Địa chất đới bờ ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 5

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:116

Thêm vào BST

Báo xấu

112
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT ĐỚI BỜ 5.1. GIỚI THIỆU a. Để đánh giá những biến đổi địa chất và địa mạo của đới bờ, người ta thường lồng ghép các nhóm nghiên cứu theo 3 thể loại sau: (1) Những nghiên cứu đương đại về các qúa trình xảy ra trong điều kiện tự nhiên dựa trên các số liệu khảo sát thực địa và phân tích trong phòng thí nghiệm; (2) Những thông tin, tư liệu thu thập từ các nguồn lưu trữ như ảnh, bản đồ,…; (3) Những nghiên cứu trước đây dựa trên cơ sở địa...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Địa chất đới bờ ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 5

CHƯƠNG 5 KHẢO SÁT ĐỊA CHẤT ĐỚI BỜ 5.1. GIỚI THIỆU a. Để đánh giá những biến đổi địa chất và địa mạo của đới bờ, người ta thường lồng ghép các nhóm nghiên cứu theo 3 thể loại sau: (1) Những nghiên cứu đương đại về các qúa trình xảy ra trong điều kiện tự nhiên dựa trên các số liệu khảo sát thực địa và phân tích trong phòng thí nghiệm; (2) Những thông tin, tư liệu thu thập từ các nguồn lưu trữ như ảnh, bản đồ,…; (3) Những nghiên cứu trước đây dựa trên cơ sở địa tầng học và các nguyên lý địa chất liên quan (H.5.1). Trong phạm vi mỗi nhóm, những dấu hiệu thể hiện sự biến đổi của đới bờ có thể xuất hiện trong một quy mô thời gian nào đó. Chẳng hạn, những biến đổi theo thuỷ triều và theo mùa thường rất quan trọng trong các nghiên cứu hiện đại, nhưng những biến đổi mực nước trong thời Holocene thì lại có ý nghĩa lớn đối với các nghiên cứu môi trường cổ. Trong các nghiên cứu về những biến đổi diễn ra ở môi trường cổ, những dao động thủy triều thường rất khó xác định, nhưng với quá trình nghiên cứu đương đại thì sự biến đổi của mực nước biển chỉ là yếu tố thứ yếu vì nó diễn ra quá chậm chạp. b. Có rất nhiều kênh thông tin sẵn có giúp chúng ta có thể dễ dàng tiếp cận được lịch sử địa chất và địa mạo của đới ven bờ. Một trong những phương pháp tìm kiếm các nguồn thông tin đó là dựa vào việc thu thập các tư liệu nghiên cứu và số liệu khảo sát tại thực địa. Những dữ liệu này có thể là dưới dạng số hoặc thông tin nghiên cứu được xử lý, phân tích tại thực địa, trong phòng thí nghiệm hoặc tại văn phòng. Những nghiên cứu trong phòng thí nghiệm được dùng để thu thập dữ liệu thông quá các cuộc thí nghiệm mô hình vật lý, chẳng hạn như bể tạo sóng, hoặc để phân tích các đặc điểm địa chất theo số liệu thực địa, chẳng hạn như phân tích độ hạt và thành phần khoáng vật. Những nghiên cứu trong phòng gồm luận giải các bản đồ thời xưa, ảnh và các tài liệu tham khảo cũng như phân tích và mô phỏng số hoá các dữ liệu thực địa, thực nghiệm và văn phòng. Tiêu bảng nhất là phải có được nhận thức tổng thể đầy đủ về các quá trình môi trường và lịch sử địa chất của các bờ thông qua một tổ hợp rộng rãi các phương pháp và các kênh thu thập thông tin. c. Chất lượng của kết quả phụ thuộc một số yếu tố, kể cả những dữ liệu hiện có. Nếu các nghiên cứu dữ liệu đã được xử lý (các bản đồ, ảnh và văn liệu hiện có) là hạn chế thì việc đánh giá lịch sử địa chất sẽ khó khăn, tốn kém hơn và chính là ít chính xác hơn. Do đó, trước khi tiến hành các nghiên cứu tại thực địa, trong phòng thí nghiệm hay trong văn phòng, cần phải tổng hợp tài liệu thật chu đáo và tìm kiếm những nguồn dữ liệu đã được xử lý. Phụ lục E và F liệt kê những nguồn và cơ quan có thể tư vấn cho việc tìm kiếm những nguồn dữ liệu đã được xử lý. d. Chất lượng của các thiết bị và công cụ, tiện nghi kỹ thuật cũng ảnh hưởng đến chất lượng đánh giá lịch sử địa chất và địa mạo. Thí dụ, các thiết bị đi biển và máy đo độ sâu bằng dò tiếng dội (echo sounding) mới đây đã được cải tiến. Khi sử dụng những công cụ này việc vẽ bản đồ địa chất và địa mạo có thể tiến hành được ở những vùng ngoài biển xa hơn, với độ chính xác cao hơn so với trước đây. Điều quan trọng là các nhà nghiên cứu bờ phải sử dụng được những thiết bị và phương pháp mới như viễn thám và các máy móc địa vật lí, các
phương tiện máy tính điện tử, phần cứng cũng như phần mềm và các phương pháp trong phòng thí nghiệm. Thí dụ Hệ thống Thông tin Địa lý GIS vừa mới được xây dựng gần đây giúp các nhà nghiên cứu bờ trong việc phân tích và luận giải những tập dữ liệu không gian có độ phức tạp cao. Bài viết này đề cập một vài phát kiến và kỹ thuật mới được sử dụng để phân tích các tập dữ liệu về bờ. Hình 5-1: Các phương pháp nghiên cứu địa mạo dới bờ theo quy mô thời gian. Mũi ten chỉ quang thời gian tương ứng với phương pháp được ứng dụng. Không có đơn vị theo trục x. Độ đậm nhạt của các đường thể hiện tính mức độ ứng dụng của phương pháp trong các nghiên cứu đới bờ e. Các nhà khoa học phải phát hiện được những sai sót và những giả định khi thu thập và phân tích dữ liệu và phải chỉnh lí chúng trước khi có ý định luận giải chúng. Điều rất quan trọng là phải giải thích được nguồn gốc các sai sót trong việc đánh giá những biến đổi đã sảy ra và thấy được những giới hạn của việc lí giải và đưa ra kết luận khi chúng dựa trên những dữ liệu bao quát một thời gian ngắn hoặc cho một vùng hạn hẹp. f. Nhiều thiết bị và phương pháp được dùng để kiểm soát các quá trình và địa hình ở đới ven bờ là cực kỳ phức tạp. Chương này đề cập một vài trong số nhiều sai sót có thể xảy ra khi người sử dụng các thiết bị và phương pháp này còn thiếu kinh nghiệm, hoặc sử dụng các
