 500m cách bìa rừng, 80% tại vị trí cách bìa rừng 1500 m và tiếp tục giảm mạnh khi sóng tiến vào bờ. Xu hướng giảm độ cao sóng cũng tương tự từ bìa rừng vào bờ

19 với các mực nước nhỏ hơn. Tuy nhiên, trong mực nước 1.86 m độ cao sóng sẽ giảm mạnh nhất, khoảng 56%, hơn 18% so với mực nước 0.5 m tại vị trí 500 m cách bìa rừng, xem hình.9. Điều này được giải thích rằng sự đóng góp tiêu tán do vòm lá cho tiêu tán năng lượng sóng lớn hơn so với rễ cây. Khi sóng lan truyền vào rừng ngập mặn thì độ cao sóng giảm và sự suy giảm sẽ khác nhau ứng với các mực nước khác nhau. Độ cao sóng giảm mạnh nhất trong mực nước 1.86 m, tại vị trí 500 m cách bìa rừng, độ cao sóng giảm khoảng 59% hơn 6% so với mực nước 0.5 m và 2 % so với mực nước.5 m. Xu hướng này diễn ra tương tự cho các vị trí 1000 m, 1500 m cách bìa rừng. Do trong mực nước 0.5 m sự đóng góp tiêu tán năng lượng sóng bởi rễ cây nhỏ hơn so với sự đóng góp của vòm lá và trong mực nước.5 m thì ảnh hưởng của RNM trong lớp nước phía trên cây là không còn. Khi sóng vào gần bờ, độ cao sóng nhỏ hơn rất nhiều so với bìa rừng thì ảnh hưởng của địa hình trở nên lớn hơn đối với suy giảm sóng trong các mực nước mực nước nhỏ, xem hình.12 dưới đây. Ảnh hưởng của sự thay đổi mật độ rừng cây ngập mặn đối với trường độ cao sóng ven bờ khu vực nghiên cứu với các mực nước khác nhau được thể hiện rõ qua các kết quả tính toán. Bảng.14a Độ cao sóng tại các vị trí với mực nước 0.5m Vị trí (0.5cây/m 2 ) (1cây/m 2 ) (1.82cây/m 2 ) (cây/m 2 ) (4cây/m 2 ) (5cây/m 2 ) Bìa rừng m m m 2000m Bảng.14b Độ cao sóng tại các vị trí với mực nước 1.86 m Vị trí (0.5cây/m 2 ) (1cây/m 2 ) (1.82cây/m 2 ) (cây/m 2 ) (4cây/m 2 ) (5cây/m 2 ) Bìa rừng 500 m

20 m m 2000m Bảng.14c Độ cao sóng tại các vị trí với mực nước.5 m Vị trí (0.5cây/m 2 ) (1cây/m 2 ) (1.82cây/m 2 ) (cây/m 2 ) (4cây/m 2 ) (5cây/m 2 ) Bìa rừng 500 m m m 2000m Mặc dù xu hướng phân bố không gian của trường độ cao sóng khi vào rừng ngập mặn với mật độ 1.82 cây/m 2, cây/m 2, 4 cây/m 2, 5 cây/m 2 vẫn không thay đổi nhiều (xem các hình.1,.14,.15,.16,.17 dưới đây). Tuy nhiên, độ cao sóng giảm mạnh khi vào rừng ngập mặn có mật độ lớn hơn. Với mật độ rừng là 5 cây/m 2, trong mực nước.5 m độ cao sóng giảm từ 0.75 m ở ngoài bìa rừng còn m khi vào bờ. Khi số cây trong vùng nghiên cứu tăng lên, tức là mật độ tăng hoặc đường kính của thân cây ngập mặn tăng lên thì độ cao sóng giảm càng nhiều hơn. Xu hướng biến đổi độ cao sóng khi vào RNM khi thay đổi mật độ với các mực nước khác nhau cũng tương tự với RNM với mật độ 0.5 cây/m2, tức là trong mực nước 1.86 m sẽ làm giảm sóng nhiều nhất do ảnh hưởng của vòm lá đến tiêu tán năng lượng sóng. Trong mực nước.5 m, do không còn sự ảnh hưởng của RNM đến tiêu tán trong lớp nước phía trên vòm lá nên suy giảm sóng sẽ nhỏ hơn, xem hình.18a,b,c;.19a,b,c dưới đây. Sự thay đổi mật độ rõ ràng ảnh hưởng đến suy giảm độ cao sóng trong vùng nghiên cứu. Xem xét mối quan hệ giữa R và Nv, trong đó R = (H không RNM H có RNM )/ H không RNM, Nv là mật độ RNM. Tại vị trí 1500 m, trong mực nước.5 m, mật độ rừng là 0.5 cây/m 2 độ cao sóng giảm 79 % so với không có RNM. Mật độ rừng là 1 cây/m 2, tức là mật độ tăng thêm 0.5 cây/m 2, thì độ cao sóng giảm thêm được 10% so với không có RNM. Mật độ rừng là 1.82 cây/m 2, tức là Nv =1.2 cây/m 2, thì độ cao sóng giảm thêm 5%. Khi mật độ rừng là cây/m 2, Nv = 2.5 cây/m 2, thì độ cao sóng giảm thêm %. Khi mật độ rừng là 4 cây/m 2, tức là Nv =.5 cây/m 2, thì độ cao sóng giảm thêm 1%. Khi

