TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN vật CHẤT ô NHIỄM KHU vực VỊNH NHA TRANG BẰNG mô HÌNH số luận văn th sĩ

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

NGUYỄN CHÍ CÔNG

TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM
KHU VỰC VỊNH NHA TRANG BẰNG MÔ HÌNH SỐ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – 2012


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

NGUYỄN CHÍ CÔNG

TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM
KHU VỰC VỊNH NHA TRANG BẰNG MÔ HÌNH SỐ

Chuyên nghành: Hải Dƣơng Học
Mã số: 60.44.97

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Nguyễn Minh Huấn

Hà Nội – 2012

1


LỜI CẢM ƠN!
Để hoàn thành đƣợc chƣơng trình đào tạo thạc sỹ và đề tài luận văn của
mình, ngoài sự nổ lực của bản thân, sự thành công này không thể không có sự giúp
đỡ từ các thầy cô giáo trong bộ môn Hải dƣơng học và Khoa Khí tƣợng – Thủy văn
và Hải dƣơng học, các đồng nghiệp trong và ngoài cơ quan, gia đình và các bạn bè
gần xa!
Học viên xin đƣợc gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới các thầy cô giáo trong
bộ môn Hải dƣơng học đã giảng dạy, truyền thụ kiến thức cho học viên bằng tất cả
sự tận tâm, sự nhiệt huyết và niềm tin tƣởng. Đặc biệt, em xin đƣợc gửi lời cảm ơn
trân trọng nhất và chân thành nhất tới thầy giáo PGS. TS Nguyễn Minh Huấn, là
ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, động viên, gúp đỡ học viên hoàn thành luận văn của
mình. Em xin đƣợc phép gửi lời biết ơn trân trọng nhất tới tất cả các thầy cô giáo
trong bộ môn Khí tƣợng – Thủy văn và Hải dƣơng học đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ
để học viên có đƣợc những điều kiện tốt nhất trong khoảng thời gian học tập và
hoàn thành luận văn!
Học viên cũng xin đƣợc gửi lờn cảm ơn chân thành tới tất cả các đồng
nghiệp trong phòng Vật lý biển, chủ nhiệm các đề tài, dự án NUFU và tất cả các
đồng nghiệp trong Viện Hải dƣơng học đã quan tâm, giúp đỡ, chia sẽ và tạo mọi
điều kiện để học viên hoàn thành tốt chƣơng trình đào tạo cao học tại Trƣờng Đại
học Khoa học Tự nhiên Hà Nội!
Với lòng biết ơn sâu sắc, học viên xin đƣợc gửi những lời biết ơn sâu sắc
nhất và chân thành nhất tới gia đình, anh em, bạn bè đã luôn luôn đồng hành, chia
sẽ, động viên, giúp đỡ học viên trên toàn bộ chặng đƣờng đã qua!

Học viên

Nguyễn Chí Công

2


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 4
CHƢƠNG 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ ......................................................................... 6
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu.................................................... 6
1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới ....................................... 6
1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nƣớc......................................... 8

1.2 Môđun MIKE 21 HD .................................................................... 10
1.2.1 Cơ sở toán học..................................................................................... 10
1.2.2 Phƣơng pháp số ................................................................................... 13

1.3 Môđun ECO Lab ........................................................................... 17
1.3.1 Cơ sở lý thuyết .................................................................................... 17
1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) ............................ 18
1.3.3 Các hợp phần của Nitơ ........................................................................ 21
1.3.4 Hợp phần của Photpho ........................................................................ 24

CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU ....................................... 26
2.1 Tổng quan về điều kiện tự nhiên ................................................. 26
2.1.1 Vị trí địa lí ........................................................................................... 26
2.1.2 Đặc điểm gió ....................................................................................... 26
2.1.3 Đặc điểm sông ngòi............................................................................. 27
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 nƣớc ....................................... 29

2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội .............................................................. 29
2.3 Hiện trạng môi trường vịnh Nha Trang ..................................... 30
2.3.1 Các nguồn thải .................................................................................... 30
2.3.2 Chất lƣợng nƣớc vịnh Nha Trang ....................................................... 31

CHƢƠNG 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ ........................................ 33
3.1 Thiết lập các thông tin đầu vào cho mô hình .............................. 33
3.1.1 Thu thập số liệu ................................................................................... 33
3.1.2 Địa hình đáy ........................................................................................ 34
3.1.3 Thiết lập lƣới tính................................................................................ 35
3.1.4 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu ................................................... 36

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 mƣa .......................................................... 60
3.3.3 Kết quả tính toán kịch bản ô nhiễm thời kỳ mùa mƣa ........................ 75

KẾT LUẬN .......................................................................................... 80
KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 82

3


MỞ ĐẦU
Thành phố Nha Trang là một trong những thành phố xinh đẹp và thơ mộng
nhất cả nƣớc. Không những thế Nha Trang đƣợc xếp vào giới những vịnh đẹp trên
thế giới đƣợc thiên nhiên ban tặng. Với diện tích khoảng 500km2, 19 đảo lớn nhỏ và

25km bờ biển, vịnh Nha Trang hàng năm đã đón nhận hàng vạn lƣợt khách du lịch
trong và ngoài nƣớc đến tham quan, du lịch. Một đặc điểm của biển Nha Trang là
nƣớc biển trong xanh, chất lƣợng nƣớc rất tốt, sự đa dạng sinh học với rất nhiều loài
sinh vật và những rạn san hô thật kỳ vĩ.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển kinh tế chung,
các ngành nghề kinh tế trong thành phố cũng đang tăng trƣởng với tốc độ nhanh.
Mặt trái của sự phát triển này là những tác động trực tiếp và gián tiếp của các ngành
nghề kinh tế gây nên những áp lực lớn đối với môi trƣờng. Đó là sự suy giảm chất
lƣợng nƣớc vịnh Nha Trang, sự đa dạng sinh học đang ngày càng mất đi, sự suy
thoái hệ sinh thái, sự mất cân bằng sinh học sẽ dẫn đến hủy hoại môi trƣờng sống,
ảnh hƣởng tới chất lƣợng nƣớc các bãi tắm, chất lƣợng vùng nuôi trồng thủy sản.
Hậu quả của các biến đổi này lại tác động trở lại các ngành nghề khác nhƣ ngành
nuôi trồng thủy sản, ngành du lịch – dịch vụ.
Trƣớc những biến động xấu của môi trƣờng biển, đã có nhiều báo cáo,
kiến nghị, đề xuất, hội nghị của các nhà quản lý, các nhà hoạch định, các nhà khoa
học nhằm đƣa ra những giải pháp hợp lí giúp ngăn chặn, bảo vệ, phục hồi vịnh Nha
Trang nhƣ vốn có của nó. Công việc này vẫn đang đƣợc triển khai một cách gấp rút
và toàn diện. Tuy nhiên, các nghiên cứu trƣớc đây chỉ tập trung ở mức độ đánh giá
hiện trạng mà chƣa có một bức tranh toàn diện về mối liên hệ giữa các quá trình
thủy động lực – môi trƣờng. Một trong những công cụ có thể đƣợc sử dụng để giúp
công việc này một cách hiệu quả và nhanh chóng, đỡ tốn kém là việc sử dụng mô
hình số trị để mô phỏng các quá trình lan truyền các vật chất gây ô nhiễm từ các cửa
sông trên nền tảng của các quá trình thủy động lực. Lợi thế của các mô hình toán
học là có thể mô phỏng một cách toàn diện theo không gian và thời gian các quá

4


trình tác động biến đổi để có thể đƣa ra đƣợc những dự báo, cảnh báo về môi
trƣờng.