dữ liệu từ nguồn bậc hai mà không có một đánh giá có tính phê phán nào. Phần này không có ý định làm nản chí các nhà nghiên cứu bờ mà chỉ mong muốn hướng dẫn họ tìm kiếm những nguồn tham khảo khác hoặc dành cho những chuyên gia đang cần những lời khuyên chuyên gia. 5.2. CÁC NGUỒN THÔNG TIN HIỆN CÓ VỀ BỜ a. Các nguồn văn liệu (1) Các khoa ở các trường đại học và cao học và các thư viện Trong nhiều trường hợp sách, ấn phẩm định kỳ, luận văn, luận án và các báo cáo về các dự án nghiên cứu của khoa… đều chứa các dữ liệu. Những dữ liệu này có nhiều, đặc biệt ở những cơ quan đóng ở gần bờ, nơi các nhà khoa học được các ban ngành chính quyền của bang, liên bang cấp kinh phí (như Sea Grant), nơi mà trường thì dạy và các khoa thì tích cực tham gia nghiên cứu trong các lãnh vực thích hợp. Những trường đại học lớn đều có các kho lưu trữ của bang, nơi các tư liệu, ấn phẩm của chính quyền liên bang và bang được lưu trữ. (2) Các nguồn địa phương Các nguồn này có thể cung cấp dữ liệu chi tiết và đôi khi là duy nhất liên quan địa phương cục bộ này. Các nguồn này bao gồm báo chí địa phương, hồ sơ của các cơ quan địa phương, nhật ký lịch sử, hồ sơ của trạm đèn biển, báo chí địa phương, hồ sơ hợp đồng xây dựng, những cuộc mua bán đất và bảo tàng. (3) Các cơ quan chính phủ Các tư liệu địa chất miền ven bờ có thể tìm thấy trong các cơ quan chính phủ ở các cấp liên bang, bang và địa phương (phụ lục E và F). Những cơ quan liên bang có tư liệu gồm Sở địa chất Hoa Kỳ (USGS), Sở Trắc địa và Quản lý bờ Hoa Kỳ (USCGS), Cục Hải dương học và Khí quyển Quốc gia (NOAA), các đơn vị Công binh Hoa Kỳ (USACE) (gồm các trạm thí nghiệm đường thuỷ, các cơ quan của USACE và đơn vị quân đội), Bộ Vận tải, Cục Bảo vệ Môi trường, Cục Ngư nghiệp và Sinh vật hoang dã, và Phòng Nghiên cứu Thí nghiệm Hải quân (NRL). Phụ lục G cung cấp danh mục các báo cáo địa chất và kiểm soát ven bờ của CERC. Các cơ quan bang có thông tin về miền ven bờ bao gồm các cục địa chất bang (hoặc các sở địa chất), các sở vận tải, các sở tài nguyên môi trường và/hoặc tài nguyên nước, và các cơ sở kế hoạch. Một vài sở y tế cũng lưu trữ những tư liệu tốt. (4) Các cơ quan công nghiệp Các công ty năng lượng (dầu và khí) thường có các tư liệu mà các nhà khoa học có thể tiếp cận được. Đó là các tư liệu về các quá trình diễn ra ở ven bờ có liên quan với các hoạt động khoan ở ngoài khơi. Các công ty xây dựng có tài liệu trong đĩa máy tính về các dự án xây dựng. Các hãng xây dựng và môi trường cũng có thể có những dữ liệu rút ra từ các dự
án đã làm cho bang. Các báo cáo tác động môi trường của các nhà máy điện nguyên tử xây ở các miền ven bờ cũng có nhiều dữ liệu về các quá trình và địa chất ven bờ. (5) Các tạp chí và các biên bản hội nghị Nhiều thư viện của các trường đại học lớn đều có các tạp chí khoa học quốc gia và quốc tế. Số lớn văn liệu khoa học liên quan lịch sử địa chất ven bờ thuộc các lãnh vực địa chất, đại dương học, khoa học về biển, địa lý tự nhiên, khoa học về khí quyển, về trái đất và các nghiên cứu các miền cực trái đất. (6) Các văn liệu nghiên cứu trong máy tính Nhiều thư viện của các trường đại học lớn và cơ quan bang đều có các cơ sở dữ liệu máy tính có thể tiếp cận được. Những cơ sở dữ liệu này chứa các thông tin mà có thể thu thập được bằng các từ khóa, chủ đề, tên gọi và tên tác giả. b. Dữ liệu khí tượng và khí hậu. (1) Dữ liệu khí tượng và khí hậu nhiều khi rất hữu ích để nghiên cứu các quá trình môi trường quan trọng và để phát hiện những đặc điểm của những trận bão lớn. Những trận bão lớn hoặc những biến động bão trong nhiều năm đều tác động sâu sắc đến hình thái ven bờ (Carter,1998). Điều này được thể hiện, thí dụ, qua những biến đổi ở các bờ được che chắn gây ra bởi gió, sóng, sự dâng cao mực nước làm ngập lụt và bào rửa trong thời gian bão. (2) Dữ liệu khí tượng và khí hậu cũng có thể thu thập được từ các nguồn bậc hai hoặc bằng chương trình thu thập dữ liệu gốc. Như phần lớn các yếu tố môi trường quan trọng, số lớn thông tin hiện có đều thuộc loại những nghiên cứu có quy mô thời gian lâu dài thuộc quá khứ hoặc thuộc thời hiện đại. Trung tâm Dữ liệu Khí hậu Quốc gia và Trung tâm bão Quốc gia thuộc NOAA có nguồn dữ liệu khí tượng và khí hậu quan trọng. c. Dữ liệu về sóng. (1) Cần có dữ liệu về sóng để xác định quy mô của các phản ứng trước các quá trình diễn ra ở đới ven bờ. Những thông số sóng quan trọng bao gồm độ cao, chu kỳ, độ dốc và hướng của sóng và kiểu sóng xô. Người ta đặc biệt quan tâm đến tính chất của sóng ở bên trong đới sóng xô, nơi có đến 50% dòng di chuyển trầm tích, chủ yếu là trầm tích đáy (Ingle, 1966). Dữ liệu về sóng có thể: a) Được thu thập từ các nguồn hiện có; b) Được đánh giá tại văn phòng nhờ sử dụng phương pháp dự báo quá khứ (hindcast techniques) trên cơ sở bản đồ thời tiết, các quan trắc trên tàu thuỷ và các quan trắc môi trường ven bờ; hoặc c) Được trắc đạc tại thực địa bằng sử dụng các dụng cụ đo sóng. (2) Dữ liệu trắc đạc sóng được thu thập nhờ các cơ quan Bang và Liên bang cũng như các công ty tư nhân. Đối với những dự án nghiên cứu đòi hỏi dữ liệu sóng thì những dữ liệu thống kê sóng đã được xử lý có thể có được nếu như các phao, các cấu trúc ngoài khơi và các cầu tàu được trang bị máy đo được lắp đặt gần khu vực nghiên cứu. Những dữ liệu thuộc các vùng rải rác đã công bố bao gồm các số thống kê dữ liệu đo sóng, dự báo sóng quá khứ (wave hindcasting), và những quan sát bằng mắt thường từ boong tàu biển hoặc từ đới ven bờ.
(3) Phương pháp dự báo sóng quá khứ là một thủ pháp được sử dụng rộng rãi để đánh giá các số liệu thống kê sóng nhờ vào phân tích các bản đồ thời tiết bằng các phương pháp kỹ thuật được xây dựng trên cơ sở tư duy lí thuyết và dữ liệu thực nghiệm. Một nhà khoa học ven bờ có thể sử dụng các dữ liệu dự báo quá khứ đã công bố hoặc có thể tự xử lí trên máy tính những dữ liệu gốc về vùng nghiên cứu. Phụ lục D là danh mục các báo cáo nghiên cứu thông tin về sóng của USACE, bao trùm các vùng bờ Đại Tây Dương, Thái Bình Dương, Vịnh Mêxico và Hồ Lớn. Ưu việt của phương pháp dự báo quá khứ là có dữ liệu dài hạn của các bản đồ thời tiết và chi phí ít tốn kém. Điểm yếu là phải quy đổi sóng về vùng nước nông, đặc biệt là khi ta đang nghiên cứu tại các vùng có độ sâu phức tạp. (4) Những quan sát sóng bằng mắt thường từ tầu biển ở ngoài biển hoặc từ các trạm trên bờ dọc theo bờ biển nước Mỹ cũng đã được công bố trong một số ấn phẩm. Mặc dù số liệu kém chính xác hơn so với những số liệu trắc đạc, song, người quan sát có kinh nghiệm có thể thu được những kết quả với độ chính xác hợp lý và một khối lượng lớn các quan sát làm cho nó trở thành một nguồn đáng giá. Những dữ liệu quan sát sóng ngoài khơi trên boong tàu đã được cơ quan Nghiên cứu Hải dương học và Hoạt động triển khai Hải Quân Hoa Kỳ (nay là Phòng Nghiên cứu Hải quân (NRL) đúc kết và công bố dưới dạng các bản đồ và tổng hợp dữ liệu biển và vùng sóng lừng như Bản tổng hợp các dữ liệu quan sát khí tượng học từ tàu biển. Trong khi những dữ liệu này bao phủ một khu vực địa lý cực lớn, thì những quan sát trên các boong tầu biển và các vùng biển khác có tàu đi lại thì dữ liệu lại lớn về số lượng. (5) Đối với đới ven bờ, có một chương trình được cơ quan USACE tài trợ để thu thập dữ liệu đó là Chương trình Quan sát Môi trường ven bờ (LEO- Littoral Environment Observation Program) (Schneider, 1981; Sherlock và Szuwalski 1987). Chương trình này bắt đầu từ năm 1966, sử dụng những người quan sát tình nguyện, họ lập báo cáo hàng ngày về tình hình ở từng vùng cụ thể dọc theo bờ biển Hoa kỳ. CERC có số liệu từ hơn 200 vị trí quan sát khác nhau (H.5.2). Như đã thấy, dữ liệu theo LEO không chỉ bao gồm các thông số của sóng, mà còn là những thông tin về gió, dòng chảy và một số chi tiết địa hình. LEO được triển khai tốt đẹp ở từng vùng cụ thể, nhưng nó không cung cấp thông
