Mở đầu
Trong ánh bình minh của thế kỷ 21, loài người như dòng chảy của sông đang đổ dồn về đới ven biển. Dự kiến đến năm 2010 sẽ có khoảng 54% dân số thế giới sinh sống trong khu vực từ bờ biển vào sâu trong đất liền 90 km (Charlier & De Meyer, 1998). Để bảo vệ khu vực ven biển, đến nay rất nhiều công trình đã được xây dựng, đặc biệt là đê biển. Đê biển được ghi nhận là công trình hữu hiệu nhất ngăn triều và chống sóng, bảo vệ vùng đất thấp. Trong điều kiện thực tế hiện nay, khi mà nguy cơ về sóng thần, sự dâng cao mực nước biển và xói lở bờ biển đang là vấn đề thời sự nóng bỏng (O’Connel, 2002 và Vellega, 1999), các nghiên cứu về ổn định lâu dài của hệ thống đê biển nhằm giảm thiểu thiệt hại do các hiện tượng trên gây ra luôn thu hút được rất nhiều sự quan tâm.
Khu vực ven biển đồng bằng Bắc Bộ không phải là ngoại lệ. Thực tế diễn ra những năm qua, đặc biệt là sau cơn bão số 7 tháng 9 năm 2005 cho thấy vấn đề ổn định lâu dài của hệ thống đê biển trước những biến động phức tạp của thiên nhiên đã trở nên vô cùng cấp thiết. Nhằm góp phần làm sáng tỏ vấn đề này, bài báo tập trung phân tích ảnh hưởng của các yếu tố xói lở bờ biển, sự dâng cao mực nước biển, xói mòn hạ thấp địa hình bãi biển, xói mòn bề mặt và sườn đê biển, các công trình xây dựng ở thượng lưu, trồng và khai thác rừng ngập mặn đến sự ổn định của hệ thống đê.
1. Khái quát hiện trạng hệ thống đê biển đồng bằng Bắc Bộ
Khu vực ven biển đồng bằng Bắc Bộ thuộc địa phận thành phố Hải Phòng và các tỉnh Thái Bình, Nam Định và Ninh Bình có địa hình thấp, đa phần thấp hơn mực triều cường (cao 2,8-4m). Đây là vùng trọng điểm kinh tế của đất nước, có mật độ dân cư cao. Để bảo vệ khu vực ven biển, từ lâu việc nghiên cứu xây dựng các tuyến đê biển đã rất được chú trọng. Đến nay, Hải Phòng có 104,12km đê biển, một số tuyến đã được nâng cấp qua dự án PAM 5325 chống được gió cấp 9, tần suất triều 5%, nhưng vẫn cần tới 1.100 tỷ đồng để nâng cấp toàn bộ tuyến đê đến 2010. Thái Bình có 82,5km đê biển, trong đó 56km trực diện với biển. Dự án PAM 5325 mới chỉ nâng cấp được 47km đê biển. Nam Định có 91,5km đê biển, là nơi có tuyến đê xung yếu nhất và bị phá hủy trầm trọng trong các cơn bão năm 2005. Ninh Bình có các tuyến đê Bình Minh 1, 2 và 3 bảo vệ huyện Kim Sơn, quy mô nhỏ, không ổn định trong gió bão cấp 8-9.
Đê biển được đắp bằng máy xúc hoặc đào đắp thủ công. Đất đắp được lấy từ các khu vực đồng phía trong. Đất đắp có hai loại chính là cát mịn (ít hơn là cát pha) lẫn ít bụi, sét, mùn thực vật và sét, sét pha đôi chỗ lẫn mùn thực vật, màu nâu hồng. Đê biển ở đồng bằng Bắc Bộ được xây dựng trực tiếp trên nền là các trầm tích Holocen.
Các nghiên cứu đến nay đều khẳng định đường bờ từ Hải Phòng đến cửa Thái Bình thuộc loại triều chiếm ưu thế, các khu vực còn lại chịu ảnh hưởng hỗn hợp của sóng- triều (theo phân loại của Davis & Hayes, 1984), trong đó có nhiều đoạn bờ biển bị phá hủy mạnh mẽ như Hải Hậu (Nam Định), Cát Hải (Hải Phòng). Thực tiễn đã xảy ra trong cơn bão số 7 năm 2005 vừa qua đã cho thấy sự cần thiết phải dự báo được khả năng mất ổn định của các đoạn đê biển, nhằm chủ động đối phó với thiên tai cả trong thời gian trước mắt và lâu dài.