Nhận thức đƣợc mức độ cấp thiết của vấn đề môi trƣờng vịnh Nha Trang,
học viên lựa chọn hƣớng nghiên cứu với đề tài: “Tính toán lan truyền vật chất ô
nhiễm khu vực vịnh Nha Trang bằng mô hình số trị” để có thể mô phỏng một số
vật chất từ các cửa Sông Cái, Sông Tắc có khả năng ảnh hƣởng đến chất lƣợng môi
trƣờng. Có nhiều kỹ thuật đánh giá mức độ ô nhiễm nƣớc dựa vào giá trị của

các thông số chọn lọc . Các kỹ thuật này sử dụng các chỉ số để thực hiện mức
độ ô nhiễm. Trong đó có thể nêu một số chỉ số đang đƣợc công nhận nhƣ: Chỉ
số ô nhiễm dinh dƣỡng (NPI) dƣ̣a vào các thông số NH4+, NO3-, NO2-, tổng P,
pH, chlorophyll, độ dẫn điện và độ đục. Chỉ số ô nhiễm hữu cơ (OPI) dƣ̣a vào
các thông số BOD , COD, nhiệt độ và DO . Với nguồn số liệu có đƣợc từ một số
đề tài đƣợc thực hiện tại Viện Hải dƣơng học nhƣ 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 khóa luận sử dụng gói phần mềm MIKE 21 HD, ECOLab để mô
phỏng quá trình lan truyền một số vật chất có thể gây ô nhiễm từ các cửa sông trong
mùa mƣa và mùa khô. Trong khuôn khổ của luận văn, mục tiêu của học viên là có
thể tính toán, mô phỏng, đƣa ra đƣợc bức tranh về quá trình động lực và quá trình
truyền tải các vật chất gồm BOD, NO3-, PO4+, NH3+, DO từ cửa các cửa Sông Cái
Nha Trang và Sông Tắc Nha trang, Sông Cái Ninh Hòa tới vịnh Nha Trang, đặc biệt
là các bãi tắm Nha Trang. Một kị ch bản mô phỏng sƣ̣ lan truyền các vật chất ô
nhiễm với giả thiết có sƣ̣ gia tăng vƣợt ngƣỡng giới hạn cho phép nồng độ các chất
gây ô nhiễm tƣ̀ các cƣ̉a sông để có thể đánh giá mƣ́c độ lan truyền và ảnh hƣởng
của các vật chất này tới chất lƣợng nƣớc các bãi tắm khu vực Nh Trang .
Các kết quả nghiên cứu trong luận văn góp phần bổ sung thêm các thông
tin khoa học về nhƣ̃ng nghiên cƣ́u , đánh giá vai trò và sƣ̣ tác động của các cƣ̉a sông
tới chất lƣợng nƣớc khu vƣ̣c vị nh Nha Trang và các bãi tắm

. Luận văn là tài liệu

tham khảo liên quan tới vấn đề môi trƣờng đang rất nóng bỏng và nhạy cảm khu

vực vịnh Nha Trang hiện nay.

5


Chƣơng 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
Sƣ̉ dụng các mô hì nh số để tính toán , mô phỏng, đánh giá chất lƣợng môi
trƣờng nƣớc khu vƣ̣c gần bờ , khu vƣ̣c bãi tắm , khu nuôi trồng thủy sản đã đƣợc
thƣ̣c hiện rất phổ biến trên thế giới . Tùy thuộc vào đối tƣợng và mục đích nghiên
cƣ́u, việc á p dụng các loại mô hì nh tí nh toán cũng khác nhau . Có thể liệt kê một số
mô hì nh thƣờng đƣợc áp dụng để đánh giá chất lƣợng nƣớc trên thế giới.
Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô
hình đƣợc xây dựng dựa trên mô hình trƣớc đó (WASP – đƣợc xây dựng bởi Di
Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 1988). Mô hình này đƣợc
sử dụng để mô tả và dự báo chất lƣợng nƣớc giúp các nhà quản lý đƣa ra những
quyết định, giải pháp đối phó với các hiện tƣợng ô nhiễm do tự nhiên và con ngƣời.
Mô hình này cho phép ngƣời sử dụng áp dụng trong không gian 1, 2, 3 chiều, đa
dạng với các thành phần chất ô nhiễm. Mô hình WASP cũng có thể liên kết với các
mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích để thu đƣợc trƣờng dòng chảy, nhiệt
độ, độ muối và các thông lƣợng trầm tích. Mô hình WASP đã đƣợc 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 [13].
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 trƣờng nhƣ
dinh dƣỡng, hóa học hữu cơ, và ảnh hƣởng của chúng lên các hệ sinh thái, bao gồm
các loài cá, động vật không xƣơng sống và các loài thực vật thủy sinh. AQUATOX
là công cụ hữu hiệu cho các nhà môi trƣờng học, sinh học, những nhà mô hình hóa

chất lƣợng nƣớc và bất kỳ ai cần quan tâm tới việc đánh giá rủi ro và suy giảm các
hệ sinh thái thủy sinh.
Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model)
đƣợc nâng cấp từ mô hình trƣớc đó là QUAL2E (hay Q2E (Brown và Barnwell
6


1987)). Đây là mô hình mô phỏng chất lƣợng nƣớc 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 đƣợc trong môi trƣờng Visual basic hoặc trong môi trƣờng Excel. Mô
hình có những đặc điểm sau: có thể tính toán trên từng phân đoạn của sông và các
nhánh sông. Mô hình tính toán chu trình Nitơ. Thông qua các chu trình 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 trình khử nitơ nhƣ là bƣớc tƣơng tác đầu tiên. Tính toán thông lƣợng
trao đổi ôxy hòa tan và các dinh dƣỡng giữa trầm tích và nƣớc.
DELFT 3D của Viện nghiên cứu thuỷ lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa
mô hình thuỷ lực 3 chiều với mô hình chất lƣợng nƣớc. Ƣu điểm của mô hình này là
việc kết hợp giữa các module tính toán phức tạp để đƣa 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 kỹ thuật của quân đội Mỹ
xây dựng cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 1, 2 chiều với mô hình chất lƣợng
nƣớc, trong đó module RMA4 là mô hình số trị vận chuyển các yếu tố chất lƣợng
nƣớc 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 đƣợc tính toán theo lƣới 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 đƣợc phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Trƣờng 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 nƣớc

biển.
ECOSMO (ECOSystem MOdel) là mô hình cặp ba chiều thủy động lực –
băng biển – sinh địa hóa. Mô hình đƣợc phát triển dựa trên mô hình thủy động lực
HAMSOM (HAMburg shelf Ocean Model) đã đƣợc liên kết mô đun động lực nhiệt động lực biển - băng (Schrum và Backhaus, 1999) và mô đun sinh học
(Schrum, 2006). Mô đun sinh học NPZD dựa trên quá trình chuyển đổi giữa mức
đầu tiên và thứ hai trong chuỗi thức ăn và đƣợc điểu khiển bởi các thông lƣợng
7