21 mật độ rừng là 5 cây/m 2 thì độ cao sóng giảm thêm được 1%. Nhận thấy rằng thì Nv tăng R tăng, tuy nhiên khi mật độ RNM lớn hơn cây/m 2 thì độ cao sóng giảm thêm không đáng kể. Xu hướng này diễn ra tương tự cho các mực nước 0.5 m và 1.86 m, và sẽ càng rõ ràng hơn khi sóng đi vào gần bờ. (xem hình.20a,b,c,d dưới đây) Như vậy ảnh hưởng của mật độ RNM đến suy giảm sóng là rõ ràng, mật độ tăng thì tốc độ suy giảm sóng (r) sẽ tăng hay độ cao sóng sẽ giảm. Với mục đích lựa chọn mật độ ổn định cho khu vực nghiên cứu, đảm bảo độ cao sóng là nhỏ nhất phía sau rừng ngập mặn và đảm bảo tính bền vững cho RNM. Mật độ rừng nên lựa chọn là cây/m 2 và bề rộng rừng là khoảng từ 500 tới 1000 m cho khu vực nghiên cứu. Kết luận và đề xuất Các dải rừng ngập mặn ở vùng ven không chỉ có ý nghĩa to lớn về mặt sinh thái mà còn có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ bờ biển. Luận văn đã tiến hành thiết lập các điều kiện cho mô hình thủy động lực-sóng SWAN có bổ sung tiêu tán năng lượng sóng do thực vật để mô phỏng lan truyền sóng trong RNM dựa trên các đặc điểm cây RNM như đường kính thân, chiều cao cây, mật độ cây, từ các kết quả phân tích so sánh trong các trườnng hợp không có rừng ngập mặn và có ảnh hưởng của rừng ngập mặn cũng như có sự thay đổi mật độ rừng ngập mặn có một số kết luận sau: - Triển khai thành công mô hình SWAN có bổ sung thêm hiệu ứng cây, lưới lồng cho các kịch bản lan truyền sóng qua vùng có và không có sự tồn tại của rừng cây ngập mặn. Khi lan truyền vào rừng ngập mặn độ cao sóng giảm và tốc độ suy giảm ở mỗi mực nước là khác nhau. Với mực nước nhỏ rễ cây đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiêu tán sóng. Khi mực nước tăng vai trò của vòm lá trở nên quan trọng hơn. - Sự suy giảm năng lượng sóng phụ thuộc vào mật độ phân bố thân cây ngập mặn. Số cây ngập mặn càng tăng thì độ cao sóng càng giảm. - Từ kết quả nghiên cứu đã xác định được mật độ ổn định cho khu vực nghiên cứu là cây/m 2. Độ rộng rừng đề xuất là khoảng m. Nếu rải rừng rộng 1000 m, cây ngâp mặn cao khoảng 1.95m thì làm giảm độ cao sóng 1 m ở ngoài khơi còn 0.07m khi vào bờ. - Đã làm rõ thêm vai trò hết sức quan trọng của rừng ngập mặn, đặc biệt trong giai đoạn ứng phó với biến đổi khí hậu, mực nước biển tăng. Kiến nghị nên phục hồi và trồng

22 rừng ngập mặn ở tất cả những vùng ven bờ biển có điều kiện trồng để bảo vệ đường bờ và tài sản của người dân sinh sống ven biển. References 1. Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, 2005, Mô hình tính sóng vùng ven bờ. 2. Nguyễn Minh Huấn, 2010, Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ dự báo hạn ngắn trường các yếu tố thủy văn biển khu vực Biển Đông. Đề tài thuộc Chương trình " Khoa học và công nghệ biển phục vụ phát triển bền vững kính tế xã hội ".. La Thị Cang, Võ lương Hồng Phước, 2002, Sự ảnh hưởng của mật độ thân cây ngập mặn lên sự suy giảm sóng, Tuyển tập Báo cáo Khoa học Hội nghị Khoa học Biển Đông , Trường đại học khoa học tự nhiên Tp. Hồ Chí Minh Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh 4. Phan Nguyên Hồng, 1999, Rừng ngập mặn Việt Nam, NXB Nông nghiệp Hà nội. 5. Vũ Duy Vĩnh, Trần Anh Tú, Trần Đức Thạnh, Vũ Đoàn Thái, 2010, Vai trò làm giảm tác động của dòng chảy, sóng do rừng ngập mặn ở khu vực ven bờ Bàng La Đại Hợp (Hải Phòng), Hội nghị khoa học và Công nghệ biển toàn quốc lần thứ V 6. B.Burger, Thesis, September 2005, Wave attenuation in Mangrove Forest, M.Sc. 7. Madza, Y., E. Wolenski, B. King, A.Sase, D. Ohtsuka & M. Magi, 1997, Drag force due to vegetation in Mangroves and Salt Marshes 1 () Madza, YM. Magi, M. Kogo & P.N Hong, 1997, Mangroves as a coastal protection from waves in the Tong King Delta, Vietnam. Mangroves and Salt Marshes Delft University of Technology, , Swan scientific and technical documentation. Swan cycle III version