QUAN SÁT MÔI TRƯỜNG VEN BỜ Ghi chép mọi dữ liệu cẩn thận và rõ ràng Số hiệu vùng Năm Tháng Ngày Thời gian 12 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 CHU KỲ SÓNG CHIỀU CAO CỦA SÓNG XÔ Ghi thời gian bằng giây cho 11 sống sóng vượt Ghi đánh giá đúng nhất về độ cao trung bình của qua một điểm cố định. sóng tính đến chân sóng. 16 17 18 19 20 21 GÓC SÓNG Ở ĐẦU SÓNG XÔ (at breaker) KIỂU SÓNG Dùng thước đo độ đo thật chính xác hướng sóng 0 – Lặng sóng 3 – Sóng dồn đến ( xem hướng dẫn dùng thước đo độ ở cuối bảng (surging) mẫu này). 1 – Sóng tràn (spilling) 4 – Tràn/chúi đầu 2 – Sóng chúi đầu (plunging) 22 23 24 TỐC ĐỘ GIÓ HƯỚNG GIÓ Ghi tốc độ gió bằng m/h chính xác nhất. Nếu Ghi hướng gió đến, nếu lặng gió ghi 0 lặng gió ghi 0. 1 – Bắc ; 3 – Đông ; 5 – Nam ; 7 – Tây 2 – ĐB ; 4 – ĐN ; 6 – TN ; 8 – TB 26 27 28 ĐỘ DỐC BÃI TRIỀU TRUNG ĐỘ RỘNG CỦA ĐỚI SÓNG NHÀO (surf zone) Ghi độ dốc bãi triều trung chính xác nhất bằng độ Đánh giá khoảng cách từ bờ (shore) đến các đầu sóng xô (breakers) (m). Nếu lặng sóng ghi 0. 29 30 31 32 33 34 DÒNG CHẢY DỌC BỜ THUỐC NHUỘM MÀU Đánh giá khoảng cách (m) từ đường bờ tới điểm phun thuốc màu. 36 37 38
Hình 5-2: Phiếu điều tra nghiên cứu môi trường đới bờ được sử dụng trong các cuộc khảo sát thuộc chương trình của LEO d. Nguồn dữ liệu mức nước Cục Hải dương học Quốc gia (NOS) thuộc NOAA chịu trách nhiệm về giám sát biến đổi mức nước biển ở 115 trạm trên toàn lãnh thổ quốc gia (Hicks,1972). Các văn phòng địa phương thuộc USACE thu thập dữ liệu về độ cao thuỷ triều ở các vùng ngoài các trạm trên. Những số đo hàng ngày được công bố trong các báo cáo mang tên “Stages and Discharges ở địa hạt …. (địa danh)”. Những mức nước được dự báo và thông tin về dòng triều từng ngày có thể thu thập được từ các ấn phẩm do NOS công bố hàng năm như “Bảng thống kê thuỷ triều (Tidal Tables….): Dự báo mức nước cao và thấp” và “Bảng thống kê dòng triều” (“Tidal current Tables”). Một cách thu thập số liệu nhật ký sóng khác là các chương trình máy tính thương phẩm. Nhiều chương trình kiểu này được cập nhật hàng quý hoặc hàng năm. Những thông tin cơ bản trong lãnh vực dữ liệu về thuỷ triều và các trạm quan trắc thuỷ triều có thể tìm thấy trong các ấn phẩm của NOS mang tên “Chỉ báo về các trạm thuỷ triều của Hoa Kỳ và các trạm hỗn hợp khác”, và “Sổ tay Công vụ và Các sản phẩm của NOS”. e. Dữ liệu địa chất và trầm tích. Trong nghiên cứu lịch sử địa chất và địa mạo đới ven bờ điều quan trọng là cần đánh giá dữ liệu địa chất và trầm tích hiện có. Loại thông tin này có rải rác ở nhiều cơ quan và nhiều nguồn cung cấp và bao gồm hàng loạt tư liệu như bản đồ địa chất, các khảo sát thổ nhưỡng, các tài liệu khoan làm đường cao tốc và các tư liệu về quá trình như hàm lượng và dòng trầm tích lơ lửng từ các sông kề cận. Những dữ liệu đã công bố thường có ở các cơ quan như Sở Địa chất Hoa Kỳ (USGS), Sở Bảo tồn Đất Hoa Kỳ, Viện Địa chất Mỹ và CERC. Những khác biệt về địa chất và loại hình đất có thể cung cấp những điểm chốt để tìm hiểu các mô hình bào mòn và bồi đắp. Những dữ liệu địa chất học và trầm tích luận thường là bổ ích để xác định các quá trình và các phản ứng môi trường quan trọng như tác động của các trận bão lớn đối với đường bờ. f. Ảnh hàng không. (1) Những ảnh hàng không chụp ngày nay và trước đây cung cấp những dữ liệu quý giá để lý giải lịch sử địa chất và địa mạo. Ảnh có thể thu thập được từ các cơ quan Bang và Liên Bang như USGS, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, Trung tâm Dữ liệu EROS và các cơ quan khác liệt kê ở các phụ lục E và F. Các cặp ảnh lập thể với độ chồng ghép tới 60% thường có sẵn, chúng chứa đựng những thông tin kỹ thuật trắc ký ảnh (photogrammetric techniques). Phạm vi thời gian của ảnh hàng không Hoa Kỳ là từ 1930 đến nay đối với nhiều vùng. Nội dung phân tích và luận giải ảnh phụ thuộc một phần vào tỷ lệ, độ phân giải và độ che phủ mây của ảnh. Những tác động của những biến cố lớn có thể được ghi nhận bằng phương pháp chụp ảnh hàng không vì các thiết bị chụp ảnh và máy bay có thể huy động được một cách nhanh chóng. Nhờ vào khả năng này, việc mở rộng diện che phủ ảnh hàng không trong một thời gian ngắn để giám sát các vùng mà hiện nay khả năng tiếp cận bằng đường bộ chưa sẵn sàng. (2) Đối với những nghiên cứu về các quá trình đương đại, có hàng loạt ảnh hàng không có thể cung cấp nhiều dữ liệu để xem xét các vấn đề khác nhau. Sử dụng ảnh hàng không có
thể phân tích được những thông tin liên quan vẽ bản đồ môi trường và phân loại môi trường như bản chất của các dạng địa hình (landforms) và vật liệu ven bờ đến các công trình xây dựng, các tác động của các trận bão mới đây, vị trí của các dòng chảy khe trũng (rip currents), tính chất của sự bồi cạn do sóng (wave shoaling) và sự phát triển của các doi cát và các chi tiết địa hình ven bờ khác. Các phương pháp trắc ký ảnh cũng rất hữu ích để đánh giá một số chi tiết địa hình. Nói chung, nên có những ảnh chụp khi triều thấp để có thể lộ ra hoặc nhìn qua nước thấy được một phần các chi tiết địa hình gần bờ. (3) Đối với các nghiên cứu với quy mô thời gian thuộc quá khứ cần có các bộ ảnh hàng không chụp trong nhiều thời điểm khác nhau. Các ảnh và bản đồ thời xưa này là những phần thống nhất để đánh giá sự biến đổi đường bờ biển. Mực nước và từ đó, vị trí đường bờ, cho thấy những biến đổi lớn tương ứng với các thời điểm tiến hành các chuyến bay chụp ảnh hàng không. Do đó các nhà khoa học nghiên cứu ven bờ phải coi những biến động này là những nguyên nhân tiềm tàng của những sai sót khi lập và luận giải các bản đồ biến đổi đường bờ. Phần 5.5 đề cập chi tiết hơn về phép phân tích ảnh hàng không. g. Dữ liệu viễn thám từ vệ tinh. (1) Những dữ liệu thu được nhờ vệ tinh có ở các cơ quan Hoa Kỳ, mạng dữ liệu vệ tinh thuộc hệ thống của Pháp SPOT (Pour L’Observation de la Terre) và của Nga. Có thể có các ảnh vệ tinh Sojuzkarta của Nga thông qua chương trình hợp tác về ảnh SPOT (Phụ lục E). Những dữ liệu rada sử dụng ống kính (aperture) bằng kim cương tổng hợp có thể thu thập được qua chương trình hợp tác STX Hughes. Trong nhiều trường hợp có thể mua những dữ liệu này hoặc ở dạng các bản ảnh sao hoặc các tệp dữ liệu số để dùng cho các ứng dụng máy tính. Những dữ liệu số và ảnh có thể giúp tìm kiếm các hiện tượng có quy mô lớn, đặc biệt là những quá trình được coi là những chỉ thị cho các bối cảnh địa chất và động lực học ở đới ven bờ. Những cơ quan thu thập và phổ biến ảnh vệ tinh được liệt kê ở phụ lục E. Danh mục các dữ liệu vệ tinh có ở Trung tâm Dữ liệu Khoa học Vũ trụ Quốc gia (NSSDC) được in trong các sách của Horowitz và King (1990). Có thể truy cập những dữ liệu này qua máy tính. (2) Những dữ liệu vệ tinh đặc biệt hữu ích để đánh giá những biến đổi địa hình quy mô lớn ở đới ven bờ. Ở khu vực kề cận châu thổ, phương pháp viễn thám có thể phát hiện các cửa sông và các nơi khác mang trầm tích, mô hình không gian của các trầm tích lơ lửng (H.5.3). Có thể chụp được những dải đất, những chi tiết địa hình của đáy bờ, kể cả những sống của các doi hoặc bãi ngầm ở chỗ nước trong và nông. Có thể xác định phạm vi không gian của các dòng triều nhờ vào những dữ liệu hồng ngoại nhiệt; chúng rất hữu ích để phân biệt nhiệt độ của các dòng triều lên, triều xuống và nước ngọt thải ra ở cửa sông. Ở những vùng nước sâu hơn, vệ tinh cũng có thể cung cấp dữ liệu về các dòng chảy và sự lưu thông ở đại dương (Barrik, Evans, và Weber, 1977). Những dữ liệu rada đặt trên máy bay cũng cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc phân tích trạng thái biển. (3) Chương trình vệ tinh Landsat được Cục Hàng không và Vũ trụ Quốc gia hợp tác với Bộ Nội Vụ Hoa Kỳ xây dựng. Năm 1972, khi mới triển khai chương trình, nó chỉ được thiết kế như một hệ thống thử nghiệm để kiểm tra tính khả thi của việc thu thập dữ liệu tài nguyên
trái đất từ các vệ tinh không người lái. Các vệ tinh của Landsat sử dụng các loại cảm biến khác nhau có các đặc tính cảm thụ các bước sóng khác nhau từ ánh sáng nhìn thấy (lục) đến hồng ngoại nhiệt có bước sóng lớn nhất tới 12 μm. H.5.4 cho thấy biên độ của từng dải và độ phân giải không gian của các loại cảm biến khác nhau đặt trên vệ tinh. Trong số 5 vệ tinh của Landsat, chỉ riêng Landsat-4 và Landsat-5 hiện còn trên quỹ đạo. Được trang bị máy quét đa phổ, cả hai vệ tinh này đều có độ phân giải 82m đối với 4 dải sóng nhìn thấy và một dải hồng ngoại gần, còn máy vẽ bản đồ nhiệt có độ phân giải 30m trong 6 dải ánh sáng nhìn thấy và dải hồng ngoại giữa và độ phân dải 120m đối với dải sóng hồng ngoại nhiệt (10,4- 12,5μm). (4) SPOT là một chương trình vệ tinh thương mại. Vệ tinh đầu tiên được chính phủ Pháp tài trợ đã được phóng năm 1986. Vệ tinh SPOT-1 có hai bộ cảm biến phát hiện gọi là hệ chụp ảnh HRV (phân giải cao đối với ánh sáng nhìn thấy). Mỗi hệ HRV có thể có độ phân giải 10m khi hoạt động theo chế độ toàn sắc với một dải rộng ánh sáng nhìn thấy, hoặc có độ phân giải 20m theo chế độ đa phổ (ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại gần) với ba dải sóng (H.5.3). (5) Trong loạt của NOAA có vài thế hệ vệ tinh đã bay. Những vệ tinh gần đây nhất được trang bị bộ đo phóng xạ tiên tiến với độ phân giải cực lớn (AVHRR). Loại này có độ phủ không gian lớn nhưng độ phân giải kém hơn so với các vệ tinh của Landsat hay SPOT. Có thể tìm thấy nhiều thông tin khác về các loại vệ tinh trong các sách giáo khoa viễn thám (như Colwell,1983; Lillesand và Kiefer, 1987; Richards,1986; Sabins,1987; Siegal và Gillespic,1980; Stewart,1985).
Hình 5-3: Ảnh vệ tinh SPOT, chụp ở vịnh Atchafalaya, LA. Trong ảnh có thể nhìn rõ các dòng chảy mang những hạt trầm tích lơ lửng (nguồn dữ liệu của phòng nghiên cứu các khoa học trái đất, thuộc trường đại học quốc gia Louisana, Baton Rouge, LA. (6) Những bộ quét lắp trên máy bay gồm các bộ cảm biến và rada nhiệt và các máy sử dụng vi sóng, cũng có thể có các ứng dụng trong nghiên cứu bờ. Các hệ LIDAR (hướng và biên độ ánh sáng), SLAR (Rada lắp trên máy bay quan sát sườn), SAR (Rada có ống kính bằng vật liệu tổng hợp – synthetic aperture), SIR (Rada con thoi chụp ảnh) và các hệ vi sóng thụ động cũng có các ứng dụng để vẽ đường đồng mức đới ven bờ ngầm dưới nước. Có một hệ LIDAR gọi là SHOALS (Hệ Lidar quét lắp trên máy bay hoạt động ở vùng nước) đang được Công binh Mỹ sử dụng để đo vẽ vùng ven bờ và lạch triều. Hệ này dựa trên nguyên lí truyền và khúc xạ ánh sáng laser cộng hưởng xung phát ra từ trực thăng được trang bị hệ máy SHOALS cùng với thiết bị xử lí dữ liệu và dẫn đường bay (Lillycrop và Banic, 1992). Khi hoạt động, laser SHOALS quét một cung cắt ngang đường bay của trực thăng, tạo ra một vệt quét rộng khoảng bằng nửa độ cao của đường bay. Chùm phản xạ mạnh từ mặt nước được ghi lại, tiếp sát sau là đợt phản hồi yếu hơn từ đáy biển. Chênh lệch thời gian giữa hai
đợt sóng phản xạ được quy đổi ra độ sâu nước. SHOALS có thể làm cuộc cách mạng trong công tác khảo sát thuỷ văn đối với nước nông vì một vài lí do. Ưu việt quan trọng nhất là hệ này có thể khảo sát tới 8 km2 trong một giờ, do đó có thể phủ một dải bờ rộng lớn trong một vài ngày. Điều này tạo ra khả năng thu thập tức thì dữ liệu dọc theo những bờ chịu những biến đổi nhanh. Hệ này có thể huy động nhanh để làm việc, nó cho phép thực hiện những cuộc khảo sát quy mô lớn ngay sau bão, hoặc các cuộc khảo sát trong những tình huống không lường trước như khi các doi chắn bị xuyên thủng. Cuối cùng, độ sâu nước chỉ cần ít nhất 1m là đủ nên nó cho phép bao phủ có hiệu quả các vùng bãi ngầm, kênh hoặc bờ mà thường là rất khó hoặc không thể thực hiện được bằng các phương pháp truyền thống, đặc biệt là vào mùa đông. Độ sâu tối đa của nước đã chứng minh là khoảng 10m phụ thuộc độ trong của nước. Hình 5-4: Độ phan giải phổ và phân giải không gian gần đúng của các sensor được lắp đặt trên vệ tính Landsat, SPOT và NOAA (nguồn dữ liệu của Earth Observation Satellite Company và Huh và Leibowitz, 1996) h. Những dữ liệu địa hình và trắc đạc độ sâu.
