Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 229

SỰ LƠ LỬNG TRỞ LẠI CỦA PHÙ SA ĐÁY KHU VỰC PHÍA TRONG
THỀM LỤC ĐỊA TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU BỜ BIỂN
TÂY BẮC ĐÀI LOAN
Hoàng Anh
(1)
, Hwa Chien
(2)
, Hao-Yuan Cheng
(2)

(1)
Trung tâm nghiên cứu biển và tương tác Biển – Khí quyển, Viện khí tượng thủy văn
và môi trường, Việt Nam
(2)
Viện nghiên cứu các khoa học thủy văn và hải dương, Trường Đại Học Quốc Gia
Trung Ương, Đài Loan

Các dữ liệu quan trắc được đem ra phân tích để nghiên cứu xem các yếu tố tự nhiên
tác động đến sự lơ lửng trở lại của phù sa đáy ở vùng bờ biển phía Tây Bắc Đài Loan như thế
nào. Chuỗi dữ liệu nồng độ bùn cát lơ lửng (SSC) sát đáy được phân tách thành các hàm
thành phần (IMF) bằng phương pháp phân tách theo kinh nghiệm (EMD). Dữ liệu dòng chảy
quan trắc được phân tích và tính toán thành các thành phần: dòng chảy triều, dòng chảy do
sóng, và dòng chảy do gió. Kết quả so sánh giữa dữ liệu SSC đã phân tách với các hợp phần
dòng chảy cho thấy sóng đóng vai trò quan trọng làm bùn cát đáy lơ lửng trở lại ở chu kỳ dài,
trong khi đó dòng triều lại là tác nhân chủ đạo gây ra sự lơ lửng trở lại của bùn cát đáy ở chu
kỳ thấp. Nghiên cứu cũng cho thấy rằng, các dao động bán nhật trong mật độ nước tầng đáy

xảy ra đồng thời với dao động của nồng độ bùn cát lơ lửng. Những dao động này có thể do
lượng nước của các con lạch nhỏ đổ ra biển theo chu kỳ triều trong điều kiện thời tiết xấu
hoặc có thể do sóng ngầm. Tuy nhiên cần phải có thêm những quan trắc và nghiên cứu tiếp
theo để củng cố bằng chứng về sự có mặt của sóng ngầm ở vùng này.

1. Mở đầu
Đường bờ biển khu vực
nghiên cứu nghiêng một góc 42
0

theo chiều kim đồng hồ so với
hướng chính Bắc (Hình 1). Ở đây
có một cảng tàu Yong An và gần
khu vực nghiên cứu có 2 con lạch
(Sin-Wu và She-Tzi). Trong Hình
1, hình tam giác (Δ) là vị trí trạm
quan trắc và đánh giá bờ biển Đài
Loan (TaiCOAST). Máy đo gió
thu thập dữ liệu gió (Hình 2) được
đặt tại vị trí trạm TaiCOAST. Các hình
tròn (O) là vị trí các điểm thả thiết bị
đo ADCP (Acoustic Doppler Curent
Profiler) trên biển để thu thập dữ liệu
dòng chảy thô (Hình 3a, 3b). Thiết bị
CTD (Conductivity Temperature
Depth) chỉ được thả duy nhất tại điểm
E. Các dữ liệu đã thu thập được đem ra
phân tách theo 2 hướng thành phần dọc
bờ và vuông góc với bờ.


Hình 2: Tốc độ gió ở độ cao10m


Hình 1: Hình ảnh khu vực nghiên cứu

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
230 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

2. Thu thập dữ liệu
Nghiên cứu này tập trung vào cơ
chế dòng chảy trong cả 2 chế độ gió
mùa. Những tính chất của gió được thể
hiện như trên Hình 2 tương ứng với chế
độ gió mùa mùa đông (Hình a và c) và
gió mùa mùa hè (Hình b). Gió ở đây thể
hiện dao động có chu kỳ nửa ngày (từ
nay gọi tắt là dao động bán nhật), rất
giống với dao động của thủy triều. Do
đó, việc phân tách được ảnh hưởng của
gió và ảnh hưởng của thủy triều lên
dòng chảy là vấn đề đầu tiên cần được
giải quyết.
Nồng độ bùn cát lơ lửng thường
khó có thể đo được trực tiếp. Do vậy,
Poerbandono và Roberto Mayerle
(2004) đã đưa ra một phương pháp tính
SSC là chuyển đổi dữ liệu cường độ âm
thành dữ liệu SSC. Phương trình chuyển
đổi này được phát triển dựa trên cơ sở quan hệ tuyến tính giữa nồng độ vật chất và
cường độ âm. Trong nghiên cứu này, chúng tôi giả định vùng bờ biển phía tây Đài