2. Nguyên tắc đánh giá mức độ ảnh hưởng
ổn định ở đây được hiểu là các trạng thái cân bằng bền của hệ thống đê biển. Nghiên cứu ổn định dài hạn có nghĩa là đánh giá khả năng giảm mức độ ổn định, tiến tới trạng thái cân bằng giới hạn hoặc trạng thái cân bằng bền với mức độ bền vững thấp hơn.
ổn định của đê biển là vấn đề phức tạp do chịu tác động đồng thời của nhiều yếu tố khác nhau. Đối với hệ thống đê biển đồng bằng Bắc Bộ, các hợp phần trực tiếp tương tác với nhau quyết định sự ổn định bao gồm tuyến đê, đất nền, biển và hoạt động nhân sinh. Các yếu tố này có thể biến đổi theo cả không gian và thời gian ở các mức độ khác nhau.
Về không gian, phân định các tuyến đê có độ ổn định khác nhau dựa trên sự khác biệt về cấu trúc nền đất, biên độ triều và chiều cao sóng trung bình, địa hình bãi biển, hiện trạng tuyến đê (dạng hình học, đặc điểm vật liệu đắp, các giải pháp công trình đã áp dụng). Trong các yếu tố tác động, một số yếu tố biến đổi nhanh theo thời gian và một số biến đổi chậm theo thời gian. Vì vậy, khi tiếp cận nghiên cứu ổn định đê biển trong mỗi không gian cụ thể cần xét tới ổn định tức thời và dài hạn. Khi phân tích ổn định tức thời của đê biển, bão là yếu tố quan trọng nhất, đặc biệt là khi thời điểm bão đổ bộ mực nước triều đang ở mức cao. Các yếu tố ảnh hưởng dài hạn đến ổn định đê biển bao gồm: xói lở bờ biển, sự dâng cao tương tối của mực nước biển, xói mòn hạ thấp địa hình bãi biển, xói mòn bề mặt và sườn đê biển, lún cố kết của nền đất yếu, các công trình xây dựng ở thượng lưu, trồng và khai thác rừng ngập mặn.
Khi quy mô các tuyến đê được nâng lên, bên cạnh vấn đề về ổn định, ảnh hưởng của lún nền đất nói chung, cố kết của các tầng đất yếu nói riêng sẽ đóng vai trò quan trọng.
3. Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định lâu dài của đê biển
3.1. Xói lở bờ biển
Kết quả phân tích các thế hệ bản đồ địa hình (bảng 1) cho thấy đồng bằng Bắc Bộ có nhiều đoạn bờ xói lở rất nghiêm trọng, như Cát Hải (Hải Phòng), Đông Long, Thụy Xuân, Nam Cửa Lân (Thái Bình), Giao Phong, Hải Hậu,

Nghĩa Phúc (Nam Định). Đoạn bờ xói lở điển hình nhất là ở huyện Hải Hậu, với chiều dài gần 20km. Đặc biệt đoạn bờ Hải Chính - Hải Hòa, tốc độ xói lở đạt tới 15-21m/năm. Xỏi lở diễn ra mạnh mẽ nhất vào mùa gió đông bắc, đặc biệt là ở Hải Thịnh, tốc độ có thể đạt tới hơn 40-50m/năm trong một vài năm qua.
Thời gian gần đây, xói lở có xu thế gia tăng cường độ và sự hình thành một số đoạn bờ xói lở mới. Biểu hiện gia tăng mức độ xói lở được thể hiện rất rõ rệt ở khu vực ven bờ Hải Hậu. Tại đây, cường độ xói lở tăng lên rất rõ rệt trong giai đoạn 1985-1995, gấp 1,5-2 lần giai đoạn 1965-1985. Do dâng cao mực nước biển và xu thế suy tàn của cửa Thái Bình đã và đang làm phát sinh, phát triển đoạn bờ xói lở mới ở cửa Thái Bình. Tuy nhiên, cường độ xói lở yếu vì đường bờ được bảo vệ bởi dải rừng ngập mặn có chiều rộng tương đối lớn. Bên cạnh đó, trong những thập kỷ tới, cửa Trà Lý vẫn tiếp tục phát triển mạnh về đông bắc, dẫn đến sự gia tăng phá hủy cồn cát phía nam và tạo ra khả năng xói lở mạnh trở lại ở Đông Long, Đồng Châu. Tương tự, trong vài năm tới, cửa Lạch Giang có thể lại mở về phía bắc, dẫn đến gia tăng xói lở ở Nghĩa Phúc và bờ trái cửa Đáy. Gia tăng xói lở dẫn đến bề mặt địa hình bãi bị hạ thấp nhanh hơn, chân khay đê biển bị phá hủy mạnh mẽ hơn, làm suy yếu đê biển.