(1) Các bản đồ địa hình và đo độ sâu có sắn ở Sở Địa chất Hoa Kỳ (USGS), ở nhiều văn phòng địa phương của USACE và ở USCGS. Các bản đồ địa hình ở USGS thường được chỉnh sửa sau mỗi thời kỳ 20-30 năm và đôi khi ngắn hơn đối với những vùng có ưu tiên. Tuy nhiên, các bản đồ này cũng dễ trở nên lạc hậu khi sử dụng cho một số dạng nghiên cứu vì nhiều đường bờ không tồn tại được lâu dài. Các tấm bản đồ của USGS thường có ở loạt 7,5’ (tỷ lệ 1:24000) và loạt 15’ (tỷ lệ 1:62500). Độ phân giải của những bản đồ này không đủ để phản ảnh nhiều chi tiết địa hình, nhưng cũng có thể đủ để đánh giá những địa hình quy mô lớn và những biến đổi lớn, đặc biệt là qua một thời gian dài. (2) Những dữ liệu khảo sát thuỷ văn gần đây và trước đây cũng có sẵn ở Sở Hải dương học Quốc gia (NOS). Có thể thu thập được những dữ liệu này ở dạng các bản vẽ sơ bộ tỷ lệ lớn, ở đây những số liệu thăm dò bằng âm thanh và những số đo đáy biển là nhiều hơn so với những sơ đồ đã công bố tuy cùng dựa trên những dữ liệu gốc này. (3) Đôi khi những bản đồ khảo sát độ sâu bị lỗi thời vì những biến đổi địa mạo ở nhiều vùng đáy biển xảy ra rất nhanh chóng. Ở một số bản đồ hàng hải, các số đo độ sâu là những con số từ hơn 50 năm trước và những độ sâu được đánh dấu có khi đã hoàn toàn khác so với độ sâu hiện nay. Những biến đổi mạnh mẽ nhất có thể xảy ra ở những vùng có các dòng chảy mạnh, có bão tổ mạnh hoặc có sự di chuyển trầm tích ngầm đáy biển hoặc có sự nạo vét ở những luồng tàu biển. Người dùng phải luôn luôn cảnh giác trước những dữ liệu đã biến đổi khác đi trên những bản đồ khác nhau. Những khảo sát địa lý thuỷ văn hàng năm hoặc ngắn hơn cũng có ở nhiều dự án đường biển liên bang. i. Bản đồ biến đổi đường bờ (1) Những biến đổi đường bờ có thể được phân tích, lí giải trên cơ sở các bản đồ hàng hải, bản đồ địa hình, ảnh hàng không và các hồ sơ bất động sản. Ở một số vùng, bản đồ cho thấy những biến đổi đường bờ và sự trôi lở đất, có thể là do các cơ quan bang và liên bang, các trường đại học hoặc các công ty xây dựng xuất bản. Tuy nhiên, người dùng phải cảnh giác trước những sai sót tiềm ẩn do không được chỉnh lí thoả đáng khi xuất bản. (2) Các bản đồ biến đổi bờ và đường bờ được lập ra trên cơ sở ảnh và bản đồ thời trước, có thể có lỗi. Thí dụ ở những bản đồ này các số liệu có thể không trùng khớp nhau, có thể ở các tỷ lệ khác nhau, có thể có mức độ chính xác khác nhau do thời hạn bản đồ hoặc những sai sót ấn loát hoặc có thể là do có sự khác biệt về phép chiếu hình mà do đó gây ra sự méo lệch về hình thái. Lý tưởng mà nói, các bản đồ biến đổi đường bờ được lập trên cơ sở ảnh hàng không, phải được chỉnh sửa về độ méo lệch do độ dốc, độ nghiêng và độ lệch đường bay của máy bay gây ra. Phổ biến nhất là những khó khăn trong việc xác định các góc độ chụp trong các thời gian khác nhau, trong việc chỉnh lí tỷ lệ và độ méo lệch gần mép hoặc gần góc tấm ảnh. Những khó khăn khác nữa là các tấm ảnh không đáp ứng yêu cầu mong muốn về chủng loại, tỷ lệ, độ sáng hay độ phân giải. Sương mù, mây phủ có thể che khuất địa hình. Cuối cùng là mức nước lúc chụp ảnh hưởng mạnh đến vị trí các đường bờ. Những nguồn dữ liệu đặc biệt và phương pháp phân tích các bản đồ biến đổi đường bờ được trình bày ở phần 5.5. 5.3. KHẢO SÁT VÀ THU THẬP DỮ LIỆU THỰC ĐỊA
a. Những vấn đề chung. (1) Để có thể áp dụng những công nghệ thích ứng phục vụ nghiên cứu thực địa, nhà khoa học phải hiểu ít nhiều về bản chất của vấn đề và kết quả mong đợi. Chẳng hạn, một điểm dân cư đang bị xói lở đe doạ thì những số đo về các quá trình, bản đồ địa hình và bản đồ độ sâu là cần thiết để xác định các xu hướng xói mòn do bão gây ra hoặc do thời gian dẫn đến. Cũng vậy, cũng có thể cần đến những dữ liệu trước đây để xác định tốc độ và sự biến thiên không gian của những biến đổi đường bờ biển theo thời gian. Những nghiên cứu địa tầng có thể cũng cần đến để phục vụ mục đích tìm kiếm nguồn vật liệu bồi đắp bờ. Bản thiết kế công trình nghiên cứu phải bao gồm việc lập kế hoạch đầy đủ về các mục đích nhiệm vụ và chiến lược quan trắc, thời hạn, hậu cần, kinh phí. Sẽ lãng phí rất nhiều thời gian và tiền của trong thời gian ở thực địa nếu như không xác định được rõ mục tiêu, nhiệm vụ và kế hoạch quan trắc cho thích ứng. (2) Trước khi tiến hành nghiên cứu chi tiết tại thực địa điều quan trọng là phải làm tổng quan các dữ liệu có sẵn về bờ liên quan đến vùng và vấn đề nghiên cứu. Những thông tin hiện có là rất quan trọng đối với việc thiết kế các nhiệm vụ nghiên cứu tại thực địa và có thể đề xuất được những công việc thực địa ít tốn kém hơn. Nhiều khi những hạn chế về thời gian và kinh phí ảnh hưởng mạnh mẽ đến việc thu thập dữ liệu, kể cả những dữ liệu quan trọng. 3) Khi ở thực địa phải ghi chép cẩn thận những dữ liệu và thông tin liên quan vào sổ thực địa không thấm nước. Những chi tiết cũng phải được ghi lại trên băng. Các tấm ảnh là những tư liệu có giá trị về bối cảnh hiện trưòng, thiết bị và quy trình quan trắc. Các máy ghi hình ngày càng được sử dụng nhiều hơn cho công tác khảo sát thực địa. (4) Có một vài dạng công tác tiến hành ngoài thực địa. Nó có thể chỉ đơn giản là những quan sát sơ lược bằng mắt thường đến việc thu thập dữ liệu như dữ liệu đo lường các quá trình, thu thập mẫu trầm tích, mẫu địa tầng, dữ liệu địa hình và độ sâu biển và dữ liệu địa vật lý. Những nghiên cứu có thể bao gồm việc điều tra những lực tác động, mức độ hoạt động, các tương tác giữa lực và trầm tích và sự biến động của hoạt động này theo thời gian. Nếu công tác thực địa trù tính việc thu thập một khối lượng lớn dữ liệu thì rất cần có cuộc khảo sát sơ bộ đến thực địa để giúp xác định các điều kiện cụ thể ở vùng nghiên cứu và để xây dựng kế hoạch quan trắc. (5) Các khía cạnh không gian và thời gian của việc khảo sát sơ lược là rất quan trọng. Về không gian việc quan trắc phải tính đến diện tích bao phủ bờ theo chiều dọc, chiều ngang và mạng lưới quan trắc, khoảng cách quan trắc sao cho đáp ứng được yêu cầu, mục đích nghiên cứu. Mật độ quan trắc và độ dài thời gian quan trắc tại một điểm là những vấn đề cần xem xét khi lập kế hoạch thời gian thực địa. Tần suất và thời gian quan trắc là những yếu tố rất quan trọng đối với các nghiên cứu quá trình hiện đại, chẳng hạn như việc kiểm soát các biến đổi địa hình và độ sâu có liên quan đến bão. Những nghiên cứu môi trường cổ hoặc có quy mô thời gian địa chất thường không đòi hỏi những chuyến khảo sát thường xuyên đến thực địa, mà việc quan trắc rộng trong không gian lại là quan trọng. (6) Trước khi thiết kế chương trình thu thập dữ liệu thực địa cần xây dựng mô hình lí thuyết (conceptual model). “Mô hình” này là tập hợp các giả thuyết công cụ, nó sử dụng những hiểu biết hiện có để tìm hiểu thông tin còn thiếu hụt. Sau khi thu thập được những thông tin này, mô hình lý thuyết được xem xét lại và trở nên có giá trị. Có thể cần đến những
