Luận văn thạc sĩ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐỘNG LỰC TẠI VỊNH CAM RANH BẰNG MÔ HÌNH SỐ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
……………………

Phan Thành Bắc



MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô
NHIỄM DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐỘNG LỰC
TẠI VỊNH CAM RANH BẰNG MÔ HÌNH SỐ





LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC








Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Phan Thành Bắc



MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô
NHIỄM DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐỘNG LỰC
TẠI VỊNH CAM RANH BẰNG MÔ HÌNH SỐ
Chuyên ngành: Hải dương học
Mã số: 60.44.97



LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Nguyễn Minh Huấn




Hà Nội - 2012




LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin dành những lời đầu tiên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới các
thầy, cô giáo trong khoa Khí tượng, Thủy văn - Hải dương học (trường Đại học
Khoa học tự nhiên Hà Nội) và các nhà khoa học tại viện Hải dương học đã tận tình

giúp đỡ, truyền thụ, trao đổi kiến thức chuyên môn cùng tác giả trong thời gian qua.
Luận văn này được hoàn thành ngoài sự nỗ lực làm việc của bản thân còn có công
rất lớn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Minh Huấn, người đã không ngừng đôn đốc,
động viên và truyền thụ kiến thức. Tác giả xin được gửi lời biết ơn chân thành và
sâu sắc nhất đến thầy.
Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới ThS. Nguyễn Chí Công và tất cả
các cán bộ nghiên cứu phòng Vật Lý Biển nói riêng, Viện Hải Dương học – nơi tác
giả đang công tác nói chung, đã giúp đỡ nhiệt tình về các nguồn số liệu sử dụng.
Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến dự án “Nghiên cứu khả năng tự làm
sạch, đề xuất các giải pháp nhằm bảo vệ và cải thiện chất lượng môi trường đầm
Thủy Triều - vịnh Cam Ranh” do PGS.TS. Bùi Hồng Long và ThS. Nguyễn Hữu
Huân đồng chủ nhiệm, đã cho phép sử dụng nguồn số liệu phục vụ cho luận văn
Suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn, tác giả đã được sự giúp đỡ từ
dự án chống biến đổi khí hậu CLIMEEViet, hợp tác nghiên cứu giữa Viện Hải
Dương học với chính phủ Đan Mạch, mà đứng đầu là PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâm.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn dự án đã tài trợ về mặt kinh phí, thiết bị hỗ trợ nghiên
cứu và nguồn số liệu tham khảo vô cùng quí giá.
Qua đây, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ thân tình của bạn bè,
thân hữu trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Khoa học tự
nhiên.





MỤC LỤC


MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ 4

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 4
1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới 4
1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 6
1.2 MIKE 21 HD 8
1.2.1 Cơ sở toán học 8
1.2.2 Phương pháp số 12
1.3 MÔĐUN ECOLAB 16
1.3.1 Cơ sở lý thuyết 16
1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) 17
1.3.3 Các hợp phần của Nitơ 21
1.3.4 Hợp phần của Photpho 23
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU 24
2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 24
2.1.1 Vị trí địa lí 24
2.1.2 Đặc điểm gió 25
2.1.3 Đặc điểm thủy, hải văn 26
2.1.4 Đặc điểm nhiệt - muối 27
2.1.5 Đặc điểm dòng chảy 28
2.1.6 Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước 29
2.2 ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - XÃ HỘI 29
2.3 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG VỊNH CAM RANH 31
2.3.1 Các nguồn thải 31
2.3.2 Chất lượng nước vịnh Cam Ranh 32



CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ 32
3.1 THIẾT LẬP CÁC THÔNG TIN ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH 32
3.1.1 Thu thập số liệu 32
3.1.2 Địa hình đáy 36

3.1.3 Thiết lập lưới tính 36
3.1.4 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu 38
3.2 HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH 41
3.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 44
3.3.1 Kết quả tính toán cho mùa khô 44
3.3.2 Kết quả tính toán cho mùa mưa 73
3.4 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ Ô NHIỄM 105
KẾT LUẬN 123
KIẾN NGHỊ 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO 125



1

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, khu vực đầm thu triều đang đứng trước nguy
cơ ô nhiễm nguồn nước. Đầm Thủy Triều nằm trong vịnh Cam Ranh, thuộc địa
bàn huyện Cam Lâm và thành phố Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa. Nơi đây phong phú
và đa dạng về số lượng cũng như trữ lượng thủy sản. Trong tương lai, đầm Thủy
Triều còn là mắt xích quan trọng trong việc phát triển du lịch của tỉnh Khánh Hòa
khi vịnh Cam Ranh đã được tỉnh này quy hoạch thành trung tâm du lịch biển tầm cỡ
quốc gia và quốc tế đến năm 2025.
Theo nhận định của người dân nơi đây, trong vòng gần chục năm nay, tôm,
cá và các loại nghêu, ốc trên đầm thường chết hàng loạt, thậm chí “sống dai” như
loài sá sùng biển (gọi là trùn biển) cũng phải chết trắng đầy đầm, môi trường trong
đầm ngày trở nên ngột ngạt, đục ngàu, nước trong đầm có mùi hôi thối nồng nặc
theo thời gian đã làm cho hệ sinh thái đầm bị biến dạng, nguồn lợi thủy sản cứ thế
không còn nữa. Do vậy, việc đánh khai thác các nguồn lợi trên đầm đã không còn