3.2. Xói mòn hạ thấp bề mặt bãi biển
ở các đoạn bờ có đê, biển sẽ không tiếp tục lấn sâu vào đất liền và xói mòn theo phương ngang, chuyển sang xói mòn theo phương thẳng đứng, làm hạ thấp địa hình bãi biển ở chân đê. Xói lở làm hạ thấp địa hình bãi, phá hủy chân khay đê biển đã được ghi nhận bằng các mô hình vật lý ở trong phòng thí nghiệm bởi Barnett và Wang (1988). Hiện tượng này được xác định chủ yếu là do sự hình thành các dòng chảy rối do sóng tương tác với đê biển gây ra. Ngoài ra, sóng phản xạ từ đê cũng góp phần cường hóa hiện tượng này. Tốc độ hạ thấp địa hình bãi đạt giá trị lớn nhất khi vị trí xây dựng đê biển nằm trong khoảng từ điểm giữa đới sóng vỡ đến điểm ở vị trí bằng 2/3 khoảng cách từ giữa đới sóng vỡ đến đê biển (Kraus, 1988). Giả sử lượng bùn cát vận chuyển đi ở khu vực bờ có đê biển tương tự như khi không có đê biển. Từ đó, mối quan hệ giữa tốc độ xói lở ngang và tốc độ hạ thấp địa hình bãi biển trước đê được tính gần đúng theo công thức [11]:
Dh = 100DY x b/l (1)
Trong đó: Dh: Tốc độ hạ thấp địa hình bãi biển (cm/năm);
DY: Tốc độ xói lở ngang khi chưa có đê biển (m/năm);
l: Chiều rộng bãi tính từ đường bờ đến độ sâu bằng MNBTB (m)
b: Chiều cao của vách bờ xói lở (m)
Theo công thức (1), tốc độ hạ thấp địa hình bãi biển hiện nay ở một số tuyến đê đã được xác định (bảng 2). Kết quả cho thấy, ở tất cả các đoạn bờ xói lở, địa hình bãi ngoài đê đều bị hạ thấp. Tuy nhiên, mức độ hạ thấp rất khác nhau. Tại Thái Bình, địa hình bãi biển ở tuyến đê Đông Long bị hạ thấp nhanh nhất, đạt 8,9cm/năm, ở tuyến đê Đồng Châu đạt 5,4cm/năm, còn ở các tuyến đê khác tốc độ hạ thấp địa hình bãi chỉ từ 2-3,5cm/năm. Tại Nam Định địa hình bãi biển bị hạ thấp với tốc độ nhanh tại các trọng điểm xói lở hiện nay như Hải Lý, Hải Chính, Hải Triều và Hải Hòa. Tốc độ hạ thấp 15-25cm/năm. ở các khu vực đường bờ có mức độ xói lở giảm (Hải Đông) tốc độ hạ thấp địa hình thấp hơn đáng kể, đạt 6,3cm/năm. Địa hình bãi biển ở Nghĩa Phúc hạ thấp 12,2cm/năm. Do tốc độ xói lở tăng rất mạnh ở Hải Thịnh, địa hình bãi hạ thấp nhanh và đê biển tại đây đã bị phá hủy trong bão số 7năm 2005.
ở hệ thống đê biển PAM, chân khay thường được đặt ở độ sâu 1,5m so với bề mặt bãi biển. Như vậy, hệ thống đê biển được xây dựng kiên cố có thể đảm bảo ổn định trong thời gian dài bởi chân khay ở đa số các tuyến đê sẽ chỉ bị mất đi trong 16 đến hơn 50 năm. Vấn đề đặc biệt nghiêm trọng chỉ diễn ra tại Hải Hậu, nơi mà chân khay của đê biển có thể bị mất hoàn toàn trong 6-10 năm ở các tuyến trọng điểm.
3.3. Dâng cao mực nước biển
Sự dâng cao mực nước và ảnh hưởng tiêu cực của nó đã và đang là vấn đề thời sự rất được quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm qua trên thế giới. Theo hầu hết các dự báo hiện nay mực nước biển trung bình (MNBTB) được dự báo là sẽ dâng cao khoảng 50-100 cm trong 100 năm tới. Dâng cao mực nước biển cũng kéo theo sự phát sinh, phát triển của nhiều tai biến, tác động tiêu cực đến các hệ thống tự nhiên và kinh tế - xã hội (hình 1). Như vậy, dâng cao mực nước biển có nhiều tác động gián tiếp đến đê biển, trong đó đáng chú ý nhất là sự cường hóa xói lở bờ biển. Ngoài ra, chiều cao thiết kế đê cũng phải cao hơn (hình 2), dẫn đến những khoản chi phí lớn để xây dựng.