Nitơ, Photpho và Silic. Điều quan trọng trong tính toán mô hình này là thống nhất
đƣợc giới hạn các chu trình dinh dƣỡng vĩ mô và động vật phù du nhƣ là mô hình
chuẩn đoán biến đổi cho các tƣơng tác phi tuyến trong hệ sinh thái của các mức thứ
nhất và thứ hai trong chuỗi thức ăn. Thêm vào đó, mô hình còn tính toán sự biến đổi
các mảnh vụn và ôxy để có thể đánh giá đƣợc lƣợng còn lại và các quá trình ôxy
hóa. Các tính toán về sinh khối sơ cấp và thứ cấp. Mô hình ECOSMO đã đƣợc áp
dụng một cách thành công trong việc mô tả khu vực có động lực dinh dƣỡng yếu
khu vực Biển Bắc.
BASINS của EPA nhằm trợ giúp đánh giá kiểm tra hệ thống dữ liệu thông
tin môi trƣờng, giúp các hệ thống phân tích môi trƣờng và phân tích các phƣơng án
quản lý. Một điểm nổi bật của BASINS là đã đƣa vào cách tiếp cận mới dựa trên
nền tảng lƣu 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
lƣu vực và đánh giá hiện trạng chất lƣợng nƣớc; Mô phỏng các tác động của việc
thay đổi sử dụng đất có tính đến cân bằng nƣớc, mô phỏng các kịch bản nguồn ô
nhiễm điểm và diện, xây dựng và phát triển cách quản lý của cả lƣu vực. Các nhóm
tham số của mô hình bao gồm: Các hợp chất dinh dƣỡng của Nitơ và Photpho, DO,
BOD, thuốc trừ sâu, bảo vệ thực vật, bùn.
Bộ phần mềm MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) phát triển và
đƣợc thƣơng mại hoá. Một đặc điểm mạnh của MIKE rất dễ sử dụng với các giao
diện Windows, kết hợp chặt chẽ với GIS (hệ thống thông tin địa lý). MIKE tích hợp

các module thuỷ lực (HD) và chất lƣợng nƣớc (ECOlab), bao gồm: thuỷ lực, truyền
tải - khuếch tán chất lƣợng nƣớc. MIKE là một mô hình với nhiều tính năng mạnh,
khả năng ứng dụng rộng rãi cho nhiều dạng thuỷ vực khác nhau.
1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Ở nƣớc ta, trong những năm gần đây, hƣớng nghiên cứu, xây dựng và sử
dụng mô hình trong nghiên cứu thủy động lực – môi trƣờng đang rất đƣợc quan
tâm. Trong đó những nghiên cứu, điều tra, tính toán ô nhiễm môi trƣờng các vũng
vịnh và khu vực ven biển - khu vực tập trung chủ yếu các hoạt động kinh tế của con
ngƣời đã, đang đƣợc tiến hành. Chƣơng trình hợp tác với Cơ quan hợp tác Quốc tế
8


Nhật Bản - JICA (1995 – 1998) của Viện Tài nguyên và Môi trƣờng biển – Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã bƣớc đầu sử dụng phƣơng pháp tính dòng vật
chất bổ sung (Flux) và quỹ nguồn (Budget) chạy trên phần mềm chuyên dụng
CABARET of LOICZ (Mỹ) để đánh giá mức độ tích tụ và khuếch tán vật chất tại
một số điểm thuộc vịnh Hạ Long. Sau đó, phƣơng pháp nghiên cứu này còn đƣợc sử
dụng tính toán mức độ dinh dƣỡng của hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (Thừa
Thiên Huế). Tuy nhiên, phƣơng pháp này chƣa tính toán đến quá trình khuếch tán
vật chất trong không gian và chỉ giới hạn tại một số điểm nhất định.
Hoàng Dƣơng 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 xét đến khả năng biến động các yếu tố DO, BOD, COD,
NH4+, NO3-, PO4-3 theo không gian 2 chiều và thời gian.
Trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ Thủy sản, Trần Lƣu 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 dƣỡng, hữu cơ cũng nhƣ chế độ thủy động lực tại
thủy vực nghiên cứu.

Trong một số nghiên cứu thuộc chƣơng trình cấp Nhà nƣớc và cấp Bộ, các
đề tài đã triển khai theo hƣớng: đánh giá nguồn thải (nhƣ ô nhiễm biển do sông tải
ra, thuộc đề tài KT.03.07 - 1996), đánh giá tổn thất môi trƣờng do các hoạt động
kinh tế gây ra với vùng ven biển... Tuy nhiên, những nghiên cứu này chƣa thể hiện
đƣợc mức độ chi tiết cao trong thủy vực nhỏ và số các biến môi trƣờng còn hạn chế,
đồng thời còn mang tính chất vĩ mô cho khu vực nghiên cứu.
Tại khu vực vịnh Nha Trang, đã có một số công trình nghiên cứu về môi
trƣờng liên quan tới sự truyền tải các vật chất từ các cửa sông, các quá trình tự làm
sạch môi trƣờng. Một số công trình nghiên cứu điển hình đƣợc liệt kê nhƣ:
Phan Minh Thụ, Nguyễn Hữu Huân (1999) đã sử dụng phƣơng pháp mô
hình hóa quá trình sinh học để nghiên cứu quá trình tự làm sạch của môi trƣờng
biển khu vực vịnh Nha Trang với nguồn thải là nƣớc sinh hoạt bị ô nhiễm từ sông
9


Cái... Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra, sau 24 giờ khả năng tự làm sạch các chất ô
nhiễm hữu cơ của nƣớc biển đạt từ 42 - 90%. Nghiên cứu này không tính đến ảnh
hƣởng của các quá trình thủy động lực ven biển (vận chuyển, khuếch tán vật chất...
dƣới tác động của thủy triều).
Nhóm tác giả Thái Ngọc Chiến, Nguyễn Tác An, Bùi Hồng Long - Viện
Hải dƣơng học cũng đã ứng dụng mô hình số 3 chiều ECOHAM vào tính toán động
lực học dinh dƣỡng trong vịnh Vân Phong (Nha Trang - Khánh Hòa) và đƣa ra đƣợc
những đặc trƣng biến động theo mùa của nồng độ Nitơ và Photpho trong vịnh.
Một đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã và đang đƣợc
tiến hành nghiên cứu sức tải môi trƣờng tại vịnh Cam Ranh bằng mô hình
ECOSMO do Viện Hải dƣơng học chủ trì. Đề tài sử dụng mô hình 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.
Qua các công trình nghiên cứu đã công bố, có thể thấy rằng, các nghiên
cứu về môi trƣờng đã và đang đƣợc các nhà khoa học quan tâm và có những kết quả

nghiên cứu nhất định từ thống kê, phân tích số liệu hoặc sử dụng các mô hình số trị.
Riêng tại vịnh Nha Trang, đã có các công trình nghiên cứu về môi trƣờng khu vực
này nhƣng thƣờng tập trung phân tích hiện trạng môi trƣờng và hầu nhƣ chƣa có kết
quả nghiên cứu thông qua 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
trình động lực. Vì thế, tính toán lan truyền vật chất ô nhiễm vịnh Nha Trang bằng
dựa trên công cụ phần mềm MIKE là một hƣớng nghiên cứu mới mà học viên lựa
chọn.

1.2 Môđun MIKE 21 HD
1.2.1 Cơ sở toán học
Mô hình MIKE12HD là gói công cụ trong bộ phần mềm DHI đƣợc xây
dựng bởi Viện Thủy Lực Hà Lan, đây là mô hình tính toán dòng chảy hai chiều
không đều trong một lớp chất lỏng đồng nhất theo phƣơng thẳng đứng.
Các phương trình nước nông [11], [12]

10


Các phƣơng trình động lƣợng và liên tục tích phân trên toàn bộ cột nƣớc h
= η+d trong các phƣơng trình nƣớc nông đƣợc viết lại nhƣ sau:
𝜕𝑕
𝜕𝑡

+

𝜕𝑕𝑢
𝜕𝑥

+

𝜕𝑕𝑣
𝜕𝑥

= 𝑕𝑆

(1.1)

𝜕𝑕𝑢 𝜕𝑕𝑢2 𝜕𝑕𝑣𝑢
𝜕𝜂 𝑕 𝜕𝑃𝑎
+
+
= 𝑓𝑣𝑕 − 𝑔𝑕
−
−
𝜕𝑡
𝜕𝑥
𝜕𝑦
𝜕𝑥 𝜌0 𝜕𝑥
𝑔𝑕2 𝜕𝜌 𝜏𝑠𝑥 𝜏𝑏𝑥
1 𝜕𝑠𝑥𝑥 𝜕𝑠𝑥𝑦
+
−
−
+
+
2𝜌0 𝜕𝑥 𝜌0
𝜌0 𝜌0 𝜕𝑥
𝜕𝑥

(1.2)