hiệu quả, đời sống nhân dân lại khốn khó.
Một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm đầm là nhà máy đường Cam
Ranh. Trong quá trnh vận hành nhà máy, khối nước thải từ nhà máy sau khi được
xử lí s đổ ra đầm qua các cống xả thải. Các kết quả từ phân tích các mẫu nước tại
vị trí cống xả thải và khu vực xung quanh nhà máy đã ghi nhận được sự vượt
ngưỡng của các thông số môi trường xung quanh khu vực này.
Khi khối nước thải được xả ra đầm, quá trnh thu động lực (dòng chảy, gió,
quá trnh xáo trộn,…) làm khuếch tán các chất đồng thời mang khối nước thải này
lên phía bắc hay xuống phía nam theo dòng chảy khi triều lên và triều xuống. V
vậy, các quá trnh động lực ở khu vực này đóng vai trò quan trọng trong việc phân
bố, truyền tải, pha loãng, và làm sạch vùng đầm thu triều.
Một trong nhưng cách tiếp cận để nghiên cứu sự ảnh hưởng của khối nước
thải từ nhà máy đường là sử dụng các mô hnh tính toán để có thể tính toán và mô
phỏng các quá trnh vật l (dòng chảy) và các mô hnh sinh hoá diễn ra trong khu

2

vực đầm có sự tác động của khối nước thải. Các kết quả tính toán từ mô hnh kết
hợp với số liệu khảo sát có thể mô phỏng một cách liên tục về các quá trnh động
lực và quá trnh truyền tải vật chất cũng như mô phỏng các kịch bản khác nhau
trong những điều kiện động lực khác nhau và điều kiện xả thải khác nhau. Việc mô
phỏng các kịch bản ô nhiễm khác nhau giúp các nhà quản l phản ứng linh hoạt
hơn, hiệu quả hơn và cũng ít tốn km hơn. Từ đó đưa ra được những kế hoạch,
chiến lược để quy hoạch, khai thác một cách hiệu quả tài nguyên khu vực đầm cũng
như việc kiểm soát và điều tiết các nguồn thải hợp l hơn.
Nhận thức được mức độ cấp thiết của vấn đề môi trường vịnh Cam Ranh,
học viên lựa chọn hướng nghiên cứu với đề tài: “Mô phỏng quá trình lan truyền
vật chất ô nhiễm dưới tác động của các yếu tố động lực tại vịnh Cam Ranh bằng
mô hình số” để có thể mô phỏng một số vật chất có khả năng ảnh hưởng đến chất
lượng môi trường. Có nhiều k thuật đánh giá mức độ ô nhiễm nước dựa vào giá trị

của các thông số chọn lọc. Các k thuật này sử dụng các chỉ số để thực hiện mức độ
ô nhiễm. Trong đó có thể nêu một số chỉ số đang được công nhận như: Chỉ số ô
nhiễm dinh dưỡng (NPI) dựa vào các thông số NH
4
+
, NO
3
-
, NO
2
-
, tổng P, pH,
chlorophyll, độ dẫn điện và độ đục. Chỉ số ô nhiễm hữu cơ (OPI) dựa vào các thông
số BOD, COD, nhiệt độ và DO. Với nguồn số liệu có được từ một số đề tài được
thực hiện tại Viện Hải dương học như đề tài cấp Cơ sở phòng Vật lý biển, phòng
Thủy địa hóa, đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ, Các Dự án hợp tác quốc tế,
tác giả sử dụng gói phần mềm MIKE 21 HD, ECO Lab để mô phỏng quá trình lan
truyền một số vật chất có thể gây ô nhiễm từ các nguồn thải của khu công nghiệp,
nuôi trồng thủy sản và khu dân cư trong 2 mùa: mùa mưa và mùa khô. Trong khuôn
khổ của luận văn, mục tiêu của học viên là có thể tính toán, mô phỏng, đưa ra được
bức tranh về quá trnh động lực và quá trình truyền tải các vật chất gồm BOD, DO,
NO
3
-
, PO
4
+
, NH
3
+

. Một kịch bản mô phỏng sự lan truyền các vật chất ô nhiễm với
giả thiết có sự gia tăng cực đại nồng độ các chất gây ô nhiễm từ số liệu thực đo tại
cống xả thải và công suất tính tại thời điểm khảo sát từ các nguồn thải của khu công
nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư để có thể đánh giá mức độ lan truyền và
ảnh hưởng của các vật chất này tới chất lượng nước các bãi tắm khu vực Cam Ranh.

3

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn góp phần bổ sung thêm các thông
tin khoa học về những nghiên cứu, đánh giá vai trò và sự tác động của các từ các
nguồn thải của khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư tác động ngược
lại đối với các khu vực nuôi trồng thủy sản, du lịch sinh thái và các bãi tắm.