Loan là đồng nhất về không gian. Khi đó, các hằng số trong công thức tính SSC đã
được nghiên cứu đối với vùng sông Cho-Shui có thể đem áp dụng trong trường hợp
của chúng tôi. Hình 3 thể hiện (a) Dữ liệu cường độ âm từ mặt nước đến sát đáy (toàn
cột nước), (b) Dữ liệu SSC toàn cột nước, và (c) Dữ liệu SSC gần đáy tại điểm đo E.
Đáng chú ý ở đây là các dao động bán nhật của nồng độ bùn cát lơ lửng sát đáy theo
thời gian. Những nhân tố nào gây ra sự kiện nước đục bất thường và những nhân tố
nào khiến nồng độ bùn cát ở đây có xu hướng dao động bán nhật như vậy? Câu hỏi
này sẽ được giải đáp ở phần 4 của bài báo.
3. Phương pháp nghiên cứu và kết quả
 Phương pháp phân tách theo theo kinh
nghiệm (EMD): Trong quá trình áp dụng mã lệnh
EMD, cường độ nhiễu vốn để thêm vào tín hiệu
và phải được xác định theo kinh nghiệm. Trong
hầu hết trường hợp, các tác giả Wu và Huang
(2009) đề xuất là nên thêm nhiễu vào tín hiệu gốc
với cường độ bằng 0.2 độ lệch chuẩn tín hiệu.
Khi dữ liệu chủ yếu là tín hiệu tần số cao thì ta có
thể giảm cường độ nhiễu đi, và khi dữ liệu chủ
yếu là tần số thấp thì ta có thể tăng cường độ
nhiễu lên. Hình 4 thể hiện các chuỗi giá trị bất
thường SSC của các hàm thành phần IMF sau khi
được phân tách bằng phương pháp EMD. Các
hàm thành phần IMF tần số thấp được tổng hợp

Hình 3:Dữ liệu (a) cường độ âm; (b)
logSSC; và (c) SSC lớp sát đáy tại điểm
đo E trong lần thả máy thứ 3


Hình 4: Các hợp phần

(IMFs)sau khi phân tách dữ liệu
SSC tại điểm đo E trong lần thả
máy thứ 3

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 231

thành một tín hiệu và được gọi là SSC chu kỳ dài, còn các hàm thành phần IMF tần số
cao được tổng hợp lại và gọi là SSC chu kỳ ngắn.
 Phân tích điều hòa: Như đã
nói ở trên, dòng triều và gió có chu
kỳ rất giống nhau nên phương pháp
EMD không thể áp dụng để phân
tách tác động của chúng lên dòng
chảy. Lúc này, phân tích điều hòa
là công cụ hữu dụng nhất để phân
tích mực nước triều và dòng triều.
Các Hình 5, 6, và 7 thể hiện dữ liệu
vector hướng và độ lớn lần lượt của
dòng chảy quan trắc, dòng triều, và
dòng dư. Có thể thấy, dòng chảy
khá mạnh theo phương dọc bờ so
với phương vuông góc với bờ. Từ
Hình 5 và 6, dòng chảy thể hiện rõ
dao động bán nhật của dòng triều.
Độ lớn của dòng triều trong nghiên cứu này được so sánh với nghiên cứu của Hu và
nnc (2010) và cho thấy kết quả tính toán khá tương đồng.
Lấy dữ liệu dòng chảy quan trắc trừ đi dòng triều, ta có dòng dư mà có thể coi
là dòng không bị tác động của thủy triều (từ nay gọi là dòng phi triều). Phần dòng chảy

