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

I HC QUI
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





LUC








i - 2012

I HC QUI
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
ng hc
: 60.44.97



LUC


ng dn khoa hc: PGS. TS Nguyễn Minh Huấn




i - 2012




LỜI CẢM ƠN

 ng l c nht t
th  ng, Th - H i hc
Khoa hc t a hc ti vin H

, truyn thi kin th trong thi gian qua.
Lu n lc ca b
rt ln ca thn Minh Huc,
n th kin th c gi li bit 
c nhn thy.
 c gi li cm ti ThS. Nguyt c
c n Hi Dc  
gi  nhi n s liu s dng.
Bn cnh , t gi xin gi li cm n n d  Nu kh  
s xum bo v i thin chm
Thy Triu - vnh Cam Ranhdo 
m,  cho php s d ngu s li ph v cho lun vn
Suc tu lu c s  t
d  ng bi i k u CLIMEEViet, h   u gia Vin Hi
Dc v n Ng
 ng c  v mt b h tr 
cn s liu tham kh
   a b
   c t  u t  i hc Khoa hc t






MỤC LỤC


MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ 4

1.1 TNG QUAN    CU 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  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 25
2.1 TNG QUAN V U KIN T  25
2.1.1 Vị trí địa lí 25
2.1.2 Đặc điểm gió 25
2.1.3 Đặc điểm thủy, hải văn 26
2.1.4 Đặc điểm nhiệt - muối 28
2.1.5 Đặc điểm dòng chảy 28
2.1.6 Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước 29
2.2 C M KINH T -  HI 30
2.3 HIN TRNG  NG VNH 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 33
3.1 THIT LP   TIN U  CHO   33
3.1.1 Thu thập số liệu 33
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 HIU CHNH   41
3.3 MT S KT QU   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    NG CA  YU T  NHIM 105
KT LUN 123
KIN NGH 124
 LIU THAM KHO 125



1

MỞ ĐẦU



 , 













 . m Thy Triu nm trong vnh Cam Ranh, thua
n Ca Cam Ranh, t
ng v s  ng thy sm Thy
Tring trong vin du lch ca t
khi vc ty quy hoch bin tm c
quc t 
Theo nhnh cn ch
ng cht, th
n (gi cht trng trong
 t ngi nng nc
theo th m b bin dng, ngun li thy sn c th
a. Do vy, vin l
hiu qui si kh




     ng Cam
Ranh. 












 , 














 . 














.
Kh







 ,  (, ,
 ,) 










 . 


, 
, 

, 


, .


















 



 () 

2


















 . 















































































 . 


 


, 



  . 









 ,
ch





, 


































.
Nhn thc m cp thit ca v ng vnh Cam Ranh,
ha chng nu v “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”   ng mt s vt ch n cht
ng.  
. 


. 













 : 




ng (NPI) 







4
+
, NO
3
-
, NO
2
-
, 

 , pH,
chlorophyll, 











. (OPI) 







, COD, 





 . Vi ngun s lic t mt s  c
thc hin ti Vin H  
Th p Vin Khoa h c t,
 s dn m 
truyn mt s vt ch  nhim t n thi cp,
ng thy s
kh ca lua h c
bc tranh v ng lyn tt ch, DO,
NO
3
-
, PO
4
+
, NH
3
+
. 



















 cc i 





  s liu thc o ti
cng x thi v cng sut t ti thi im kho s t n thi c
nghing thy s

















 .

3

t qu 















 , 

















  
ngun thi cng thy sc
li vc nung thy sn, du lm.

4

CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ

1.1 
1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
S d  n
c khu vc gn bng thy sc thc
hin rt ph bi giu,
vi lit s 
n  gii.
 

ng d ng bi Di
Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 198c
s d   ng
quynh, gim do t i.
i s d
th ng t    p v   n ch 
nhi t vng ln
chuyn tr   y, nhi  mu  
ng trc s d 
trong vnh Tampa; Cung ng Photpho cho h i
cm vt cht h y ti c
m kim loi nng tc Carolina.
      ng h    
 d u loi ch
c hng c m
ng vc vt thy sinh. AQUATOX
 hu hing hc, sinh hc, nh
cht k ai ci vi
h y sinh.