4

CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
Sử dụng các mô hình số để tính toán, mô phỏng, đánh giá chất lượng môi
trường nước khu vực gần bờ, khu bãi tắm, khu nuôi trồng thủy sản đã được thực
hiện rất phổ biến trên thế giới. Tùy thuộc vào đối tượng và mục đích nghiên cứu,
việc áp dụng các loại mô hnh tính toán cũng khác nhau. Có thể liệt kê một số mô
hnh thường được áp dụng để đánh giá chất lượng nước trên thế giới.
Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô
hnh được xây dựng dựa trên mô hnh trước đó (WASP – được xây dựng bởi Di
Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 1988). Mô hnh này được
sử dụng để mô tả và dự báo chất lượng nước giúp các nhà quản l đưa ra những
quyết định, giải pháp đối phó với các hiện tượng ô nhiễm do tự nhiên và con người.
Mô hnh này cho php người sử dụng áp dụng trong không gian 1D nhưng cũng có
thể mô phỏng tựa 2D và 3D bằng cách chia hộp với đa dạng thành phần chất ô
nhiễm. Mô hnh WASP cũng có thể liên kết với các mô hình thủy động lực và vận
chuyển trầm tích để thu được trường dòng chảy, nhiệt độ, độ muối và các thông
lượng trầm tích. Mô hnh WASP đã được sử dụng để mô phỏng quá trình yếm khí
trong vịnh Tampa; Cung ứng Photpho cho hồ Okeechobee; Quá trình yếm khí tại

cửa sông Neuse River; Ô nhiễm vật chất hữu cơ dễ phân hủy tại cửa sông Delaware,
ô nhiễm kim loại nặng tại sông Deep, bắc Carolina.
Mô hình AQUATOX là mô hình mô phỏng hệ sinh thái thủy sinh. Mô
hình có thể dự báo quá trình suy tàn do nhiều loại chất gây nhiễm môi trường như
dinh dưỡng, hóa học hữu cơ, và ảnh hưởng của chúng lên các hệ sinh thái, bao gồm
các loài cá, động vật không xương sống và các loài thực vật thủy sinh. AQUATOX
là công cụ hữu hiệu cho các nhà môi trường học, sinh học, những nhà mô hình hóa
chất lượng nước và bất kỳ ai cần quan tâm tới việc đánh giá rủi ro và suy giảm các
hệ sinh thái thủy sinh.

5

Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model)
được nâng cấp từ mô hnh trước đó là QUAL2E (hay Q2E (Brown và Barnwell
1987)). Đây là mô hnh mô phỏng chất lượng nước suối và sông một chiều có sự
tham gia của quá trình xáo trộn rối và bên. Một đặc điểm linh hoạt của mô hình này
là có thể chạy được trong môi trường Visual basic hoặc trong môi trường Excel. Mô
hình có những đặc điểm sau: có thể tính toán trên từng phân đoạn của sông và các
nhánh sông. Mô hnh tính toán chu trnh Nitơ. Thông qua các chu trnh chuyển hóa
nitơ để biểu diễn các hợp chất cacbon (loại ôxy hóa nhanh và chậm), các loại
cacbon hữu cơ không sống (các phân tử cacbon, nitơ, phôtpho trong các hợp chất
hóa học). Các quá trình thiếu hụt ôxy gần tới giá trị không do các quá trình ôxy hóa,
trong đó quá trnh khử nitơ như là bước tương tác đầu tiên. Tính toán thông lượng
trao đổi ôxy hòa tan và các dinh dưỡng giữa trầm tích và nước.
DELFT 3D của Viện nghiên cứu thu lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa
mô hình thu lực 3 chiều với mô hình chất lượng nước. Ưu điểm của mô hình này là
việc kết hợp giữa các module tính toán phức tạp để đưa ra những kết quả tính mô
phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia.
SMS của Trung tâm nghiên cứu và phát triển k thuật của quân đội M
xây dựng cho phép kết hợp giữa mô hình thu lực 1, 2 chiều với mô hình chất lượng

nước, trong đó module RMA4 là mô hnh số trị vận chuyển các yếu tố chất lượng
nước phân bố đồng nhất theo độ sâu. Nó có thể tính toán sự tập trung của 6 thành
phần bảo toàn hoặc không bảo toàn được tính toán theo lưới 1 chiều hoặc 2 chiều.
ECOHAM (phiên bản 1 và 2) là mô hình số 3D kết hợp giữa module thủy
lực với module sinh thái được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Trường đại học
Hamburg (Đức). Mô hình chủ yếu tính toán dựa trên chu trình của các hợp phần của
Nitơ và Photpho trong đó có tính đến cả thực vật và động vật phù du trong nước
biển.
ECOSMO (ECOSystem MOdel) là mô hình cặp ba chiều thủy động lực –
băng biển – sinh địa hóa. Mô hnh được phát triển dựa trên mô hình thủy động lực
HAMSOM (HAMburg shelf Ocean Model) đã được liên kết mô đun động lực -
nhiệt động lực biển - băng (Schrum và Backhaus, 1999) và môđun sinh học