dư này được trình bày trong Hình 7 và được dự đoán là bị ảnh hưởng bởi sóng và gió
là chủ yếu. Wu (1983) đã tìm ra tốc
độ dòng trôi bề mặt vào khoảng
3,1% tốc độ gió với điều kiện ở
ngoài khơi xa. Trong điều kiện đó,
gió đóng vai trò chính tạo ra dòng
trôi bề mặt nên tỷ lệ 3,1% đó có thể
coi là tỷ lệ giữa tốc độ dòng chảy do
gió và tốc độ gió. Ở điều kiện vùng
gần bờ như trường hợp nghiên cứu
ở Yong An, hệ số nhám lớn, tỷ lệ này được dự đoán là sẽ tăng lên một chút. Trên thực
tế kiểm chứng tương quan giữa dòng do gió và gió, tỷ lệ đó hầu hết nằm trong khoảng
0,03 – 0,04, có thể coi là phù hợp với những nghiên cứu trước đây. Điều này chứng tỏ
rằng yếu tố tác động chính lên dòng chảy phi triều là gió.
 Dòng trôi Stokes: Trong nghiên cứu này, dòng trôi Stokes đại diện cho dòng do
sóng và được tính toán theo hai cách khác nhau để khẳng định độ tin cậy của kết quả
tính toán.
Với điều kiện là quy mô thời gian lớn hơn chu kỳ sóng, dòng trôi hướng vào bờ
được xác định bằng công thức của Lentz (2008) dựa trên lý thuyết sóng tuyến tính:
(1)
Trong đó, g là gia tốc trọng trường, là độ cao sóng có nghĩa, c là vận tốc pha, và
là hướng sóng đến.
27 May 31 May 04 Jun 08 Jun 12 Jun 16 Jun 20 Jun
-2.1m
-1.4m
-0.7m
0m
0.5 m/s
Observed Current at Station C


Hình 5: Dữ liệu dòng chảy quan trắc tính từ
mặt nước tại điểm đo C trong lần thả máy thứ 2

27 May 31 May 04 Jun 08 Jun 12 Jun 16 Jun 20 Jun
-2.1m
-1.4m
-0.7m
0m
0.5 m/s
Tidal Current at Station C

Hình 6: Dữ liệu dòng chảy triều tại điểm đo C
trong lần thả máy thứ 2 bằng phương pháp
phân tích điều hòa

27 May 31 May 04 Jun 08 Jun 12 Jun 16 Jun 20 Jun
-2.1m
-1.4m
-0.7m
0m
0.5 m/s
Residual Current at Station C

Hình 7: Dữ liệu dòng dư tại điểm đo C trong
lần thả máy thứ 2 sau khi đã loại dòng triều

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
232 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

Ở một góc nhìn nghiên cứu khác, dòng trôi Stokes là kết quả của sóng phi tuyến

tính trên mặt biển. Công thức tính dòng trôi Stokes của Ardhiun et al. (2008) áp dụng
lý thuyết phi tuyến và sử dụng phổ năng lượng sóng E(f, θ) là:
(2)
Trong đó: k(f) là cường độ chỉ số sóng k.
Kết quả tính toán theo hai cách là khá giống nhau, tuy nhiên kết quả tính toán
bằng công thức của Ardhuin có giá trị cao hơn so với kết quả tính toán từ công thức
của Lentz. Điều này là do trong công thức của Lentz, họ giả thiết rằng phân bố hướng
sóng ở dạng đồng hướng, nhưng thực tế chúng ta lại có phân bố hướng sóng rộng hơn.
Thêm vào đó, xét về góc độ định lượng, Ardhuin và nnc (2008) đã tìm ra rằng dòng
trôi Stokes có độ lớn là khoảng 0.5 – 1.3% tốc độ gió. Trong nghiên cứu ở Yong An,
tỷ lệ này là 0.5 – 0.87% trong trường hợp gió yếu và 0.24% trong trường hợp gió
mạnh, như vậy là khá tương đồng với nghiên cứu của Ardhuin trước đây. Điều này
càng khẳng định tính hợp lý của kết quả tính toán. Loại thành phần dòng trôi Stokes
khỏi dòng phi triều, ta được thành phần dòng dư không chịu tác động của triều và sóng
(từ nay gọi là dòng phi Stokes) và có thể coi là dòng do gió.
4. Sự lơ lửng trở lại của bùn cát
đáy
Các Hình từ 8 tới 11 trình
bày các chuỗi dữ liệu nồng độ bùn
cát lơ lửng trong mối liên hệ với dữ
liệu sóng, triều và dòng do gió. Dữ
liệu SSC và độ cao sóng có nghĩa
chu kỳ dài có xu hướng tương đồng
và chúng đều thể hiện 2 đỉnh vào
26/02 và 08/03. Điều này nghĩa là
SSC chu kỳ dài bị ảnh hưởng rõ ràng
bởi sóng. Trong Hình 8, vùng được
đánh dấu A là vùng mà tại đó 2 chuỗi
số liệu có xu hướng kém tương đồng
nhất. Ở thời đoạn này, nồng độ bùn