𝜕
𝜕
𝑕𝑇𝑥𝑥 +
𝑕𝑇𝑥𝑦 + 𝑕𝑢𝑠 𝑆
𝜕𝑥
𝜕𝑦

𝜕𝑕𝑣 𝜕𝑕𝑢𝑣 𝜕𝑕𝑣 2
𝜕𝜂 𝑕 𝜕𝑃𝑎
+
+
= 𝑓𝑢𝑕 − 𝑔𝑕
−
−
𝜕𝑡
𝜕𝑥
𝜕𝑦
𝜕𝑦 𝜌0 𝜕𝑦
𝑔𝑕2 𝜕𝜌 𝜏𝑠𝑦 𝜏𝑏𝑦
1 𝜕𝑠𝑦𝑥 𝜕𝑠𝑦𝑦
+
−
−
+
+
2𝜌0 𝜕𝑥 𝜌0
𝜌0 𝜌0 𝜕𝑥
𝜕𝑥

(1.3)

𝜕
𝜕
𝑕𝑇𝑥𝑦 +
𝑕𝑇𝑦𝑦 + 𝑕𝑣𝑠 𝑆
𝜕𝑥
𝜕𝑦
trong đó t là thời gian; x, y là tọa độ Đề Các; η la mực nƣớc bề mặt; d là độ sâu
nƣớc tĩnh; h = η + d là độ sâu nƣớc tổng cộng; u, v là các thành phần vận tốc theo
phƣơng x và y; f = 2Ωsinθ là tham số Coriolis (Ω là vận tốc góc của Trái đất, θ là vĩ
độ địa lý); 𝜏𝑠 , 𝜏𝑏𝑠 tƣơng ứng là ứng suất tại mặt và tại đáy; g là gia tốc trọng
trƣờng; 𝜌 là mật độ nƣớc; 𝑠𝑥𝑥 , 𝑠𝑥𝑦 , 𝑠𝑦𝑥 và 𝑠𝑦𝑦 là các thành phần tenxơ ứng suất bức
xạ; 𝑣𝑡 là nhớt rối theo phƣơng thẳng đứng; 𝑃𝑎 là áp suất khí quyển; 𝜌0 là mật độ quy
ƣớc của nƣớc; S là cƣờng độ lƣu lƣợng cung cấp cho các điểm nguồn và (𝑢𝑠 , 𝑣𝑠 ) là
vận tốc tại đó nƣớc đƣợc đổ ra môi trƣờng xung quanh.
Biến số có đƣờng gạch ngang biểu thị giá trị trung bình theo độ sâu. Ví dụ,
𝑢 và 𝑣 là các thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu đƣợc xác định bởi:
𝑕𝑢 =

𝜂
−𝑑

𝑢𝑑𝑧 ,

𝑕𝑣 =

𝜂
−𝑑

𝑣𝑑𝑧

(1.4)

11


Thành phần ứng suất bên Tij bao gồm cả ma sát nhớt, ma sát rối và chênh
lệch bình lƣu. Chúng đƣợc xác định bằng sử dụng công thức nhớt rối dựa trên
những biến đổi vận tốc trung bình theo độ sâu
𝑇𝑥𝑥 = 2𝐴

𝜕𝑢
𝜕𝑢 𝜕𝑣
𝜕𝑣
, 𝑇𝑥𝑦 = 2𝐴
+
, 𝑇𝑦𝑦 = 2𝐴
;
𝜕𝑥
𝜕𝑦 𝜕𝑥
𝜕𝑦

(1.5)

Phương trình truyền tải nhiệt độ và độ muối
Các phƣơng trình truyền tải nhiệt - muối tích phân trên toàn bộ cột nƣớc
đƣợc viết dƣới dạng:
𝜕𝑕𝑇 𝜕𝑕𝑢𝑇 𝜕𝑕𝑣 𝑇

+
+
= 𝑕𝐹𝑇 + 𝑕𝐻 + 𝑕𝑇𝑠 𝑆
𝜕𝑡
𝜕𝑥
𝜕𝑦
𝜕𝑕𝑠 𝜕𝑕𝑢𝑠 𝜕𝑕𝑣 𝑠
+
+
= 𝑕𝐹𝑠 + 𝑕𝑠𝑠 𝑆
𝜕𝑡
𝜕𝑥
𝜕𝑦

(1.6)

(1.7)

trong đó, 𝑇 và 𝑠 tƣơng ứng là nhiệt độ và độ muối trung bình theo độ sâu.
Phương trình truyền tải cho đại lượng vô hướng (scalar quantity)
Các phƣơng trình truyền tải đại lƣợng vô hƣớng tích phân theo độ có dạng:
𝜕𝑕𝐶 𝜕𝑕𝑢𝐶 𝜕𝑕𝑣 𝐶
+
+
= 𝑕𝐹𝐶 + 𝑕𝑘𝑝 𝐶 + 𝑕𝐶𝑠 𝑆
𝜕𝑡
𝜕𝑥
𝜕𝑦
với 𝐶 là trung bình theo độ sâu của đại lƣợng vô hƣớng.

(1.8)

Ứng suất đáy
Ứng suất đáy, 𝜏𝑏 = 𝜏𝑏𝑥 , 𝜏𝑏𝑦 đƣợc xác định từ định luật ma sát bậc hai
𝜏𝑏
= 𝑐𝑓 𝑢𝑏 𝑢𝑏
𝜌0

(1.9)

trong đó, cf là hệ số ma sát đáy và 𝑢𝑏 = (𝑢𝑏 , 𝑣𝑏 ) là tốc độ dòng chảy trên bề mặt
đáy. Vận tốc ma sát liên hệ với ứng suất đáy thông qua công thức:
𝑈𝜏𝑏 =

𝑐𝑓 𝑢𝑏

2

(1.10)

Trong tính toán hai chiều 𝑢𝑏 là vận tốc trung bình theo độ sâu và hệ số ma
sát đáy có thể đƣợc xác định từ hệ số Chezy, C, hoặc hệ số Manning, M
𝑔
𝑐𝑓 = 2
𝐶

12

(1.11)

𝑐𝑓 =

𝑔
𝑀𝑕1/6

(1.12)

2

Ứng suất mặt
Ứng suất bề mặt 𝜏𝑠 = (𝜏𝑠𝑥 , 𝜏𝑠𝑦 ) đƣợc xác định thông qua gió bề mặt. Ứng
suất mặt đƣợc tính toán dựa trên công thức thực nghiệm:
(1.13)
𝜏𝑠 = 𝜌𝑎 𝑐𝑑 𝑢𝑤 𝑢𝑤
với 𝜌𝑎 là mật độ không khí, cd là hệ số cản gió, 𝑢𝑤 = (𝑢𝑤 , 𝑣𝑤 ) là tốc độ gió ở độ
cao 10m trên bề mặt biển. Vận tốc ma sát liên hệ với ứng suất bề mặt đƣợc cho bởi
công thức:
𝑈𝜏𝑠 =

2

𝜌𝑎 𝑐𝑓 𝑢𝑤
𝜌0

(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 đƣợc đề xuất bởi Wu (1980, 1984) để xác định
giá trị của hệ số cản:

𝑐𝑎
𝑐𝑏 − 𝑐𝑎
𝑐𝑓 = 𝑐𝑎 +
𝑤𝑏 − 𝑤𝑎
𝑐𝑏

𝑤10 < 𝑤𝑎
𝑤𝑎 ≪ 𝑤10 < 𝑤𝑏

(1.15)