Để dự báo sự gia tăng mức độ xói lở do dâng cao mực nước biển, Brunun (1962) đã đưa ra quan hệ giữa mức độ gia tăng xói lở và lượng dâng cao mực nước:
Theo Nguyễn Ngọc Thủy, khu vực từ cửa Văn úc đến Hà Lạn đang bị sụt lún với tốc độ -2mm/năm, các khu vực còn lại được nâng yếu. Đồng thời, lượng dâng cao mực nước biển (đã loại trừ ảnh hưởng của sụt lún kiến tạo) được xác định từ trạm quan trắc Hòn Dấu là 2,24mm/năm. Như vậy, trong dự báo, lượng dâng cao mực nước biển là 4,24mm/năm tại cửa Văn úc đến Hà Lạn, còn từ Hà Lạn đến cửa Đáy là 2,24mm/năm.
Kết quả tính toán (bảng 3) cho thấy, tốc độ gia tăng xói lở do dâng cao mực nước biển đạt từ 0,15-0,6m/năm. Như vậy, trong những năm tiếp theo, các khu vực đang bị xói lở như Hải Hậu, Đồng Châu và Nghĩa Phúc cường độ xói lở sẽ tiếp tục tăng. Đến năm 2010 và 2015 tốc độ xói lở gia tăng đạt tới 2-6m/năm.
3.4. Xói mòn bề mặt và sườn đê biển
Hiện nay nhiều đoạn đê biển chỉ kè bê tông hoặc đá hộc ở sườn phía biển, sườn phía đất liền và bề mặt chưa được xây dựng bảo vệ. Trong mưa lớn, hoặc khi sóng leo vượt lên trên bề mặt đê, vật liệu là cát mịn ở mặt và sườn đê dễ dàng bị xói mòn. Qua quan sát thực tế đê Thụy Xuân và Thụy Hải (Thái Thụy, Thái Bình) có thể thấy, bề mặt đê hạ thấp tới 5cm/năm do xói mòn. Trong cơn bão số 7 tháng 9 năm 2005, phần lớn các đoạn đê hư hỏng ở Hải Hậu là do sườn phía đất liền bị nước do sóng leo tràn vào phá hoại trước, kéo theo là sự sập đổ dần của mái đê theo chiều từ đất liền ra biển.
Với vật liệu đắp là cát mịn lấy trực tiếp ở ven biển. Một số chỉ tiêu cơ lý cơ bản của đất đắp đê được lấy tại Hải Hậu như sau: hệ số rỗng (e) = 0,759, đường kính hạt hữu hiệu D10 = 0,12mm, hệ số đồng nhất CU = 1,3, góc ma sát trong hữu hiệu (j’) 25-300. Do đê có góc dốc phía đất liền phổ biến là 1:2 (gần 300) tức là xấp xỉ góc ma sát trong hữu hiệu của đất. Sở dĩ ở trạng thái tự nhiên đê bền vững là do đất được bổ sung thành phần sức chống cắt do độ hút dính (matric suction). Dựa vào các chỉ tiêu e, D10, CU đường đặc trưng đất nước của đất được xác định như hình 3. Qua đây có thể thấy, ở trạng thái khô gió, cát mịn có độ hút dính lên tới 10kPa, tăng cao sức chống cắt của đất. Khi mực nước dâng cao do thủy triều và nước dâng trong bão, cát mịn dễ dàng bị bão hòa nước do mao dẫn, hoặc trong một số trường hợp bão hòa do nước mưa, nước mặt. Khi đó, mái dốc phía đất liền gần như ở trạng thái cân bằng giới hạn. Do vậy, dưới tác dụng của dòng chảy mặt sườn đê dễ dàng bị xói mòn, thậm chí bị sạt lở ở các mức độ khác nhau. Nghiêm trọng hơn, nếu nước do sóng leo tràn qua đê sẽ dễ dàng gây ra sự mất ổn định của sườn đê biển, tạo ra các khối trượt nông dạng dòng chảy và dẫn đến sự phá hủy hoàn toàn đê biển theo chiều từ đất liền ra biển.