cát lơ lửng có thể đã bị ảnh hưởng bởi
các yếu tố khác nữa ngoài sóng. Ở chu
kỳ ngắn thì dòng chảy và độ cao sóng
có nghĩa đồng pha và có khả năng
tăng cường lẫn nhau (Hình 9). Các
chuỗi dữ liệu đều thể hiện dao động
bán nhật tương ứng với dao động
triều. Nói cách khác, SSC chu kỳ ngắn
bị ảnh hưởng bởi cả sóng và dòng
chảy.
Hình 10 so sánh biến thiên (a) dòng triều và (b) dòng phi triều với biến thiên
SSC. Hình 10.a cho thấy dữ liệu SSC chu kỳ ngắn chịu tác động lớn nhất từ dòng
triều. Vào ngày 14/03, dao động SSC thể hiện xu hướng tăng trong khi dao động triều

Hình 8: Đường SSC tổng hợp(SSC IMF6-10), độ
cao sóng có nghĩa (SWH) và độ cao sóng có
nghĩa tổng hợp (SWHIMF6-10)

Hình 9: Đường SSC tổng hợp (SSC IMF5), độ
cao sóng có nghĩa tổng hợp (SWHIMF5) và
dòng chảy dọc bờ (Along-shore CurrentIMF5)

Hình 10: So sánh dữ liệu SSC (SSCIMF5) với
chuỗi dữ liệu dòng triều (Along-shore tidal
current) và phi triều (Along-shore non-tidal
current)

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 233


thì không. Khi đó, chắc chắn dòng
triều không phải yếu tố ảnh hưởng tới
xu hướng tăng của SSC. Dòng phi
triều lại thể hiện xu hướng tăng trong
thời gian 14/03 tương ứng với xu
hướng tăng của SSC. Nói cách khác,
khi đó sự lơ lửng trở lại của bùn cát
đáy chính là do dòng không triều.
Hình 11 thể hiện so sánh giữa
dữ liệu SSC chu kỳ ngắn với a) Dòng
trôi Stokes và b) Dòng phi Stokes. Cả
dòng do gió và SSC đều thể hiện 2
thời đoạn cường độ mạnh (hai thời
đoạn A và B được đánh dấu trên Hình
11). Tại thời đoạn được đánh dấu C, dòng do sóng không giúp tăng cường SSC, nhưng
dòng phi Stokes có thể hiện xu thế tăng ở sự kiện này. Như đã phân tích ở phần trên,
dòng phi Stokes này chủ yếu là do gió. Do đó, yếu tố hệ thống thời tiết được kết luận
là có thể gây tác động đáng kể trong khu vực nghiên cứu.
Cho tới thời điểm này, một số kết luận có thể được rút ra về các yếu tố tác động
lên sự lơ lửng trở lại của bùn cát đáy. Sóng thể hiện vai trò quan trọng trong ảnh
hưởng tới sự lơ lửng trở lại ở quy mô thời gian lớn (lớn hơn chu kỳ ngày). Ở quy mô
thời gian nhỏ hơn (nhỏ hơn chu kỳ ngày), dòng triều đóng vai trò ảnh hưởng chủ đạo
lên sự lơ lửng trở lại, nhưng dòng
dư có gây ra những tác động nhất
định lên ảnh hưởng chủ đạo đó.
Trong nghiên cứu này, dòng trôi
cũng thể hiện tác động rõ ràng lên
sự lơ lửng trở lại của bùn cát đáy.
Trong Hình 12, bên cạnh dao