𝑤10 > 𝑤𝑏

trong đó, ca, cb, wa và wb là các nhân tố thực nghiệm và w10 là tốc độ gió tại độ cao
10m trên mực nƣớc biển. Giá trị mặc định của các nhân tố thực nghiệm là
ca=1.255x10-3, cb=2.425x10-3, wa=7m/s và wb =25m/s. Các giá trị này cho kết quả
tƣơng đối tốt khi áp dụng cho vùng biển khơi.
1.2.2 Phương pháp số
a. Rời rạc hóa miền không gian
Miền tính đƣợc rời rạc hóa bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Theo
phƣơng pháp này, miền tính toán đƣợc chia nhỏ thành các phần tử liên tục không
chồng nhau. Trong không gian hai chiều, vùng tính toán có thể đƣợc rời rạc hóa
thành từng phần tử dạng đa giác, tứ giác hoặc tam giác.
Các phƣơng trình nƣớc nông
Dạng tổng quát của hệ các phƣơng trình nƣớc nông có thể đƣợc viết dƣới
dạng:
13


𝜕𝑈

(1.16)
+ ∇. 𝐹 𝑈 = 𝑆(𝑈)
𝜕𝑡
với U là các biến bảo toàn, F là hàm véctơ thông lƣợng và S là véctơ của các nhóm
nguồn.
Trong tọa độ Đề-các, hệ các phƣơng trình nƣớc nông đƣợc viết dƣới dạng
(1.17)
𝜕 𝐹𝑦𝐼 − 𝐹𝑦𝑉
𝜕𝑈 𝜕 𝐹𝑥𝐼 − 𝐹𝑥𝑉
+
+
=𝑆
𝜕𝑡
𝜕𝑥
𝜕𝑦
trong đó, các chỉ số I và V tƣơng ứng là các thông lƣợng không nhớt (đối lƣu) và
thông lƣợng nhớt, và
𝑕
𝑈 = 𝑕𝑢 ’
𝑕𝑣
0
𝑕𝑢
𝜕𝑢
1
𝑕𝐴 2
2
2
2
𝐼
𝑉

𝜕𝑥
𝐹𝑥 = 𝑕𝑢 + 2 𝑔 𝑕 − 𝑑 , 𝐹𝑥 =
𝜕𝑢
𝜕𝑣
𝑕𝐴
+
𝑕𝑢𝑣
𝜕𝑦
𝜕𝑥
0
𝑕𝑣
𝜕𝑢
𝜕𝑣
𝑕𝐴
+
𝐼
𝑉
𝑕𝑣𝑢
𝜕𝑦
𝜕𝑥
𝐹𝑦 =
, 𝐹𝑦 =
1
𝜕𝑣
𝑕𝑣 2 + 𝑔 𝑕2 − 𝑑 2
𝑕𝐴 2
2

0
𝑔𝜂

𝜕𝑑
𝜕𝑥

+ 𝑓𝑣 𝑕 −

𝑆=
𝑔𝜂

𝜕𝑑
𝜕𝑦

+ 𝑓𝑢𝑕 −

(1.18)

𝜕𝑥

𝑕 𝜕𝑝 𝑎
𝑔𝑕 2 𝜕𝜌
−
𝜌 0 𝜕𝑥
2𝜌 0 𝜕𝑥
𝜕𝜏 𝑠𝑥
𝜕𝜏
+
− 𝑏𝑥
𝜌0
𝜌0
𝑕 𝜕𝑝 𝑎

−

𝑔𝑕 2 𝜕𝜌

𝜌 0 𝜕𝑦
2𝜌 0 𝜕𝑦
𝜕𝜏 𝑠𝑦
𝜕𝜏 𝑏𝑦
+
−
𝜌0
𝜌0

−

1

𝜕𝑠𝑥𝑥

𝜌0

𝜕𝑥

+

𝜕𝑠𝑥𝑦
𝜕𝑦

+ 𝑕𝑢𝑠

−

1

𝜕𝑠𝑦𝑥

𝜌0

𝜕𝑥

+

𝜕𝑠𝑦𝑦
𝜕𝑦

+ 𝑕𝑣𝑠

Tích phân phƣơng trình 1.16 trên toàn bộ phần tử thứ i và sử dụng định lý
Gauss để viết lại tích phân thông lƣợng nhƣ dƣới đây
𝜕𝑈
𝑑𝛺 +
𝐴 𝑖 𝜕𝑡

(𝐹. 𝑛)𝑑𝑠 =
Г𝑖

𝑆(𝑈)𝑑𝛺

(1.19)

𝐴𝑖

trong đó, Ai là diện tích của phần tử thứ i, Ω là tích phân biến xác định trên Ai , Гi là
biên của phần tử thứ i và ds tích phân biến dọc theo biên. n là véctơ pháp tuyến đơn
vị hƣớng ra ngoài biên. Các tích phân đƣợc tính bằng phƣơng pháp cầu phƣơng đơn
điểm, điểm cầu phƣơng là điểm trọng tâm của phần tử, và tích phân biên đƣợc tính
dựa trên phép cầu phƣơng tâm điểm, khi đó phƣơng trình 1.19 đƣợc viết lại,
14


𝜕𝑈𝑖 1
+
𝜕𝑡 𝐴𝑖

𝑁𝑆

(1.20)
𝐹. 𝑛∆Г𝑗 = 𝑆𝑖

𝑗

Ở đây Ui và Si tƣơng ứng là các giá trị trung bình của U và S trên toàn bộ
phần tử thứ i và đƣợc đặt tại tâm của phần tử, NS là số cạnh của phần tử, nj véctơ
pháp tuyến ngoài đơn vị tại cạnh thứ j và Гj là chiều dài của giao diện thứ j.
Trong trƣờng hợp 2D phép xấp xỉ Riemann đƣợc sử dụng để tính toán các
thông lƣợng đối lƣu tại mặt phân cách của các phần tử. Sử dụng phép giải Roe để
ƣớc lƣợng cho các biến phụ thuộc phía bên trái và bên phải của của giao diện. Độ
chính xác bậc hai theo không gian đạt đƣợc bằng cách sử dụng kỹ thuật tái cấu trúc
gradient tuyến tính. Các giá trị gradient trung bình đƣợc ƣớc lƣợng thông qua phép
giải của Jawahar và Kamath, 2000.

Phương trình truyền tải
Các phƣơng trình truyền tải xuất hiện trong mô hình nhiệt – muối, mô hình
rối và mô hình truyền tải. Tất cả các phƣơng trình này đều có dạng chung. Trong
trƣờng hợp 2D, các phƣơng trình truyền tải có dạng tổng quát nhƣ phƣơng trình
(1.16) trong đó
𝑈 = 𝑕𝐶
𝐹 = 𝑕𝑢𝐶 ,
𝑕𝑣 𝐶
𝜕𝐶
𝜕𝐶
𝐹 𝑉 = 𝑕𝐷𝑕
, 𝑕𝐷𝑕
𝜕𝑥
𝜕𝑦
𝑆 = −𝑕𝑘𝑝 𝐶 + 𝑕𝐶𝑠
𝐼

(
(1.21)

b. Tích phân theo thời gian
Các phƣơng trình dạng tổng quát đƣợc viết:
𝜕𝑈
(
= 𝐺(𝑈)
(1.22)
𝜕𝑡
Trong mô phỏng 2D, có hai phƣơng pháp giải cho tích phân theo thời gian
đối với hệ phƣơng trình nƣớc nông và phƣơng trình truyền tải: Phƣơng pháp bậc
thấp và phƣơng pháp bậc cao. Phƣơng pháp bậc thấp là phƣơng pháp Euler hiện bậc

một
𝑈𝑛 +1 = 𝑈𝑛 + ∆𝑡𝐺(𝑈𝑛 )

15

(1.23)


với ∆𝑡 là bƣớc thời gian. Phƣơng pháp bậc cao hơn là sử dụng phƣơng pháp Runge
Kutta bậc hai có dạng
1
𝑈𝑛+1 = 𝑈𝑛 + ∆𝑡𝐺 𝑈𝑛
2
2
𝑈𝑛 +1 = 𝑈𝑛 + ∆𝑡𝐺(𝑈𝑛 +1 )

(1.24)