3.5. Trồng và khai thác rừng ngập mặn
Rừng ngập mặn (RNM) có vai trò rất rõ rệt trong việc giảm sóng. Tuy vậy, trước đây vì một số lợi ích trước mắt RNM tự nhiên ở ven biển đã bị khai thác quá mức, không thể tự phục hồi, gây suy thoái đất và cường hóa xói lở. Chiều cao sóng giảm do RNM cao hơn giảm sóng thuần tùy do ma sát đáy từ 4-20 lần. Tuy nhiên, RNM chỉ có thể phát huy tốt vai trò giảm sóng khi cây đã tương đối trưởng thành và chiều rộng của rừng đủ rộng.
Với đặc điểm độ hạt của cát mịn ở ven biển đồng bằng Bắc Bộ, để dòng chảy dọc bờ di chuyển được hạt cát, sóng phải có chiều cao tối thiểu là 0,25m. Như vậy, để bảo vệ đê một cách hữu hiệu, chiều rộng RNM cần đủ lớn để giảm được chiều cao sóng trung bình xuống dưới 0,25m. Khi đó, chân khay của đê biển sẽ không bị phá hủy. Các kết quả nghiên cứu cho thấy hệ số giảm sóng “r” trung bình của RNM đạt khoảng 0,12/100m. Với chiều cao sóng trung bình năm ở khu vực là 0,8-1,0m, chiều rộng tối thiểu của RNM, góp phần bảo vệ đê một cách hữu hiệu khoảng 500 đến 600m.

3.6. ảnh hưởng của các công trình xây dựng ở thượng lưu
Hệ thống đê trên các sông thu hẹp tiết diện lòng dẫn, tăng động năng dòng chảy khi đổ ra biển, giảm khả năng cung cấp bùn cát trực tiếp cho khu vực bờ lân cận cửa sông. Rõ rệt nhất là tại cửa Ba Lạt, bùn cát đưa ra chủ yếu bồi đắp ở các cồn Lu, Vành và vận chuyển ra vùng nước sâu. Hệ thống đê sông cũng đóng vai trò quan trọng tạo ra châu thổ sông Hồng chỉ phát triển mạnh ở phía bắc (cửa Văn úc, Trà Lý), khu vực trung tâm (cửa Ba Lạt) và phía Nam (cửa Lạch Giang, Đáy). Giữa các khu vực này các cửa sông đều suy tàn, dẫn đến phát triển xói lở, trong đó bờ biển Hải Hậu là một điển hình.
Các công trình thủy điện Hòa Bình không làm thay đổi lượng nước, nhưng giảm tới 56% lượng bùn cát ở hạ lưu. Hậu quả là gia tăng xói lở ở Hải Hậu và giảm tốc độ bồi tụ trung bình tại Ba Lạt giảm 24m/năm trong thời kỳ 1985-1995 so với thời kỳ 1965-1985. Trong thời gian tới khi thủy điện Tuyên Quang, Sơn La và nhiều công trình thủy điện nhỏ khác đi vào xây dựng và hoạt động, lượng bùn cát cung cấp cho khu vực ven biển chắc chắn sẽ tiếp tục giảm, dẫn tới giảm bồi tụ, gia tăng xói lở, góp phần tăng tốc sự suy yếu đê biển.
Kết luận
Hệ thống đê biển đồng bắc Bắc Bộ có vai trò cực kỳ quan trọng bảo vệ vùng đất thấp ven biển. Hiện nay hệ thống đê có xu thế suy yếu dần theo thời gian do ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau.
1. Xói lở với cường độ lớn phá hủy chân khay là quá trình chính làm suy yếu hệ thống đê biển. Bên cạnh đó, sự dâng cao mực nước biển trung bình 2mm/năm, kết hợp với sụt lún kiến tạo có ảnh hưởng nghiêm trọng và rộng khắp, gia tăng mức độ xói lở bờ. Sự biến đổi hướng dòng chảy (cửa Lạch Giang) hoặc suy tàn cửa sông (Thái Bình) kết hợp với dâng cao mực nước biển dẫn đến gia tăng cường độ xói lở và hình thành những đoạn bờ xói lở mới.
2. Các tuyến đê được đắp bằng vật liệu tại chỗ, chủ yếu là cát mịn, khi bề mặt và sườn không được bảo vệ dễ bị xói mòn hoặc sạt lở do tác động của nước mưa, nước mặt và sóng leo.
3. Các hoạt động nhân sinh như xây dựng hệ thống đê sông, các công trình thủy điện ở thượng lưu có mức độ ảnh hưởng rõ rệt và lâu dài theo chiều hướng gia tăng cường độ xói lở bờ biển, đẩy nhanh quá trình suy yếu đê. RNM với chiều rộng đủ lớn (tối thiểu 500-600m) có tác dụng chống xói lở bảo vệ đê biển, nhưng không sử dụng được tại các đoạn bờ xói lở mạnh.