6

(Schrum, 2006). Môđun sinh học NPZD dựa trên quá trình chuyển đổi giữa mức
đầu tiên và thứ hai trong chuỗi thức ăn và được điểu khiển bởi các thông lượng
Nitơ, Photpho và Silic. Điều quan trọng trong tính toán mô hình này là thống nhất
được giới hạn các chu trnh dinh dưỡng vĩ mô và động vật phù du như là mô hnh
chuẩn đoán biến đổi cho các tương tác phi tuyến trong hệ sinh thái của các mức thứ
nhất và thứ hai trong chuỗi thức ăn. Thêm vào đó, mô hnh còn tính toán sự biến đổi
các mảnh vụn và ôxy để có thể đánh giá được lượng còn lại và các quá trình ôxy
hóa. Các tính toán về sinh khối sơ cấp và thứ cấp. Mô hnh ECOSMO đã được áp
dụng một cách thành công trong việc mô tả khu vực có động lực dinh dưỡng yếu
khu vực Biển Bắc.
BASINS của EPA nhằm trợ giúp đánh giá kiểm tra hệ thống dữ liệu thông
tin môi trường, giúp các hệ thống phân tích môi trường và phân tích các phương án
quản lý. Một điểm nổi bật của BASINS là đã đưa vào cách tiếp cận mới dựa trên
nền tảng lưu vực sông, có kết hợp quản lý dữ liệu không gian thông qua hệ thông tin
địa lý GIS. BASINS có thể dùng cho các mục đích sau: Mô phỏng các điều kiện của

lưu vực và đánh giá hiện trạng chất lượng nước; Mô phỏng các tác động của việc
thay đổi sử dụng đất có tính đến cân bằng nước, mô phỏng các kịch bản nguồn ô
nhiễm điểm và diện, xây dựng và phát triển cách quản lý của cả lưu vực. Các nhóm
tham số của mô hình bao gồm: Các hợp chất dinh dưỡng của Nitơ và Photpho, DO,
BOD, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật, bùn.
Bộ phần mềm MIKE do Viện Thu lực Đan Mạch (DHI) phát triển và
được thương mại hoá. Một đặc điểm mạnh của MIKE rất dễ sử dụng với các giao
diện Windows, kết hợp chặt ch với GIS (hệ thống thông tin địa lý). MIKE tích hợp
các module thu lực (HD) và chất lượng nước (ECO Lab), bao gồm: thu lực,
truyền tải - khuếch tán chất lượng nước. MIKE là một mô hình với nhiều tính năng
mạnh, khả năng ứng dụng rộng rãi cho nhiều dạng thu vực khác nhau.
1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nước ta, trong những năm gần đây, hướng nghiên cứu, xây dựng và sử
dụng mô hình trong nghiên cứu thủy động lực – môi trường đang rất được quan
tâm. Trong đó những nghiên cứu, điều tra, tính toán ô nhiễm môi trường các vũng

7

vịnh và khu vực ven biển - khu vực tập trung chủ yếu các hoạt động kinh tế của con
người đã, đang được tiến hành. Chương trnh hợp tác với Cơ quan hợp tác Quốc tế
Nhật Bản - JICA (1995 – 1998) của Viện Tài nguyên và Môi trường biển – Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã bước đầu sử dụng phương pháp tính dòng vật
chất bổ sung (Flux) và qu nguồn (Budget) chạy trên phần mềm chuyên dụng
CABARET of LOICZ (M) để đánh giá mức độ tích tụ và khuếch tán vật chất tại
một số điểm thuộc vịnh Hạ Long. Sau đó, phương pháp nghiên cứu này còn được sử
dụng tính toán mức độ dinh dưỡng của hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (Thừa
Thiên Huế). Tuy nhiên, phương pháp này chưa tính toán đến quá trình khuếch tán
vật chất trong không gian và chỉ giới hạn tại một số điểm nhất định.
Hoàng Dương Tùng (2004), trong phạm vi luận án tiến sĩ, đã sử dụng phần
mềm DELFT 3D - WAQ đánh giá khả năng chịu tải ô nhiễm của Hồ Tây với mục

đích xây dựng căn cứ khoa học trong việc xây dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển
Hồ Tây. Nội dung đã xem xt đến khả năng biến động các yếu tố DO, BOD, COD,
NH
4
+
, NO
3
-
, PO
4
-
theo không gian 2 chiều và thời gian.
Trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ Thủy sản, Trần Lưu Khanh và các cộng sự
cũng đã tiến hành nghiên cứu sức chịu tải và khả năng tự làm sạch tại khu vực nuôi
cá lồng bè ở Phất Cờ (Quảng Ninh) và Tùng Gấu (Hải Phòng) dựa trên quá trình
chuyển hóa các hợp chất dinh dưỡng, hữu cơ cũng như chế độ thủy động lực tại
thủy vực nghiên cứu.
Trong một số nghiên cứu thuộc chương trnh cấp Nhà nước và cấp Bộ, các
đề tài đã triển khai theo hướng: đánh giá nguồn thải (như ô nhiễm biển do sông tải
ra, thuộc đề tài KT.03.07 - 1996), đánh giá tổn thất môi trường do các hoạt động
kinh tế gây ra với vùng ven biển Tuy nhiên, những nghiên cứu này chưa thể hiện
được mức độ chi tiết cao trong thủy vực nhỏ và số các biến môi trường còn hạn chế,
đồng thời còn mang tính chất vĩ mô cho khu vực nghiên cứu.
Tại khu vực vịnh Cam Ranh,tuy đã có một số công trình nghiên cứu về
môi trường của các đề tài cấp nhà nước và cấp tỉnh do GS-TS. Mai Trọng Nhuận
(2008), Phạm Văn Thơm (2005,2008) đã đánh giá sơ bộ về vịnh chính hoặc hiện
trạng tại khu vực khảo sát. Gần đây nhất việc nghiên cứu liên quan tới sự truyền tải