2

c. Các điều kiện biên
Biên kín
Thông lƣợng dọc theo các biên kín (biên đất liền) thƣờng đƣợc áp đặt là
giá trị 0 cho tất cả các biên. Đối với các phƣơng trình động lƣợng điều này hƣớng
đến điều kiện biên trƣợt hoàn toàn dọc theo biên đất.
Biên mở
Các điều kiện biên mở có thể đƣợc đƣa vào theo các dạng là lƣu lƣợng
hoặc dao động mực nƣớc mặt cho các phƣơng trình thủy động lực. Với các phƣơng
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 ƣớt) dựa trên
các nghiên cứu của Zhao và cộng sự (1994) và Sleigh và cộng sự (1998). Khi các
trƣờng độ sâu nhỏ, vấn đề xảy ra là các phần tử đƣợc loại bỏ từ việc tính toán. Công
thức tính toán đƣợc xây dựng lại bởi sự giảm thông lƣợng động lƣợng tới giá trị
không và chỉ tính toán tới thông lƣợng khối lƣợng.
Độ sâu của mỗi phần tử biến đổi và các phần tử đƣợc sắp xếp thành các
loại khô, bán khô, ƣớt. Khi đó bề mặt các phần tử đƣợc kiểm tra để xác định các
điều kiện biên ƣớt.
Bề mặt của một phần tử đƣợc xác định là ngập nếu thỏa mãn hai tiêu
chuẩn: thứ nhất, độ sâu nƣớc tại một cạnh của bề mặt phải nhỏ hơn độ sâu tới hạn
khô hdry, và độ sâu nƣớc ở cạnh khác của bề mặt lớn hơn độ sâu độ sâu tới hạn ngập
hflood. Thứ hai, độ sâu tổng cộng của nƣớc tĩnh tại cạnh có độ sâu nhỏ hơn hdry và
mực nƣớc bề mặt tại cạnh khác đều phải lớn hơn giá trị 0.
Một phần tử đƣợc gọi là khô nếu độ sâu nƣớc nhỏ hơn độ sâu giới hạn khô
hdry, và không một cạnh nào bị ngập. Phần tử này bị loại ra khỏi miền tính toán.
16


Một phần tử xem nhƣ là ngập một phần nếu nếu độ sâu nƣớc lớn hơn hdry
và nhỏ hơn độ sâu giới hạn ƣớt, hoặc khi độ sâu nhỏ hơn hdry và một trong số các
cạnh khác là biên ngập nƣớc. Trong trƣờng hợp này thông lƣợng động lƣợng bằng
không và chỉ có thông lƣợng khối lƣợng đƣợc tính.
Một phần tử đƣợc gọi là ƣớt nếu độ sâu nƣớc lớn hơn hwet. Trong trƣờng
hợp này cả hai thành phần thông lƣợng khối lƣợng và thông lƣợng động lƣợng đƣợc
tính.
Độ sâu ƣớt hwet phải lớn hơn độ sâu khô giới hạn hdry và độ sâu giới hạn
ngập hflood, đƣợc xác định theo điều kiện hdry < hflood < hwet.

1.3 Môđun ECO Lab
1.3.1 Cơ sở lý thuyết

Động lực học của bình lƣu các biến trạng thái trong ECO Lab có thể đƣợc
mô tả bằng các phƣơng trình truyền tải của vật chất không bảo toàn, có dạng:
𝜕𝑐
𝜕𝑐
𝜕𝑐
𝜕2 𝑐
𝜕2 𝑐
+𝑢
+𝑣
= 𝐷𝑥 2 + 𝐷𝑦 2 + 𝑆𝑐 + 𝑃𝑐
𝜕𝑡
𝜕𝑥
𝜕𝑦
𝜕𝑧
𝜕𝑧

(1.25)

trong đó:
c: Nồng độ của biến trạng thái ECO Lab
u, v: Các thành phần vận tốc dòng chảy
Dx, Dy: Các hệ số khuếch tán theo phƣơng x và y
Sc: Nguồn sinh và nguồn mất
Pc: Các quá trình trong ECO Lab
Phƣơng trình truyền tải có thể đƣợc viết lại:
(1.26)
𝜕𝑐
= 𝐴𝐷𝑐 + 𝑃𝑐
𝜕𝑡
trong đó, nhóm ADc đại diện cho tốc độ thay đổi nồng độ gây ra bởi quá trình bình

lƣu và khuếch tán (bao gồm các nguồn sinh và mất).
Khi tính toán các biến nồng độ cho bƣớc tiếp theo, một phƣơng trình ECO
Lab số đƣợc thay thế cho các phƣơng trình truyền tải tích phân theo thời gian. Một
phƣơng pháp xấp xỉ khác đƣợc sử dụng trong ECO Lab là xem thành phần bình lƣu
– đối lƣu ADc không thay đổi trong một bƣớc thời gian. Việc giải cả hai thành phần
17


trong phƣơng trình sai phân thƣờng của ECO Lab là tổng hợp của tốc độ thay đổi
gây ra do chính các quá trình nội tại và các quá trình bình lƣu - khuếch tán.
𝑡+∆𝑡

𝑐 𝑡 + ∆𝑡 =

𝑃𝑐 𝑡 + 𝐴𝐷𝑐 + 𝜕𝑡

(1.27)

𝑡

Thành phần bình lƣu - khuếch tán đƣợc xấp xỉ bằng công thức
(1.28)
𝑐 ∗ + 𝑡 + ∆𝑡 − 𝑐 𝑛 (𝑡)
𝐴𝐷𝑐 =
∆𝑡
trong đó, nồng độ tức thời c* đƣợc cho bởi quá trình truyền tải biến trạng thái trong
ECO Lab khi vật chất đƣợc bảo toàn trong suốt chu kỳ ∆𝑡 sử dụng môđun AD.
Một lợi thế chính của phƣơng pháp này là liên kết đƣợc phƣơng pháp giải
hiện và các vấn đề phi tuyến từ các nguồn ECO Lab phức tạp, vì vậy ECO Lab và
thành phần bình lƣu - khuếch tán có thể đƣợc giải một cách riêng lẻ.

Phƣơng pháp giải số đƣợc sử dụng trong mô hình ECO Lab là phƣơng
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 lƣợng ôxy hoà tan trong nƣớc cần thiết cho sự hô hấp của các sinh
vật nƣớc (cá, lƣỡng thê, thuỷ sinh, côn trùng v.v...) thƣờng đƣợc tạo ra do sự hoà
tan từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo,... Nồng độ ôxy tự do trong nƣớc phụ
thuộc vào nhiệt độ, sự phân huỷ hoá chất, sự quang hợp của tảo và v.v... Khi nồng
độ DO thấp, các loài sinh vật nƣớc giảm hoạt động hoặc bị chết. Do vậy, DO là một
chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nƣớc của các thuỷ vực [2], [12].
Quá trình cân bằng ôxy tùy thuộc vào mức độ phức tạp của cân bằng. Có 4
mức độ khác nhau mô tả cân bằng khối ôxy hòa tan 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 tƣơng tác nƣớc - khí
quyển (mặt phân cách), quá trình 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 trình đó đƣợc mô
tả bằng phƣơng trình cân bằng sau:

18


𝑑𝐷𝑂
=
𝑑𝑡

+ 𝑟𝑒𝑎𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 − 𝑌1 . 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

(1.29)

− 𝐵𝑂𝐷 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑦 + 𝑝𝑕𝑜𝑡𝑜𝑠𝑦𝑛𝑡𝑕𝑒𝑠𝑖𝑠

− 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 − 𝑠𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑜𝑥𝑦𝑔𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑

trong đó:
Reaeration (1): quá trình trao đổi ôxy giữa ôxy hòa tan trong nƣớc và khí
quyển (g/m3/ngày). Quá trình này có tính đến mức bão hòa ôxy trong nƣớc Cs phụ
thuộc vào nhiệt độ và độ mặn.
1 = 𝐾2 𝐶𝑠 − 𝐷𝑂