5

hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model)
 p t        
ng chc sut chi
tham gia cn rm linh hot c
 chng Visual basic ho
 n c
 chuy
  biu di  p cht cacbon (lo       i

cacbon h p cht
u hn t 
tr ng
ng gia trc.
DELFT 3D ca Viu thu lt hp gia
 lc 3 chiu vnm c
vic kt hp gic t ng kt qu 
phng cho nhiu ch
SMS cn k thut ci M
t hp gi lc 1, 2 chiu vng
 tr vn chuyu t chng
 ng nh   tp trung c
phn bc i 1 chiu hoc 2 chiu.
 3D kt hp gia module thy
lc vn bu ci hc
 ya cp phn ca
n c thc vng vc
bin.
p ba chiu thng lc 
n  n dng lc
HAMSOM (HA         ng lc -
nhi ng lc bin -         c

6

c NPZD di gia mc
   hai trong chui th  iu khin b  ng
u quan trng nht
c gii hng v
chun trong h i cc th

nh hai trong chui th bii
nh v  
 sinh kh cp
dng m khu vng lng yu
khu vc Bin Bc.
BASINS ca EPA nhm tr m tra h thng d li
 th
qun lm ni bt cp cn mi d
nn tt hp qu li 
 u kin ca
hin trng chng ca vic
i s dch bn ngu
nhia c 
tham s cp chng c
BOD, thuc tr c bo v thc v
B phn mm MIKE do Vin Thu l     
m mnh ca MIKE rt d s dng v
din Windows, kt hp cht ch vi GIS (h thp
   l     c (ECO Lab), bao gm: thu lc,
truyn ti - khui nhi
mnh, kh ng dng ru dng thu v
1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
 c ta, trong nh
d u thng lc     c quan
u tra, t

7

vc ven bin - khu vc tp trung ch yng kinh t ca con
c tic t

Nht Bn - JICA (1995  1998) ca Vi ng bin  Vin
Khoa h Viu s dt
cht b     ngun (Budget) ch  n m  ng
CABARET of LOICZ (M   t cht ti
mt s m thuc vnh H c s
d ng ca h  Cu Hai (Tha

vt ch gii hn ti mt s m nhnh.
m vi lu dng phn
mm DELFT 3D -  u tm ca H i mc
 khoa hc trong ving k hoch bo v rin
H n kh u t DO, BOD, COD,
NH
4
+
, NO
3
-
, PO
4
-
i gian.
  p B Thy sn, Trng s
u sc chu t n ch ti khu v
 Pht C (Quu (H
chuyp chng, h  thng lc ti
thy vu.
Trong mt s u thup Np B
 n thm bii
ra, thu - n thng

kinh t  hin
c m chi tit cao trong thy vc nh  n ch,
ng thu.
Ti khu vc vnh Cam Ranh,tuy  t s  u v
ng ca c  t cp nh c v cp tnh do GS-TS. Mai Trng Nhun
(2008), Phm Vn Thm (2005,2008)   gi s b v vnh ch hoc hin
trng ti khu vc kho s. Gn y nht vic nghin cu i s truyn ti

8

t cht t  lng do PGS-TS. B
Hng Long, ThS. Nguyn H2011 d
  ch cng bin khu vc
vnh Cam Ranh vi ngun thc nh m v c khu cng nghip.  
d ECOSMO  n mt s 
phn vt ch  
 ch vnh. Bn cnh  u v ng
khu vng tn tr
nhiu kt qu u d tr   
lan truyt chm vnh t  vi
ng lu t bm v t c 
 nh Cam
Ranh. Phn lu tnh Cam
n vnh lc phm Thy Triu  c
vm khoa ht, c
th     n li ca v  
 m Thy Tring Nhun- 2008). Theo bn
 qui hoch ca tm Thy Triu
n chnh Cam
n vt chm vnh Cam Ranh d

phn mu ma chn.
1.2 MIKE 21 HD
1.2.1 Cơ sở toán học
 trong b phn m
dng bi Vin Thy L    y hai chiu
trong mt lp cht lng nhng.
Các phương trình nước nông
 cc h
= c vit l

9








(1.1)



(1.2)




(1.3)
  c b m a

 c tng cn vn tc theo
 n t
  n ng su
i mc trng;  c; , , 
    ng sut bc x; t r   ng
ng; n;  c c 
ng cung cm ngu n tc t ra
ng xung quanh.
Bin s ng gch ngang biu th   ,
 n vn t nh bi:

10

(1.4)
n ng su
ij
(i,j = x,y) bao gm c 
nh bng s dc nht ri d
nhng bii vn t 

(1.5)
Phương trình truyền tải nhiệt độ và độ muối
n ti nhit - mu cc
c vii dng:



(1.6)

(1.7)
    mu 
T

s

 s khu  mui, n
i nhit vn.
Phương trình truyền tải cho đại lượng vô hướng (scalar quantity)
n t  
dng:

(1.8)
vi  ng, F
C

ng, k
p
 suy gim tuyi
ng, C
s
 cng ng tm ngun.
Ứng suất đáy
ng su nh t nh luc hai

11



(1.9)


f

 s    mt
n t vi ng suc:

(1.10)
u n t  s ma
 nh t h s Chezy, C, hoc h s Manning, M


(1.11)

(1.12)
Ứng suất mặt
ng sut b mt  mt. ng
sut mc thc nghim:

(1.13)
vi  
d
 s c   
 mt bin. Vn t vi ng sut b mc cho bi
c:

(1.14)
H s c  i hoc ph thuc
 c nghi xut b nh
 ca h s cn:

(1.15)


12


a
, c
b
, w
a

b
 s thc nghi
10
  cao
   c bi   m nh c    thc nghi 
c
a
=1.255x10
-3
, c
b
=2.425x10
-3
, w
a

b

 t qu
i t
1.2.2 Phương pháp số
a. Rời rạc hóa miền không gian
Mi  c ri r     n t hu hn. Theo
c chia nh n t 
ch c ri r 
ng phn t d 

Dng ta h  c vii
dng:

(1.16)
vn ba c
ngun.
Trong t - c vii dng

(1.17)
 s 
ng nh

,

(1.18)

13

,

 phn t th  d
 vit l

(1.19)

i
a phn t th 
i

i

a phn t th n d
v 
m cm tra phn t
dc vit li,

(1.20)
 
i

i
 
phn t th t ta phn t cnh ca phn t, n

j

p tuy ti cnh th  
j
a giao din th j.
ng hp x c s d 
i mn t. S d
 bin ph thui ca ca giao di
c b dng k thu
gradient tuy 
gii c, 2000.

14

Phương trình truyền tải
n ti xut hit  mu
rn ti. Tt c ng chung. Trong
ng h    n t ng t  







(
(1.21)
a. Tích phân theo thời gian
ng tc vit:

(
(1.22)
i gian
i vi h n ti: c
thc thn bc
mt

(1.23)
vi c th d
Kutta bng



(1.24)
b. Các điều kiện biên
Biên kín
Dt li
 0 cho tt c i v
u kit.