quan sát bổ sung để kiểm tra trong những điều kiện khác nhau và mô hình cũng có thể cần xem xét lại phụ thuộc vào kết quả nghiên cứu. b. Khảo sát thực địa và nguồn lực địa phương. (1) Khảo sát sơ lược vùng thực địa có thể cung cấp những thông tin giúp xác định những vấn đề lớn cần nghiên cứu, xác nhận và hoàn thiện dữ liệu đã thu thập được từ các nguồn ảnh hàng không và viễn thám và giúp xây dựng chiến lược quan trắc trong công tác thực địa lớn hơn sau này. Ngay cả khi chỉ lướt qua vùng nghiên cứu ngắn ngày thôi cũng cần chuẩn bị chu đáo. Sự chuẩn bị này bao gồm điểm lại những văn liệu hiện có về địa chất, hải dương học và địa chất công trình, lập các bản đồ và làm ảnh, và tìm hiểu quy mô của vấn đề hay tình trạng. Khi khảo sát thực địa sơ lược, nếu có thể được, mọi thành viên của nhóm nghiên cứu đều phải tiến hành quan sát. (2) Thời gian khảo sát thực địa phải đủ để giải quyết được những nhiệm vụ mục đích nghiên cứu chính. Cũng có thể cần đến cư dân địa phương, những tư liệu hiện có và những thiết bị dùng tại thực địa. Cuộc khảo sát sơ bộ ở thực địa cần bao gồm các việc: quan trắc các lực và quá trình diễn ra ở biển, đánh giá các dấu hiệu chỉ thị địa hình, khảo sát các khu vực kề cận, tiếp xúc trao đổi với cư dân địa phương và những người có hiểu biết khác. Những câu hỏi đặt ra cho họ có thể bao gồm cái gì, tại sao, khi nào, ở đâu và xảy ra như thế nào? Tại sao phần này của bờ có hình dáng như ta thấy? Con người đã tác động đến môi trường địa phương như thế nào? Đây là vấn đề địa chất (tự nhiên) hay do con người làm ra? Những thảm hoạ, như dông bão nhiệt đới có ảnh hưởng như thế nào đối với khu vực? Trong thời gian khảo sát tại thực địa cần thu thập dữ liệu kiểm tra theo danh mục trình bày ở phụ lục H. Sổ tay thực địa tiện dụng với các phiếu dữ liệu địa chất được Viện Địa chất Mỹ ấn hành (Dietrich, Durto và Foose,1982). c. Ảnh và trình tự thời gian Chụp ảnh nhiều khi là một công cụ quan trọng để bắt đầu công việc khảo sát sơ bộ cũng như để đánh giá chi tiết hơn về vùng nghiên cứu. Một ứng dụng đặc biệt của máy ghi hình là chụp ảnh liên tục hay ngắt quãng; đó là phương tiện hữu ích để nghiên cứu biến đổi địa hình với việc quan sát các trạng thái đường bờ, vận tải cát (Cook và Gorslinb,1972) và xác định đặc tính của sóng. Nếu máy ghi hình được dùng để ghi các quá trình ngắn hạn, thì rất cần các tấm ảnh được chụp tương đối thường xuyên hơn. Nếu có sẵn các tấm ảnh chụp đất liền từ thời trước đây thì cần có những tấm ảnh chụp bổ sung cũng chính những khu vực đó. Những biến đổi ở một vùng theo thời gian để dùng cho các nghiên cứu ngắn hạn cũng như dài hạn, cũng có thể được ghi lại bằng băng ghi hình. Điều quan trọng là những thông tin liên quan chụp ảnh phải được ghi lại trong nhật ký thực địa: - Ngày tháng - Thời gian - Vị trí đặt máy - Hướng của mỗi tấm ảnh - Những mốc tiêu nổi bật, nếu có. Ngày tháng, địa điểm và hướng phải được đánh dấu trên khung mỗi tấm ảnh.
d. Quan trắc và đo đạc sóng Để nghiên cứu các quá trình thuộc quá khứ hoặc nghiên cứu quy mô thời gian của quá trình thì một việc làm rất thích hợp là thu thập dữ liệu liên quan các đặc điểm sóng ở địa điểm đó. Những dữ liệu đo sóng bằng thiết bị đo thường cung cấp dữ liệu về sóng với độ chính xác cao nhất. Đáng tiếc là chi phí khá tốn kém cho việc mua sắm, triển khai và bảo dưỡng thiết bị đo sóng cũng như phân tích các số đo. Thường chúng được sử dụng trong thời gian ngắn để xác nhận các dữ liệu thu thập được bằng quan sát mắt thường hay bằng các phương pháp dự báo quá khứ (hindcasting methods). Những dữ liệu được các thiết bị đo đặt cắt ngang đới bờ từ miền nước nông đến miền nước sâu cung cấp có thể được sử dụng để xác định độ chính xác của các biến đổi sóng cho một địa điểm cụ thể đã tìm được bằng tính toán. (1) Các loại thiết bị đo sóng (a) Có thể phân thiết bị đo sóng thành hai nhóm tổng quát: có định hướng và không định hướng. Nói chung, thiết bị đo có định hướng và các giàn thiết bị này thường có chi phí lớn hơn so với các thiết bị không định hướng trong sản xuất, triển khai và bảo dưỡng. Tuy nhiên, có nhiều nghiên cứu không thể thiếu các thiết bị định hướng vì sự phân bố có định hướng năng lượng sóng là một thông số quan trọng có nhiều ứng dụng, như để phân tích quá trình vận tải trầm tích và tính toán sự chuyển đổi sóng. Các thiết bị đo sóng có thể lắp đặt trên phao, trực tiếp trên mặt đáy hồ, biển khoặc gắn vào các công trình xây dựng ở đó như kè đá, đê chắn sóng, cầu tàu hay các dàn ở ngoài khơi. (b) Trong số các thiết bị đo sóng không định hướng, các hệ lắp trên phao như Datawell Waverider cho số đo chính xác và tương đối dễ triển khai và bảo dưỡng. Những dữ liệu thường được truyền đi bằng vô tuyến giữa phao với các bộ thu và bộ ghi đặt trên bờ. Những thiết bị đo áp suất lắp ở đây đo sự biến đổi mực nước bằng cảm nhận những biến động áp suất mỗi khi có sóng đi qua. Các thiết bị có thể là loại tự ghi hoặc có tiếp nối bằng cáp đến các thiết bị ghi đặt trên bờ. Các thiết bị đặt ở đáy phải do các thợ lặn bảo dưỡng trừ phi chúng được tời vớt lên khỏi giá đỡ. Các thiết bị tự ghi (internal-reacording) thường cần bảo dưỡng nhiều hơn vì có thể phải thay băng dữ liệu hoặc khi các bộ nhớ trong bị đầy. Ưu, nhược điểm của các thiết bị đo tự ghi hoặc đo từ xa bằng cáp được liệt kê ở Bảng 5.1. Các thiết bị đo lắp trên các công trình là loại kinh tế nhất và phổ biến là loại không định hướng mặc dù vị trí lắp đặt chúng chỉ giới hạn ở những nơi có công trình. Những bộ phận đo và phát có thể được lắp đặt an toàn ở bên trên mặt nước trong những vị trí được bảo vệ. (c) Các thiết bị đo có định hướng cũng được lắp đặt trên các phao hoặc ở đáy bể (H.5.5). Các giàn với các thiết bị đo không định hướng có thể được sử dụng để phân tích sóng định hướng. Các thiết bị đo sóng có định hướng lắp đặt trên phao thường được thiết kế để sao thu thập được các thông số khác nữa như khí tượng.