8

các vật chất từ các cửa sông, các quá trình tự làm sạch môi trường do PGS-TS. Bùi
Hồng Long, ThS. Nguyễn Hữu Huân (2011) đã sử dụng phương pháp mô hnh hóa
quá trình sinh học để nghiên cứu quá trình tự làm sạch của môi trường biển khu vực
vịnh Cam Ranh với nguồn thải là các nhà máy và các khu công nghiệp. Đề tài sử
dụng mô hình ECOSMO để tính toán, mô phỏng quá trình lan truyền một số thành
phần vật chất gây ô nhiễm, các quá trình sinh hóa từ đó có những đánh giá về quá
trình tự làm sạch vịnh. Bên cạnh đó còn có các công trình nghiên cứu về môi trường
khu vực này nhưng thường tập trung phân tích hiện trạng môi trường và chưa có
nhiều kết quả nghiên cứu dựa trên các mô hình số trị để có thể mô phỏng quá trình
lan truyền các vật chất gây ô nhiễm vịnh từ các cửa sông dựa trên mối liên hệ với
quá trnh động lực. Ngoài ra, do các yếu tố bảo đảm về bí mật của căn cứ quân sự
Cam Ranh nên trước 2008 chưa có đề tài nào nghiên cứu qui mô toàn vịnh Cam
Ranh. Phần lớn các nghiên cứu đều tập trung đánh giá phần phía nam vịnh Cam
Ranh (là phần vịnh lớn) mà chưa đánh giá được phần đầm Thủy Triều ở phía bắc
vịnh Cam Ranh. “Theo quan điểm khoa học, khi nghiên cứu tài nguyên sinh vật, cụ
thể nghiên cứu các hệ sinh thái và nguồn lợi của vịnh Cam Ranh không nên và
không thể tách rời đầm Thủy Triều…” (GS.TS Mai Trọng Nhuận- 2008). Theo bản
đồ qui hoạch của tỉnh Khánh Hòa định hướng đến năm 2020 th đầm Thủy Triều
ngày càng đóng vai trò quan trọng đến chất lượng môi trường nước toàn vịnh Cam
Ranh. Vì thế, tính toán lan truyền vật chất ô nhiễm vịnh Cam Ranh dựa trên công cụ
phần mềm MIKE là một hướng nghiên cứu mới mà học viên lựa chọn.
1.2 MIKE 21 HD
1.2.1 Cơ sở toán học
Mô hình MIKE 21 HD là gói công cụ trong bộ phần mềm DHI được xây
dựng bởi Viện Thủy Lực Hà Lan, đây là mô hnh tính toán dòng chảy hai chiều
trong một lớp chất lỏng đồng nhất theo phương thẳng đứng.
Các phương trình nước nông
Các phương trnh động lượng và liên tục tích phân trên toàn bộ cột nước h
= η+d trong các phương trnh nước nông được viết lại như sau:

9








(1.1)



(1.2)




(1.3)
trong đó t là thời gian; x, y là tọa độ Đề Các; η là mực nước bề mặt; d là độ sâu của
nước tĩnh; h = η + d là độ sâu nước tổng cộng; u, v là các thành phần vận tốc theo
phương x và y; f = 2Ωsinθ là tham số Coriolis (Ω là vận tốc góc của Trái đất, θ là vĩ
độ địa lý); tương ứng là các thành phần ứng suất theo phương
x và y tại mặt và tại đáy; g là gia tốc trọng trường; là mật độ nước; , , và
là các thành phần tenxơ ứng suất bức xạ; là nhớt rối theo phương thẳng
đứng; là áp suất khí quyển; là mật độ quy ước của nước; S là cường độ lưu
lượng cung cấp cho các điểm nguồn và ( ) là vận tốc tại đó nước được đổ ra
môi trường xung quanh.
Biến số có đường gạch ngang biểu thị giá trị trung bnh theo độ sâu. Ví dụ,
và là các thành phần vận tốc trung bnh theo độ sâu được xác định bởi:

10

(1.4)
Thành phần ứng suất bên T
ij
(i,j = x,y) bao gồm cả ma sát nhớt, ma sát rối và
chênh lệch bnh lưu. Chúng được xác định bằng sử dụng công thức nhớt rối dựa trên
những biến đổi vận tốc trung bnh theo độ sâu

(1.5)
Phương trình truyền tải nhiệt độ và độ muối
Các phương trnh truyền tải nhiệt - muối tích phân trên toàn bộ cột nước
được viết dưới dạng:



(1.6)


(1.7)
trong đó, và tương ứng là nhiệt độ và độ muối trung bnh theo độ sâu, F
T
và F
s

tương ứng là các hệ số khuếch tán ngang nhiệt độ và độ muối, là nhóm nguồn
liên qua tới quá trnh trao đổi nhiệt với khí quyển.
Phương trình truyền tải cho đại lượng vô hướng (scalar quantity)
Các phương trnh truyền tải đại lượng vô hướng tích phân theo độ sâu có

dạng:

(1.8)
với là trung bnh theo độ sâu của đại lượng vô hướng, F
C
là nhóm khuếch tán theo
phương ngang của đại lượng vô hướng, k
p
là tốc độ suy giảm tuyến tính của đại
lượng vô hướng, C
s
là nộng độ của đại lượng vô hướng tại điểm nguồn.
Ứng suất đáy
Ứng suất đáy, được xác định từ định luật ma sát bậc hai