15

Biên mở
iu ki   ng
hong mc mng lc. V
n tu ki  nh ho gradient.
Điều kiện khô và ướt
C  v t) d
u cng s ng s 
 , v xn t c loi b t vi

th dng li bi s ging t
 ng khng.
 a mi phn t bin t c sp x
lo mn t c ki c
u kit.
B mt ca mt phn t     p nu th   
chun: th nh c ti mt cnh ca b mt phi nh  i hn

dry
 c  ca b mt l  i hn ngp
h
flood
. Th  ng cng ci c  
dry

mc b mt ti cu phi l 0.
Mt phn t c g c nh  i h
h
dry
t c ngp. Phn t n loi ra khi mi
Mt phn t p mt phn nu n c l
dry

  i ht, ho  
dry
t trong s 
cng hng bng
 ng kh
Mt phn t c gt n c l
wet

ng
h ng khc

 t h
wet
phi l ii hn h
dry
 i hn
ngp h
flood
u kin h
dry
< h
flood
< h
wet
.

16

1.3 MUN ECOLAB
1.3.1 Cơ sở lý thuyết
ng lc hc cn tr c
 bn ti ca vt chng:

(1.25)

c: N ca bin tr
n vn ty
D

x
, D
y
 s khu
S
c
: Ngun mt
P
c

n t c vit li:

(1.26)

c
i din cho t i n 
t).
i n c tip theo, m
ECO Lab s c thay th n ti gian.
Mp x c s d
 
c
i trong mc thi gian. Vic gii c 
ph ng cng hp ca t thay
i t- khu


(1.27)
- khuc xp x bc

17


(1.28)
 tc thi c
*
c cho bn ti bin tr
ECO Lab khi vt chc bt chu k s d
Mt li th i
hi phi tuyn t n ECO Lab phc t
- khu c gii m.
  i s c s d    


1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD)
a. Ôxy hòa tan (DO)
DO  c cn thit cho s p c
v c to ra do s 
tan t n hoc do quang hp ca to, N t c ph
thu, s  t, s quang hp ca tng
 DO thc gim hong hoc b cht. Do vt
ch s quan tr  c c vc.
 phc t
ci s d 
 ng khi DO, trong phu ca lu t
mng bc 3. M thit rng s bii ca n 
ng hp cc - n (mm
p, nhu cm
   bng sau:

18



(1.29)

Quá trình trao đổi ôxy giữa ôxy hòa tan trong nước và khí quyển
(g/m
3
/ngày)n mc C
s
ph thuc
  mn.

(1.29a)
 C
s
u thc thc nghim sau:

T 
2
(1/s) ph thu 
v
, t y
 c:


Quá trình Nitrat hóa (g/m
3

/ngày), Y
1
: h s b t
ng tc s dng trong q
Nitrat  amoniac sang nitrite.

(1.29b)
Quá trình phân hủy BOD (g/m
3
/ngày). S t cht h
m thuu t
nhi, n  vt cht h

19



(1.29c)
Quá trình quang hợp (g O
2
/m
2
/ngày).  n ph    
quang h  gi t ca
i theo th

(

(1.29d)

Quá trình hô hấp của sinh vật (g O
2
/m
2
/ngày). S suy gim n 
bp ca sinh vt t  u thc ph
thuc nhi.

(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). t cht h
  n trn gc t  
nhi  ph thu .

(1.29f)

a. Nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD)
BOD (Biochemical oxygen Demand - nhu cng oxy
cn thi vi sinh vt h
c xt s dnh
tn thi sinh h
trng ca mi vi ngu
biu th t thi h b  b
vt.

20

Dng ca nhu c b




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

H
V
HS_nitr
Y
1

Photosynthes
P
max



t
up
, t
down

respiration
R

1


1

R
2


2

 mui (ppt)
Nhi (
0
C)
T 
 c (m)
Vn t u (m/s)
N Nitrat 
2
/l)
 b 
Sn phm quang hp thc t (g O
2
/m
2

Sn phm quang hp c
2
/m

2

Th
Thc t
Thm mt tri mc, mt tri ln
Tc  p thc t ca thc vn (g O
2
/m
2

T p ca thc vt  20
o
C (g O
2
/m
2

H s nhi trong quang hp
T p cng vn (d ng) (g O
2
/m
2

H s nhi p d ng