Hình 5.5: Thiết bị Sea DataDM 635-12 dùng lắp đặt dưới đáy biển (2) Lắp đặt các thiết bị đo Việc lắp đặt thiết bị đo dọc bờ phụ thuộc mục đích của dự án kiểm soát, kinh phí và thời gian, tai biến môi trường và sự có sẵn những tài liệu đã thu thập được trước đây. Không có một hướng dẫn cứng nhắc nào cho việc lắp đặt các thiết bị đo ở một địa điểm và mỗi dự án là một trường hợp riêng biệt. Có hai cách tiếp cận việc đo sóng bằng thiết bị đo. Một là triển khai các thiết bị ở gần vùng dự án để đo sóng và các điều kiện biển trực tiếp tác động đến công trình đó hoặc phải được tính toán đến khi thiết kế dự án. Cách tiếp cận thứ hai là lắp một thiết bị đo ở xa ngoài khơi để thu thập dữ liệu đo các sóng tới có tính khu vực. Trước đây, khi thiết bị đo sóng còn rất đắt các nhà nghiên cứu thường thu thập dữ liệu bằng một thiết bị duy nhất. Ngày nay, các phần cứng cũng như phần mềm có giá thấp hơn, chúng tôi khuyên nên lắp một vài máy ở gần bờ có tiếp giáp với vùng dự án. Những hiểu biết có trước về một vùng hoặc những toan tính thực tế có thể mách bảo vị trí lắp đặt các máy đo. Người sử dụng phải luôn luôn dung hoà được giữa nhu cầu thu thập được một khối lượng lớn dữ liệu, làm được thật nhiều thí nghiệm trong một thời gian ngắn với việc duy trì các thiết bị này trên biển trong một thời gian dài hơn nhằm quan sát các biến đổi theo mùa. Bảng 5.2 tập hợp một vài gợi ý giải pháp thực tiễn dựa trên kinh phí và mục đích nghiên cứu. Những gợi ý về mạng quan trắc để thu thập dữ liệu sẽ đề cập ở phần 5.5. (3) Thiết bị đo sóng địa chấn
Những đánh giá về sóng dựa trên đo lường vi sóng địa chấn là một giải pháp thay thế để thu thập dữ liệu sóng trong môi trường năng lượng cao. Vi sóng địa chấn là những di động (motions) đất rất nhỏ mà có thể phát hiện được bằng các máy địa chấn ký đặt trong phạm vi cách bờ vài km. Điều được thừa nhận chung là các vi sóng địa chấn được sinh ra bởi các sóng đại dương và rằng biên độ và chu kỳ của những di động này tương ứng với khí hậu sóng toàn khu vực (regional wave climate). Kết quả so sánh các số đo của các thiết bị đo sóng địa chấn đặt ở vùng Oregon với các số đo thu được từ các máy đo lắp tại chỗ cho kết quả tốt (Howell và Rhee,1990; Thompson,Howell và Smith,1985). Các hệ máy địa chấn vốn có những hạn chế, song sự thiếu hụt các dữ liệu về chu kỳ sóng có thể giải quyết được bằng các phương pháp xử lí dữ liệu tiên tiến tinh xảo hơn. Việc sử dụng địa chấn kế vào mục đích đo sóng là một nhiệm vụ dài hạn đòi hỏi thời gian để chia độ (calibrate) và đối chiếu dữ liệu. Ưu việt của địa chấn ký là nó có thể đặt trên đất liền trong nhà đư e. Quan sát và đo mực nước (1) Để thu thập dữ liệu về mực nước một cách liên tục phục vụ nghiên cứu các quá trình đương đại ở một vùng đặc biệt, các thiết bị đo triều phải được triển khai gần khu dự án. Có 3 loại thiết bị thường được dùng để đo mực nước: (a) Các thiết bị chuyển đổi áp suất. Những thiết bị này thường được lắp đặt ở đáy biển hoặc được gắn vào một cấu trúc nào đó. Chúng đo áp suất thuỷ tĩnh để sau đó chuyển đổi thành mức nước bằng các phương pháp xử lí dữ liệu. Ưu việt chính của những thiết bị này là chúng đặt dưới nước và ít nhiều tránh bị kẻ lạ phá hoại. Ngoài ra, các thiết bị đo như máy đo nhiệt độ biển dưới sâu (Sea Data Temperature Depth Recorder) rất gọn gàng và dễ triển khai. (b) Thiết bị đo có phao trong ống tĩnh. Những thiết bị này được sử dụng từ năm 1930 gồm một phao được gắn vào một bộ ghi. Một động cơ điện hay động cơ kiểu đồng hồ kéo băng giấy đồ thị chạy qua bút ghi tạo ra một đồ thị liên tục ghi mực nước. Cái phao đặt trong ống tĩnh (stilling well) có tác dụng dập tắt sóng biên hoặc sóng rẽ nước của tàu thuyền. Khiếm khuyết lớn nhất của các thiết bị này là phải bảo vệ khỏi bị kẻ gian phá hoại. Chúng thường được đặt ở vùng cửa sông hoặc ở các đường thuỷ nội địa, tức là ở nơi có cầu hoặc cọc để lắp đặt ống phao và hộp ghi. H.5.6 trình bày dữ liệu triều ở vịnh Choctawhatchee, Florida. (6) Mia đo mức nước (Staff gauges). Mức nước có thể do nguời theo dõi xác định thủ công hoặc được tính toán từ các số đo điện trở. Các mia điện trở phải được bảo dưỡng thường xuyên vì dễ bị gỉ mòn và hà bám. Mia đo thủ công khó sử dụng trong đêm và trong khi bão vì lúc đó nguy hiểm. Thông thường số đo mực nước biển do mia ghi, được quy định cho một thông số nhất định, chẳng hạn mức nước biển trung bình. Điều đòi hỏi là độ cao điểm đặt mia phải được xác định bằng các phương pháp trắc đạc chính xác. Mức dâng cao nhất mực nước biển trong những biến cố cực đoan cũng có thể được xác định bằng ngấn nước trên cấu trúc xây dựng hoặc các chi tiết địa hình cao. (2) Những thông tin về mức nước biển trong các môi trường cổ đại cũng được nghiên cứu bằng sử dụng phương pháp khoan địa tầng, địa chấn và định tuổi bằng phương pháp
phóng xạ. Các nhà địa chất dầu khí sử dụng dữ liệu nghiên cứu địa tầng bằng phương pháp địa chấn để xác định mực nước biển cổ (Payton,1977; Sheriff,1980). Bảng 5-1: Ưu điểm và nhược điểm của các thiết bị đo sóng tự ghi và đo xa bằng cáp I. Các thiết bị tự ghi (có bộ ghi lắp sẵn) A. Ưu điểm 1. Triển khai thường đơn giản vì thiết bị gọn, một đội nhỏ thợ lặn có thể xử lí được. 2. Thiết bị đo dễ lắp vào cọc, cấu trúc xây dựng hoặc giá ba chân. 3. Thiết bị đo tại thực địa có thể chuyên chở đến vùng xa bằng máy bay. 4. Thiết bị đo tiếp tục hoạt động trong bão lớn chừng nào giá đỡ còn đứng vững. 5. Dễ xin giấy phép lắp đặt (đặc biệt là trên các biển báo đường biển). B. Nhược điểm 1. Thiết bị đo phải được định kỳ tháo gỡ ra để thu dữ liệu hoặc thay thế các bộ lưu dữ liệu. 2. Thời gian thu thập thông tin bị hạn chế vì công suất của bộ nhớ trong hoặc băng dữ liệu. Nhà nghiên cứu phải dung hoà giữa mật độ quan trắc với khoảng thời gian mà thiết bị có thể ghi dữ liệu giữa các chuyến thăm bảo dưỡng theo lịch bảng. 3. Công suất của pin có thể là yếu tố hạn chế thời gian sử dụng. 4. Nếu thời tiết sấu buộc phải trì hoãn việc bảo dưỡng đúng lịch bảng thì thiết bị đo có thể sử dụng hết công suất lưu trữ. Điều này sinh ra các khoảng thời gian không được đo đạc. 5. Không thể kiểm soát được các thiết bị đo khi chúng ở dưới nước. Nếu hỏng hóc, dữ liệu thường là bị mất vĩnh viễn. 6. Thiết bị đo có thể bị mỏ neo hoặc tàu đánh cá va chạm gây hỏng hoặc mất hoàn toàn mà không được phát hiện cho đến khi có chuyến thăm tiếp sau. C. Ghi chú. Các phương pháp ép nén dữ liệu, xử lí dữ liệu trên boong và những tiến bộ của bộ nhớ tiết kiệm năng lượng đã nâng cao đáng kể công suất lưu trữ của các thiết bị đặt dưới nước. Một số tồn tại được đến 12 tháng. II. Các thiết bị truyền dữ liệu bằng cáp. A. Ưu điểm 1. Có thể kiểm soát liên tục việc thu thập dữ liệu. Nếu hỏng hóc được phát hiện (bằng người phân tích hoặc nhờ chương trình máy tính kiểm tra sai sót), thì có thể xử lí ngay được. 2. Do có thể kiểm soát được hoạt động của thiết bị cho nên chỉ cần những chuyến thăm không định kỳ vẫn có thể duy trì máy hoạt động được. 3. Tần suất và mật độ thu thập dữ liệu chỉ phụ thuộc vào công suất lưu trữ của máy tính đặt trên bờ. 4. Thiết bị có thể được nạp lại chương trình tại chỗ (không cần vớt lên) để thay đổi chương trình thu thập dữ liệu. 5. Điện năng được cung cấp từ bờ. B. Nhược điểm 1. Xin giấy phép khó khăn và nhiều khi phải vất vả. 2. Sét là nguyên nhân chính gây hư hỏng và mất dữ liệu.