động bán nhật của dữ liệu SSC,
thực tế quan trắc từ thiết bị CTD
cũng cho thấy dao động bán nhật
trong các dữ liệu (a) độ muối (psu);
(b) nhiệt độ (
0
C); và (c) mật độ nước (kg/m
3
). Trong Hình 12, các dao động bán nhật
đặc biệt thể hiện rõ ở hai thời đoạn (được đánh dấu A và B). Những dao động bán nhật
này có thể giải thích là do dao động triều từ hai vùng cửa lạch đổ ra ven biển trong thời
gian mưa lớn tức là cả mật độ nước và SSC đều chịu chung tác động do dòng triều.
Các dữ liệu ảnh chụp cũng cho thấy, những ngày trong hai sự kiện được đánh dấu có
mưa lớn và có biển động. Điều này củng có giả thuyết về tác động do lưu lượng nước
từ hai con lạch. Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa có đủ bằng chứng chứng minh rằng
những dao động trong dữ liệu nhiệt độ là do sự khách biệt giữ nước ngọt và nước mặn
ở vùng cửa lạch. Một giả thuyết khác về yếu tố gây biến thiên mật độ nước là sóng
ngầm. Sóng ngầm có khả năng là yếu tố góp phần ảnh hưởng đến sự lơ lửng trở lại của
bùn cát đáy. Nhưng những quan trắc về mật độ nước trong cột nước cần phải được thu
thập đầy đủ hơn để nghiên cứu tiếp về các yếu tố tác động này. Mặc dù bài báo chưa

Hình 11: So sánh giữa dữ liệu SSC tổng hợp
(SSCIMF5) với dữ liệu dòng trôi
Stokes(Along-shore Stokes current) và dòng
phi Stokes (Along-shore non-Stokes current)


Hình 12: Dữ liệu quan trắc từ CTD và dữ
liệu SSC tổng hợp


Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
234 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

đưa ra một kết luận hoàn chỉnh, nhưng nó giúp chúng ta hiểu hơn về vùng biển Yong
An ở Tây Bắc Đài Loan.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:
1. Ardhuin. F., L. Marie, N. Rascle, P. Forget, and A. Roland, April 2009,
“Observation and estimation of Lagrangian, Stokes and Eulerian currents induced
by wind and waves at the sea surface”, Journal of Physical Oceanography.
2. Hu, J., H. Kawamura, H. Hong and W. Pan, 2003, “A review of research on the
upwelling in the Taiwan Strait”, Bulletin of Marine Science, 73(3): 606-628.
3. Kirincich, A. R., S. J. Lentz, and J. A. Barth, April 2009, “Wave-Driven Inner-
Shelf Motions on the Oregon Coast”, Journal of Physical Oceanography, vol. 39,
doi: 10.1175/2009JPO4041.1.
4. Lentz, S. J., M. R. Fewings, August 2011, “The Wind- and Wave-Driven Inner-
Shelf Circulation”, Annual Review of Marine Science, doi: 10.1146/annurev-
marine-120709-142745.
5. McWilliams, J. C., J. M. Restrepo, October 1999, “The Wave-Driven Ocean
Circulation”, Journal of Physical Oceanography, vol. 29.
6. Pawlowicz, R., B. Beardsley, and S. Lentz, 2002, “Classical tidal harmonic
analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE”, Computer &
Geosciences 28, 929-937.
7. Wolanski, E., K. E. Fabricius, T. F. Cooper and C. Humphrey, 2008, “Wet season
fine sediment dynamics on the inner shelf of the Great Barrier Reef”, Estuarine,
Coastal and Shelf Science, vol. 77, pp. 755-762.

RESUSPENSION OF BOTTOM SEDIMENT ON INNER SHELF
A CASE STUDY OF NORTH-WESTERN COAST OF TAIWAN
Anh Hoang

(1)
, Hwa Chien
(2)
, Hao-Yuan Cheng
(2)

(1)
Center for Marine and Ocean – Atmosphere Interaction Research, Vietnam Institute
of Meteorology, Hydrology and Environment
(2)
Graduate Institute of Hydrological and Oceanic Sciences, National Central
University

Factors that affect the resuspension of bottom sediment in the coastal zone of North-
western coast of Taiwan were investigated. The temporal variation of SSC is decomposed into
several Intrinsic Mode Functions (IMFs) using Empirical Mode Decomposition (EMD).
Observed current is decomposed into tidal current, wave-induced current, and wind-induced
curent. Inter-comparisons of the decomposed SSCs with tidal currents, wave-induced
currents, wind-induced curent were made. A high correlation is found between long-term SSC
and wave while short-term SSC and tidal current are also in a good agreement. It means that
waves play an important role in inducing the long-term period resuspension while tidal
current is the dominant force of the short-term period resuspension. It is noted that, a semi-
diurnal oscillation of water density is identified synchronized with the enhancement of SSC.
These oscillations might owe to the fluctuation of river plume under bad weather condition or
the internal wave. But more observation is needed for further study to consolidate the
presence of internal wave in this coastal region.