11



(1.9)
trong đó, c
f

là hệ số ma sát đáy và là tốc độ dòng chảy trên bề mặt
đáy. Vận tốc ma sát liên hệ với ứng suất đáy thông qua công thức:

(1.10)
Trong tính toán hai chiều là vận tốc trung bnh theo độ sâu và hệ số ma
sát đáy có thể được xác định từ hệ số Chezy, C, hoặc hệ số Manning, M

(1.11)

(1.12)
Ứng suất mặt
Ứng suất bề mặt được xác định thông qua gió bề mặt. Ứng
suất mặt được tính toán dựa trên công thức thực nghiệm:

(1.13)
với là mật độ không khí, c
d
là hệ số cản gió, là tốc độ gió ở độ
cao 10m trên bề mặt biển. Vận tốc ma sát liên hệ với ứng suất bề mặt được cho bởi
công thức:

(1.14)
Hệ số cản cũng có thể là những giá trị không đổi hoặc phụ thuộc vào tốc
độ gió. Công thức bán thực nghiệm được đề xuất bởi Wu (1980, 1984) để xác định
giá trị của hệ số cản:


(1.15)


12

trong đó, c
a
, c
b

, w
a
và w
b
là các hệ số thực nghiệm và w
10
là tốc độ gió tại độ cao
10m trên mực nước biển. Giá trị mặc định của các nhân tố thực nghiệm là
c
a
=1.255x10
-3
, c
b
=2.425x10
-3
, w
a
=7m/s và w
b
=25m/s. Các giá trị này cho kết quả
tương đối tốt khi áp dụng cho vùng biển khơi.
1.2.2 Phương pháp số
a. Rời rạc hóa miền không gian
Miền tính được rời rạc hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Theo
phương pháp này, miền tính toán được chia nhỏ thành các phần tử liên tục không
chồng nhau. Trong không gian hai chiều, vùng tính toán có thể được rời rạc hóa
thành từng phần tử dạng đa giác, tứ giác hoặc tam giác.
Các phương trnh nước nông
Dạng tổng quát của hệ các phương trnh nước nông có thể được viết dưới

dạng:

(1.16)
với U là các biến bảo toàn, F là hàm vctơ thông lượng và S là vctơ của các nhóm
nguồn.
Trong tọa độ Đề-các, hệ các phương trnh nước nông được viết dưới dạng

(1.17)
trong đó, các chỉ số I và V tương ứng là các thông lượng không nhớt (đối lưu) và
thông lượng nhớt, và
’
,









(1.18)

13

,

Tích phân phương trnh 1.16 trên toàn bộ phần tử thứ i và sử dụng định lý
Gauss để viết lại tích phân thông lượng như dưới đây

(1.19)
trong đó, A
i
là diện tích của phần tử thứ i, Ω là tích phân biến xác định trên A
i
, Г
i
là
biên của phần tử thứ i và ds tích phân biến dọc theo biên. n là vctơ pháp tuyến đơn
vị hướng ra ngoài biên. Các tích phân được tính bằng phương pháp cầu phương đơn
điểm, điểm cầu phương là điểm trọng tâm của phần tử, và tích phân biên được tính
dựa trên phép cầu phương tâm điểm, khi đó phương trnh 1.19 được viết lại,

(1.20)
Ở đây U
i
và S
i
tương ứng là các giá trị trung bình của U và S trên toàn bộ
phần tử thứ i và được đặt tại tâm của phần tử, NS là số cạnh của phần tử, n
j
vctơ
pháp tuyến ngoài đơn vị tại cạnh thứ j và Г
j
là chiều dài của giao diện thứ j.
Trong trường hợp 2D phép xấp xỉ Riemann được sử dụng để tính toán các
thông lượng đối lưu tại mặt phân cách của các phần tử. Sử dụng phép giải Roe để
ước lượng cho các biến phụ thuộc phía bên trái và bên phải của của giao diện. Độ
chính xác bậc hai theo không gian đạt được bằng cách sử dụng k thuật tái cấu trúc
gradient tuyến tính. Các giá trị gradient trung bnh được ước lượng thông qua phép

giải của Jawahar và Kamath, 2000.

14

Phương trình truyền tải
Các phương trnh truyền tải xuất hiện trong mô hình nhiệt – muối, mô hình
rối và mô hình truyền tải. Tất cả các phương trnh này đều có dạng chung. Trong
trường hợp 2D, các phương trnh truyền tải có dạng tổng quát như phương trnh
(1.16) trong đó






(
(1.21)
a. Tích phân theo thời gian
Các phương trnh dạng tổng quát được viết:

(
(1.22)
Trong mô phỏng 2D, có hai phương pháp giải cho tích phân theo thời gian
đối với hệ phương trnh nước nông và phương trnh truyền tải: Phương pháp bậc
thấp và phương pháp bậc cao. Phương pháp bậc thấp là phương pháp Euler hiện bậc
một

(1.23)
với là bước thời gian. Phương pháp bậc cao hơn là sử dụng phương pháp Runge
Kutta bậc hai có dạng

(1.24)
b. Các điều kiện biên
Biên kín
Dọc theo các biên kín (biên đất liền), thông lượng trao đổi qua các biên
này thường được áp đặt là giá trị 0 cho tất cả các biên. Đối với các phương trnh
động lượng điều này hướng đến điều kiện biên trượt hoàn toàn dọc theo biên đất.