(1.29a)

Giá trị Cs đƣợc tính thôngqua biểu thức thực nghiệm sau:
0.00256 ∙ 𝑆 − 0.41022 + 𝑇 ∙ (0.007991 −
0.0000374 ∙ 𝑆 − 0.00007777 ∙ 𝑇)

𝐶𝑠 = 14.652 − 0.0841 ∙ 𝑆 + 𝑇 ∙

Tốc độ tƣơng tác K2 (1/s) phụ thuộc vào tốc độ gió Wv, tốc độ dòng chảy
V và độ sâu nƣớc:
𝐾2 = 3.93 ∙ 𝑉 0.5 /𝐻1.5 + 𝑊/𝐻
𝑊 = 0.728 ∙ 𝑊𝑉0.5 − 0.371 ∙ 𝑊𝑉 + 0.0372 ∙ 𝑊𝑉2 (𝑚/𝑠)
Y1.nitrification (2): quá trình đạm hóa (g/m3.ngày), Y1: hệ số bổ sung cho
ôxy. Đây là một quá trình khác ảnh hƣởng tới cân bằng ôxy khi ôxy đƣợc sử dụng
trong quá trình đạm hóa từ amoniac sang nitrite.
𝐷𝑂
(1.29b)
𝐷𝑂 + 𝐻𝑆_𝑛𝑖𝑡𝑟
BOD decay (3): quá trình phân hủy BOD (g/m3/ngày). Sự phân hủy các
(𝑇−20)

2 = 𝐾4 𝑁𝐻3 𝜃4

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.
𝐷𝑂
(1.29c)
𝐷𝑂 + 𝐻𝑆_𝐵𝑂𝐷
Photosynthesis (4): quá trình quang hợp (g O2/m2/ngày). Các sản phẩm
(𝑇−20)

3 = 𝐾3 ∙ 𝐵𝑂𝐷 ∙ 𝜃3

∙

ôxy từ quá trình quang hợp đƣợc mô tả thông qua mối liên hệ giữa giá trị năng suất
cực đại vào giữa trƣa và biến đổi theo thời gian trong ngày.

19


(𝑇−20)

4 =

𝑃𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝐹1 𝐻 ∙ 𝑐𝑜𝑠2𝜋(𝜏/𝛼) ∙ 𝜃1
0

, 𝑛ế𝑢 𝜏 ∈ 𝑡𝑢𝑝 , 𝑡𝑑𝑜𝑤𝑛

,
𝐹1 𝐻 = 𝑒

−𝑘∙𝐻

𝑛ế𝑢 𝜏 ∉ 𝑡𝑢𝑝 , 𝑡𝑑𝑜𝑤𝑛

(
(1.29d)

Respiration (5): quá trình hô hấp của sinh vật (g O2/m2/ngày). Sự suy giảm
nồng độ ôxy bởi quá trình hô hấp của sinh vật tự dƣỡng và dị dƣỡng thông qua biểu
thức về nhiệt độ.
(𝑇−20)

5 = 𝑅1 ∙ 𝐹1 ∙ 𝜃1

(𝑇−20)

+ 𝑅2 ∙ 𝜃2

(1.29e)

SOD (sidement oxygen demand) (6): nhu cầu ôxy cho phân hủy vật chất
hữu cơ tại đáy (chỉ phụ thuộc vào hàm lƣợng ôxy và nhiệt độ (g/m3/ngày). Lƣu ý
rằng các vật chất hữu cơ trầm tích trong quá trình 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.
6 =

𝐷𝑂
(𝑇−20)

∙ 𝜃3
𝐻𝑆_𝑆𝑂𝐷 + 𝐷𝑂

(1.29f)

b. Nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD)
BOD (Biochemical oxygen Demand - nhu cầu oxy sinh hoá) là lƣợng oxy
cần thiết để vi sinh vật oxy hoá các chất hữu. Trong môi trƣờng nƣớc, khi quá trình
oxy hoá sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử dụng oxy hoà tan, vì vậy xác định
tổng lƣợng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là phép đo quan
trọng đánh giá ảnh hƣởng của một dòng thải đối với nguồn nƣớc. BOD có ý nghĩa
biểu thị lƣợng các chất thải hữu cơ trong nƣớc có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh
vật.
Dạng cân bằng của nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) đƣợc mô tả bằng phƣơng
trình:
𝑑𝐵𝑂𝐷
𝐷𝑂
(𝑇−20)
= −𝐵𝑂𝐷 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑦 = −𝐾3 ∙ 𝐵𝑂𝐷 ∙ 𝜃3
∙
𝑑𝑡
𝐷𝑂 + 𝐻𝑆_𝐵𝑂𝐷
Giải thích các từ ngữ:
S

Độ mặn (ppt)

T

Nhiệt độ (0C)

20

(1.30)


Wv

Tốc độ gió (m/s)

H

Độ sâu nƣớc (m)

V

Vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu (m/s)

HS_nitr

Nồng độ bán bão hòa đạm hóa (mg O2/l)

Y1

Nhân tố bổ sung cho ôxy

Photosynthes

Sản phẩm quang hợp thực tế (g O2/m2/ngày)

Pmax

Sản phẩm quang hợp cực đại vào buổi trƣa (g O2/m2/ngày)

τ

Thời điểm trong ngày

α

Thời gian ngày thực tế

tup, tdown

Thời điểm mặt trời mọc, mặt trời lặn

respiration

Tốc độ hô phấp thực tế của thực vật và vi khuẩn (g O2/m2/ngày)

R1

Tốc độ quang hợp (tự dƣỡng) hô hấp ở 20oC (g O2/m2/ngày)

θ1

Hệ số nhiệt độ trong quang hợp

R2

Tốc độ hô hấp của động vật và vi khuẩn (dị dƣỡng) (g O2/m2/ngày)

θ2

Hệ số nhiệt độ trong hô hấp dị dƣỡng

F1(H)

Hàm hấp thụ ánh sáng

k

Hệ số hấp thụ ánh sáng (1/m)

H

Độ sâu nƣớc (m)

BOD

Nồng độ BOD thực tế (mg O2/l)

K3

Hằng số phân rã của vật chất hữu cơ tại 20oC (1/ngày)

θ3

Hệ số bổ sung nhiệt độ

DO

Nồng độ ôxy thực tế (mg O2/l)

HS_BOD

Nồng độ ôxy bán bão hòa trong BOD (mg O2/l)

HS_SOD

Nồng độ ôxy bán bão hòa trong SOD (mg O2/l)

1.3.3 Các hợp phần của Nitơ
a. Hợp phần Amôni (NH3-)
Dạng cân bằng của thành phần Amoni đƣợc thể hiện thông qua phƣơng
trình sau:

21


𝑑𝑁𝐻3
=
𝑑𝑡

+ 𝑎𝑚𝑚𝑜𝑛𝑖𝑢𝑚 𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑 𝑓𝑟𝑜𝑚 𝐵𝑂𝐷 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑦
− 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑜𝑓 𝑎𝑚𝑚𝑜𝑛𝑖𝑢𝑚 𝑡𝑜 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑒
(1.31)

− 𝑎𝑚𝑚𝑜𝑛𝑖𝑢𝑚 𝑢𝑝𝑡𝑎𝑘𝑒 𝑏𝑦 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑠
− 𝑎𝑚𝑚𝑜𝑛𝑖𝑢𝑚 𝑢𝑝𝑡𝑎𝑘𝑒 𝑏𝑦 𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎
+ 𝑕𝑒𝑡𝑒𝑟𝑜𝑡𝑟𝑜𝑝𝑕 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