3. Cáp dẫn vào bờ dễ bị tổn thương do mỏ neo tầu hoặc tầu đánh cá. 4. Trạm mặt đất có thể hư hỏng do bão lớn làm mất đi những dữ liệu quan trọng về bão. 5. Các trạm mặt đất và cáp dẫn dễ bị kẻ vô ý thức phá hoại. 6. Cần có nguồn cung cấp điện dự phòng trường hợp mất điện. 7. Việc kéo cáp có thể khó khăn, đặc biệt là ở vùng cảng hoặc khi đi qua vùng sóng nhào. 8. Việc lắp đặt rất tốn công tại thực địa phải huy động xe ở trên bờ và cần một đến hai thuyền. Phải chở cáp nặng đến khu vực quan trắc. 9. Cáp có thể bị hỏng và phải thay thế. 10. Phải thao dỡ cáp khi kết thúc thí nghiệm. C. Ghi chú. 1. Một số thiết bị đo có sử dụng cáp có bộ nhớ trong và nguồn pin trong nên có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi cáp hỏng. 2. Khả năng kiểm soát liên tục của thiết bị đo là ưu việt lớn nhất của công cụ này để tiến hành các thực nghiệm tại thực địa. f. Quan sát và đo dòng chảy (1) Phương pháp chung để đo dòng chảy (a) Việc quan sát các hiện tượng thuỷ lực có thể được thực hiện với hai cách tiếp cận. Một là cách Lagrangian, là theo dõi sự vận động của một yếu tố quan tâm trong diễn biến không gian và thời gian của nó. Cách khác, Eulerian, là xác định sự vận động của nước tại một điểm cố định và xác định quá trình tiến hoá của nó theo thời gian. Các công cụ đo dòng theo cách Lagrangian thường được dùng cho các nghiên cứu vận tải trầm tích, để kiểm soát ô nhiễm môi trường hoặc để theo dõi băng trôi. Dữ liệu đo dòng chảy bằng phương pháp Eulerian hay phương pháp cố định là quan trọng để xác định những biến động của dòng chảy theo thời gian tại một vị trí cố định. Những thiết bị đo mới sản xuất gần đây đã phối hợp cả hai cách tiếp cận này. b) Hiện nay đang sử dụng 4 dòng công nghệ đo dòng chảy (Appell và Curtin,1990): Các phương pháp rada và Lagrangian Các phương pháp hợp nhất không gian Điểm nguồn (Point sourse) và các công nghệ liên quan. Các thiết bị đo biên dạng của dòng bằng hiệu ứng Doppler của sóng âm thanh (Acoustic Doppler current Profilers (ADCP) và công nghệ liên quan. Số lớn thiết bị và phương pháp được dùng để đo dòng chảy cho thấy việc phát hiện và phân tích sự vận động của dòng chất lỏng trong biển là một quá trình cực kỳ phức tạp. Những khó khăn phát sinh là do quy mô vận động trong nước là liên tục và rất lớn. Như McCullough (1980) đã phát bảng “Trong nước không chỉ có một vận tốc duy nhất mà còn rất nhiều vận tốc khác, chúng có những đặc trưng riêng theo không gian và thời gian. Vậy, trong khái niệm về “vận tốc” của dòng chảy lỏng có sự hiểu ngầm là thừa nhận quá trình
bình quân hoá về không gian và thời gian được vận dụng để đo vận tốc. Những phương thức trung bình hoá không gian và/ hoặc thời gian sử dụng ngày nay là không chính xác hoặc không thích ứng chính là nguồn gốc phong phú của những sai sót đo lường dòng chảy ở gần mặt nước. Nhận xét của McCullough là nhằm vào việc đo lường các dòng chảy ở đại dương. Ở vùng nước nông, đặc biệt là đới sóng nhào (surf zone) còn có những khó khăn bổ sung do có sự chảy rối và dòng không khí cuốn theo do các sóng xô tạo ra, do có sự trôi nổi lơ lửng của một khối lượng lớn trầm tích, sự can thiệp của môi trường tự nhiên. Việc đo dòng sao cho chính xác trong những điều kiện như thế này quả là một nhiệm vụ đáng sợ. (2) Cách tiếp cận kiểu Lagrangian. (a) Thuốc nhuộm, thuốc thử, tầu trôi, chai lọ, cấu trúc mang nhiệt (temperature structures), vết dầu tràn, vật liệu phóng xạ, giấy, gỗ vụn, băng, cây cối, thực vật và sinh vật… tất cả đều có thể sử dụng để nghiên cứu sự vận động trên bề mặt của đại dương (McCullough,1980). Một số trong những phương pháp này, cùng với việc sử dụng thuốc thử ở độ sâu vừa và các vật trôi ở đáy biển cũng được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu ven bờ. Điểm yếu của tất cả các vật trôi là chúng chỉ là các bộ cảm biến giả Lagrangian vì bất kì hình dáng hoặc khối lượng của chúng như thế nào, chúng cũng không thể trôi đúng theo dòng chảy của nước (Vachon,1980). Tuy nhiên, chúng rất hữu ích để phát hiện các mô hình dòng chảy bề mặt nếu chúng được chụp ảnh và ghi hình lại một cách liên tục. Những thí nghiệm đơn giản với vật trôi cũng rất hữu ích để xây dựng chương trình thu thập dữ liệu (sampling strategy) trong các cuộc khảo sát thực địa quy mô lớn về sau. Phao, vật trôi ở đáy, thuốc thử và thuốc nhuộm được sử dụng, đặc biệt ở đới ven bờ, tức là nơi mà các thiết bị đo dòng chảy đặt cố định lại bị các dòng chảy rối gây tác động phản lại. Resio và Hands (1994) phân tích việc sử dụng các vật trôi ở đáy và đánh giá giá trị của chúng so với các thiết bị đo lường khác. (b) Các hệ thống vẽ bản đồ dòng chảy bề mặt bằng rada tần số cao (radar HF) đã được thử nghiệm từ những năm 1970. Ưu việt của rada tần số cao là những tần số này phát hiện chính xác các dòng chảy ngang ở độ sâu trung bình của nước chỉ 1m (tổng chiều dày của lớp nước khoảng 2m). Do đó radar HF cảm nhận chính xác các dòng chảy ngang ở các lớp cao nhất ở đại dương, nơi mà các công cụ khác, như các thiết bị đo dòng được bỏ neo và các thiết bị ADCP, không hoạt động được (Barrik, Lipa, và Lilleboc, 1990). Tuy nhiên, radar HF cho kết quả hạn chế trong lãnh vực hải dương học vì có những khó khăn trong việc kiểm tra độ chính xác của các đo lường và giá thành tương đối cao của hệ máy này (Apell và Curtion 1990). c) Sự lưu thông quy mô lớn ở ven bờ có thể quan sát được trong ảnh vệ tinh như ở H.5.3. Bảng5-2: Hướng dẫn lắp đặt các thiết bị đo sóng đối với các dự án quan trắc đới bờ I. Những dự án có kinh phí lớn (cảng lớn: khu vực đông cư dân). A. Vị trí được gợi ý.