15

Biên mở
Các điều kiện biên mở có thể được đưa vào theo các dạng là lưu lượng
hoặc dao động mực nước mặt cho các phương trnh thủy động lực. Với các phương
trình truyền tải, điều kiện biên có thể là các giá trị xác định hoặc giá trị gradient.
Điều kiện khô và ướt
Các giải pháp xử lý các vấn đề về biên di động (front khô và ướt) dựa trên
các nghiên cứu của Zhao và cộng sự (1994) và Sleigh và cộng sự (1998). Khi các
trường độ sâu nhỏ, vấn đề xảy ra là các phần tử được loại bỏ từ việc tính toán. Công
thức tính toán được xây dựng lại bởi sự giảm thông lượng động lượng tới giá trị
không và chỉ tính toán tới thông lượng khối lượng.
Độ sâu của mỗi phần tử biến đổi và các phần tử được sắp xếp thành các
loại khô, bán khô, ướt. Khi đó bề mặt các phần tử được kiểm tra để xác định các
điều kiện biên ướt.
Bề mặt của một phần tử được xác định là ngập nếu thỏa mãn hai tiêu
chuẩn: thứ nhất, độ sâu nước tại một cạnh của bề mặt phải nhỏ hơn độ sâu tới hạn
khô h
dry
, và độ sâu nước ở cạnh khác của bề mặt lớn hơn độ sâu độ sâu tới hạn ngập

h
flood
. Thứ hai, độ sâu tổng cộng của nước tĩnh tại cạnh có độ sâu nhỏ hơn h
dry
và
mực nước bề mặt tại cạnh khác đều phải lớn hơn giá trị 0.
Một phần tử được gọi là khô nếu độ sâu nước nhỏ hơn độ sâu giới hạn khô
h
dry
, và không một cạnh nào bị ngập. Phần tử này bị loại ra khỏi miền tính toán.
Một phần tử xem như là ngập một phần nếu nếu độ sâu nước lớn hơn h
dry

và nhỏ hơn độ sâu giới hạn ướt, hoặc khi độ sâu nhỏ hơn h
dry
và một trong số các
cạnh khác là biên ngập nước. Trong trường hợp này thông lượng động lượng bằng
không và chỉ có thông lượng khối lượng được tính.
Một phần tử được gọi là ướt nếu độ sâu nước lớn hơn h
wet
. Trong trường
hợp này cả hai thành phần thông lượng khối lượng và thông lượng động lượng được
tính.
Độ sâu ướt h
wet
phải lớn hơn độ sâu khô giới hạn h
dry
và độ sâu giới hạn
ngập h
flood

, được xác định theo điều kiện h
dry
< h
flood
< h
wet
.

16

1.3 MÔĐUN ECOLAB
1.3.1 Cơ sở lý thuyết
Động lực học của bnh lưu các biến trạng thái trong ECO Lab có thể được
mô tả bằng các phương trnh truyền tải của vật chất không bảo toàn, có dạng:

(1.25)
trong đó:
c: Nồng độ của biến trạng thái ECO Lab
u, v: Các thành phần vận tốc dòng chảy
D
x
, D
y
: Các hệ số khuếch tán theo phương x và y
S
c
: Nguồn sinh và nguồn mất
P
c
: Các quá trình trong ECO Lab

Phương trnh truyền tải có thể được viết lại:

(1.26)
trong đó, nhóm AD
c
đại diện cho tốc độ thay đổi nồng độ gây ra bởi quá trình bình
lưu và khuếch tán (bao gồm các nguồn sinh và mất).
Khi tính toán các biến đổi nồng độ cho bước tiếp theo, một phương trnh
ECO Lab số được thay thế cho các phương trnh truyền tải tích phân theo thời gian.
Một phương pháp xấp xỉ khác được sử dụng trong ECO Lab là xem thành phần bình
lưu – đối lưu AD
c
không thay đổi trong một bước thời gian. Việc giải cả hai thành
phần trong phương trnh sai phân thường của ECO Lab là tổng hợp của tốc độ thay
đổi gây ra do chính các quá trình nội tại và các quá trnh bnh lưu - khuếch tán.


(1.27)
Thành phần bnh lưu - khuếch tán được xấp xỉ bằng công thức

17


(1.28)
trong đó, nồng độ tức thời c
*
được cho bởi quá trình truyền tải biến trạng thái trong
ECO Lab khi vật chất được bảo toàn trong suốt chu kỳ sử dụng môđun AD.
Một lợi thế chính của phương pháp này là liên kết được phương pháp giải
hiện và các vấn đề phi tuyến từ các nguồn ECO Lab phức tạp, vì vậy ECO Lab và

thành phần bnh lưu - khuếch tán có thể được giải một cách riêng lẻ.
Phương pháp giải số được sử dụng trong mô hnh ECO Lab là phương
pháp Euler, Runge Kutta 4, Runge Kutta 5.