Ammonium yield from BOD decay (6) là thành phần amonium thu đƣợc từ
quá trình phân hủy các chất hữu cơ. Quá trình này đƣợc mô tả bằng công thức
𝐷𝑂
(1.31a)
𝐷𝑂 + 𝐻𝑆_𝐵𝑂𝐷
Transformation of ammonium to nitrat (7) là quá trình đạm hóa chuyển từ
(𝑇−20)

6 = 𝑌𝐵𝑂𝐷 ∙ 𝐾3 ∙ 𝐵𝑂𝐷 ∙ 𝜃3

ammonium sang dạng nitrat. Phƣơng trình biểu diễn quá trình này có dạng:
(𝑇−20)

7 = 𝐾4 ∙ 𝑁𝐻3 ∙ 𝜃4

(1.31b)

Ammonium uptake by plants (8) là quá trình hấp thụ ammonium bởi thực
vật. Công thức biễu diễn phƣơng trình này có dạng
(𝑇−20)

8 = 𝑈𝑁𝑝 ∙ 𝑃 − 𝑅1 𝜃1

(1.31c)

Ammonium uptake by bacteria (9) là lƣợng ammoniac hấp thụ bởi vi
khuẩn. Quá trình này đƣợc mô tả bằng công thức sau:
𝑁𝐻3
(1.31d)

𝑁𝐻3 + 𝐻𝑆_𝑁𝐻3
Heterotroph respiration (10) là quá trình hô hấp của sinh vật dị dƣỡng,
(𝑇−20)

(9) = 𝑁𝑈𝑏 ∙ 𝐾3 ∙ 𝐵𝑂𝐷 ∙ 𝜃3

đƣợc mô tả bằng biểu thức:
(𝑇−20)

10 = 𝑈𝑁𝑝 ∙ 𝑅2 ∙ 𝜃2

(1.31e)

Giải thích các ký hiệu:
UNp

Ammoni hấp thụ bởi thực vật (mg N/mg O2)

UNb

Ammoni hấp thụ bởi vi khuẩn (mg N/mg BOD)

Yb

Lƣợng Nitơ tồn tại dƣới dạng trầm tích vật chất hữu cơ (NH3-N/mg
BOD)

Yd

Lƣợng Nitơ tồn tại dƣới dạng vật chất hữu cơ hòa tan (mg NH3-N/mg

BOD)

22


Lƣợng Nitơ tồn tại dƣới dạng vật chất hữu cơ hòa tan (mg NH3-N/mg

Ys

BOD)
F(N,P)

Giá trị giới hạn của dinh dƣỡng trong quá trình quang hợp

HS_NH3

Nồng độ bán bão hòa của N đƣợc hấp thụ bởi vi khuẩn (mg N/l)

b. Hợp phần Nitrite (NO2-)
Dạng cân bằng của hợp phần nitrite đƣợc mô tả bằng phƣơng trình:
𝑑𝑁𝑂2
=
𝑑𝑡

+ 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑜𝑓 𝑎𝑚𝑚𝑜𝑛𝑖𝑎 𝑡𝑜 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑖𝑡𝑒

(1.32)

− 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑜𝑓 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑖𝑡𝑒 𝑡𝑜 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑒
Transformation of ammonia to nitrite (11) là quá trình chuyển đổi từ

ammonia sang nitrite, đƣợc mô tả thông qua biểu thức:
(𝑇−20)

11 = 𝐾4 ∙ 𝑁𝐻3 ∙ 𝜃4

∙

𝐷𝑂
𝐷𝑂 + 𝐻𝑆_𝑛𝑖𝑡𝑟

(1.32a)

Transformation of nitrite to nitrate (12) là quá trình biến đổi thành phần
nitrite sang nitrate, và quá trình này đƣợc biểu diễn bằng công thức toán học:
(𝑇−20)

12 = 𝐾5 ∙ 𝑁𝑂2 ∙ 𝜃5

(1.32b)

Giải thích ký hiệu
NH3

Nồng độ của ammonia (mg/l)

K4

Tốc độ ôxy hóa tại 20oC (1/ngày)

θ4

Hệ số nhiệt độ cho quá trình ôxy hóa

HS_nitr

Nồng độ bán bão hòa quá trình đạm hóa (mg O2/l)

NO2

Nồng độ của nitrite (mg/l)

K5

Tốc độ riêng chuyển đổi của nitrite sang nitrate ở 20oC (1/ngày)

θ5

Hệ số nhiệt độ chuyển đổi từ nitrite sang nitrate
c. Hợp phần Nitrate (NO3-)
Các nhân tố ảnh hƣởng tới quá trình cân bằng khối nitrite đƣợc cho bởi

phƣơng trình

23


𝑑𝑁𝑂3
= + 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑜𝑓 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑖𝑡𝑒 𝑡𝑜 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑒 − 𝑑𝑒𝑛𝑖𝑡𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 (1.33)
𝑑𝑡
Transformation of nitrite to nitrate (13) là quá trình chuyển đổi từ nitrite

sang nitrate. Quá trình này đƣợc mô tả thông qua biểu thức:
(𝑇−20)

13 = 𝐾5 ∙ 𝑁𝑂2 ∙ 𝜃5

(1.33a)

Denitrification (14) là quá trình khử nitơ, đƣợc biểu diễn bằng công thức:
(𝑇−20)

14 = 𝐾6 ∙ 𝑁𝑂3 ∙ 𝜃6

(1.33b)

trong đó:
K6 là tốc độ khử nitơ (1/ngày)
θ6 là hệ số nhiệt ẩn
1.3.4 Hợp phần của Photpho
BOD chứa đựng photpho. Khi BOD bị phân hủy lƣợng photpho này sẽ
đƣợc giải phóng dƣới dạng của muối photphat. Để xác định sự phấp thụ của các
muối photpho trong các sản phẩm của tảo, phƣơng trình chủ đạo về chuyển đổi gốc
muối có dạng
𝑑𝑃𝑂4
=
𝑑𝑡

+ 𝑝𝑕𝑜𝑠𝑝𝑕𝑜𝑟𝑢𝑠 𝑦𝑖𝑒𝑙𝑑 𝑓𝑟𝑜𝑚 𝐵𝑂𝐷 𝑑𝑒𝑐𝑎𝑦
− 𝑝𝑕𝑜𝑠𝑝𝑕𝑜𝑟𝑢𝑠 𝑢𝑝𝑡𝑎𝑘𝑒 𝑏𝑦 𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑠
− 𝑝𝑕𝑜𝑠𝑝𝑕𝑜𝑟𝑢𝑠 𝑢𝑝𝑡𝑎𝑘𝑒 𝑏𝑦 𝑏𝑎𝑐𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎
− 𝑕𝑒𝑡𝑒𝑟𝑜𝑡𝑟𝑜𝑝𝑕𝑖𝑐 𝑟𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛

(1.34)

Phosphorus yield from BOD decay (15) là lƣợng photpho từ quá trình
phân hủy các vụn hữu cơ. Công thức mô tả có dạng:
(𝑇−20)

15 = 𝐾3 ∙ 𝐵𝑂𝐷 ∙ 𝑌2 ∙ 𝜃3

𝑃𝑂4
𝑃𝑂4 + 𝐻𝑆_𝑃𝑂4

(1.34a)

Phosphorus uptake by plants (16) là lƣợng photpho bị hấp thụ bởi thực vật
và đƣợc thể hiện qua công thức:
(𝑇−20)

16 = 𝑈𝑃𝑝 ∙ 𝑃 − 𝑅1 ∙ 𝜃1

∙ 𝐹(𝑁, 𝑃)

(1.34b)

Phosphorus uptake by bacteria (17) là lƣợng photpho bị hấp thụ bởi vi
khuẩn thông qua công thức sau:
(𝑇−20)

17 = 𝑈𝑃𝑏 ∙ 𝐾3 ∙ 𝐵𝑂𝐷 ∙ 𝜃3

∙

𝑃𝑂4
𝑃𝑂4 + 𝐻𝑆_𝑃𝑂4

24

(1.34c)