1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD)
a. Ôxy hòa tan (DO)
DO là lượng ôxy hoà tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh
vật nước (cá, lưỡng thê, thu sinh, côn trùng v.v ) thường được tạo ra do sự hoà
tan từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo, Nồng độ ôxy tự do trong nước phụ
thuộc vào nhiệt độ, sự phân hu hoá chất, sự quang hợp của tảo và v.v Khi nồng
độ DO thấp, các loài sinh vật nước giảm hoạt động hoặc bị chết. Do vậy, DO là một
chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của các thu vực.
Quá trình cân bằng ôxy được xem xét theo các mức độ phức tạp khác nhau
của cân bằng tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng. Có 4 mức độ khác nhau
mô tả cân bằng khối DO, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, chỉ tập trung vào
mức cân bằng bậc 3. Mức cân bằng này giả thiết rằng sự biến đổi của nồng độ ôxy
là tổng hợp của các quá tương tác nước - khí quyển (mặt phân cách), quá trnh đạm
hóa, nhu cầu ôxy sinh hóa, quá trình quang hợp, quá trình hô hấp, nhu cầu ôxy trầm
tích (chỉ ở đáy). Các quá trnh đó được mô tả bằng phương trnh cân bằng sau:


18



(1.29)
trong đó:
Quá trình trao đổi ôxy giữa ôxy hòa tan trong nước và khí quyển
(g/m
3

/ngày). Quá trnh này có tính đến mức bão hòa ôxy trong nước C
s
phụ thuộc
vào nhiệt độ và độ mặn.

(1.29a)
Giá trị C
s
được tính thông qua biểu thức thực nghiệm sau:

Tốc độ tương tác K
2
(1/s) phụ thuộc vào tốc độ gió W
v
, tốc độ dòng chảy
V và độ sâu nước:


Quá trình Nitrat hóa (g/m
3
/ngày), Y
1
: hệ số bổ sung cho ôxy. Đây là một
quá trình khác ảnh hưởng tới cân bằng ôxy khi ôxy được sử dụng trong quá trình
Nitrat hóa từ amoniac sang nitrite.

(1.29b)
Quá trình phân hủy BOD (g/m
3
/ngày). Sự phân hủy các vật chất hữu cơ là

một nguyên nhân khác làm suy giảm ôxy. Quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố
nhiệt độ, nồng độ ôxy và nộng độ vật chất hữu cơ.



19

(1.29c)
Quá trình quang hợp (g O
2
/m
2
/ngày). Các sản phẩm ôxy từ quá trình
quang hợp được mô tả thông qua mối liên hệ giữa giá trị năng suất cực đại vào giữa
trưa và biến đổi theo thời gian trong ngày.

(

(1.29d)

Quá trình hô hấp của sinh vật (g O
2
/m
2
/ngày). Sự suy giảm nồng độ ôxy
bởi quá trình hô hấp của sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng thông qua biểu thức phụ
thuộc nhiệt độ.

(1.29e)
Nhu cầu ôxy cho phân hủy vật chất hữu cơ tại đáy (chỉ phụ thuộc vào hàm

lượng ôxy và nhiệt độ (g/m
3
/ngày). Lưu  rằng các vật chất hữu cơ trầm tích trong
quá trnh này không tính đến thành phần trầm tích có nguồn gốc từ các nguồn ô
nhiễm. Giá trị này chỉ phụ thuộc vào nồng độ ôxy và nhiệt độ.

(1.29f)

a. Nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD)
BOD (Biochemical oxygen Demand - nhu cầu oxy sinh hoá) là lượng oxy
cần thiết để vi sinh vật oxy hoá các chất hữu. Trong môi trường nước, khi quá trình
oxy hoá sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử dụng oxy hoà tan, vì vậy xác định
tổng lượng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân hu sinh học là php đo quan
trọng đánh giá ảnh hưởng của một dòng thải đối với nguồn nước. BOD có  nghĩa
biểu thị lượng các chất thải hữu cơ trong nước có thể bị phân hu bằng các vi sinh
vật.
Dạng cân bằng của nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) được mô tả bằng phương
trình:

20



(1.30
)
Giải thích các từ ngữ:
S
T
W
v

H
V
HS_nitr
Y
1

Photosynthes
P
max

τ
α
t
up
, t
down

respiration
R
1

θ
1

R
2

θ
2

F
1
(H)
k
Độ muối (ppt)
Nhiệt độ (
0
C)
Tốc độ gió (m/s)
Độ sâu nước (m)
Vận tốc dòng chảy trung bnh theo độ sâu (m/s)
Nồng độ bán bão hòa Nitrat hóa (mg O
2
/l)
Nhân tố bổ sung cho ôxy
Sản phẩm quang hợp thực tế (g O
2
/m
2
/ngày)
Sản phẩm quang hợp cực đại vào buổi trưa (g O
2
/m
2
/ngày)
Thời điểm trong ngày
Thời gian ngày thực tế
Thời điểm mặt trời mọc, mặt trời lặn
Tốc độ hô hấp thực tế của thực vật và vi khuẩn (g O

2
/m
2
/ngày)
Tốc độ hô hấp của thực vật ở 20
o
C (g O
2
/m
2
/ngày)
Hệ số nhiệt độ trong quang hợp
Tốc độ hô hấp của động vật và vi khuẩn (dị dưỡng) (g O
2
/m
2
/ngày)
Hệ số nhiệt độ trong hô hấp dị dưỡng
Hàm hấp thụ ánh sáng
Hệ số hấp thụ ánh sáng (1/m)