Luận văn Thạc sỹ khoa học Khí tượng và khí hậu học: Nghiên cứu lan truyền dầu ở Biển Đông phục vụ cảnh báo và tìm kiếm nguồn thải
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.45 MB, 182 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------
Nguyễn Quốc Trinh
NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN DẦU Ở BIỂN ĐÔNG
PHỤC VỤ CẢNH BÁO VÀ TÌM KIẾM NGUỒN THẢI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC
Hà Nội - 2018
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------
Nguyễn Quốc Trinh
NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN DẦU Ở BIỂN ĐÔNG
PHỤC VỤ CẢNH BÁO VÀ TÌM KIẾM NGUỒN THẢI
Chuyên ngành: Hải Dương học
Mã số: 62 44 02 28
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
HDC: PGS.TS. Nguyễn Minh Huấn
HDP: PGS.TS. Phùng Đăng Hiếu
XÁC NHẬN NCS ĐÃ CHỈNH SỬA THEO QUYẾT NGHỊ
CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN
TM. Tập thể hướng dẫn khoa học
Chủ tịch Hội đồng đánh giá
Luận án Tiến sĩ
PGS. TS. Nguyễn Minh Huấn
GS. TS. Đinh Văn Ưu
Hà Nội - 2018
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu và tài liệu sử dụng trong luận án là trung thực. Các kết quả nghiên
cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày .... tháng 03 năm 2018.
Tác giả
Nguyễn Quốc Trinh
i
LỜI CẢM ƠN
Luận án này đã được hoàn thành tại khoa Khí tượng, Thuỷ văn và Hải dương
học thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội giai đoạn
từ năm 2011 đến 2016.
Để luận án được hoàn thành và đạt kết quả này, nghiên cứu sinh gửi lời cảm
ơn chân thành đến các thầy hướng dẫn trực tiếp là PGS. TS. Nguyễn Minh Huấn và
PGS. TS. Phùng Đăng Hiếu, các thầy cô của khoa Khí tượng, Thuỷ văn và Hải
dương học nói riêng và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên nói chung, cùng bạn bè
và đồng nghiệp đã tạo điều kiện tốt nhất về vật chất và tinh thần cho nghiên cứu
sinh học tập, trao đổi và lĩnh hội kiến thức. Nghiên cứu sinh cũng trân trọng cảm ơn
đến Hội đồng Khoa học đã góp ý rất nhiều để các nội dung của luận án được hoàn
thiện tốt nhất.
Để có được ngày hôm nay, nghiên cứu sinh cảm ơn bố mẹ và những người
thân trong gia đình luôn thương yêu, động viên và khích lệ về vật chất và tinh thần.
Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn tất cả mọi người đã ủng hộ, tạo điều kiện
và động viên khích lệ tinh thần để luận án này được hoàn thành.
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Quốc Trinh
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................... viii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 2
3. Nội dung nhiệm vụ nghiên cứu........................................................................... 2
4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 2
5. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................ 3
7. Các đóng góp mới của luận án ............................................................................ 3
8. Bố cục của luận án .............................................................................................. 3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THỰC TRẠNG SỰ CỐ DẦU TRÀN VÀ
CÁC NGHIÊN CỨU DẦU TRÀN TRÊN BIỂN .......................................... 4
1.1 Thực trạng sự cố tràn dầu trên biển trên thế giới, khu vực Biển Đông và
biển Việt Nam .................................................................................................. 4
1.1.1 Hiện trạng sự cố dầu tràn trên thế giới ......................................................... 4
1.1.2 Hiện trạng sự cố dầu tràn ở khu vực Biển Đông và biển Việt Nam ............. 6
1.1.3 Nguy cơ xảy ra sự cố dầu tràn ở khu vực biển Việt Nam và Biển Đông ....... 9
1.2. Tình hình nghiên cứu mô phỏng về dầu tràn trên biển .................................. 11
iii
1.2.1. Tình hình nghiên cứu mô phỏng dầu tràn trên biển trên thế giới .............. 12
1.2.2. Tình hình nghiên cứu mô phỏng dầu tràn trên biển ở trong nước ............. 14
1.3. Tình hình nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải .................................... 17
1.3.1. Tình hình nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải trên thế giới............. 17
1.3.2. Tình hình nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải dầu ở trong nước .... 18
1.4. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 19
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN DẦU VÀ
KHẢ NĂNG TÌM KIẾM NGUỒN THẢI DẦU ......................................... 21
2.1. Phương pháp nghiên cứu lan truyền và biến đổi dầu .................................... 21
2.1.1. Cơ sở lý thuyết về lan truyền và biến đổi dầu xuôi thời gian ..................... 23
2.1.2. Cơ sở lý thuyết về lan truyền và biến đổi dầu ngược thời gian .................. 29
2.2. Tham số hóa các quá trình động lực và phong hoá của dầu tràn ................... 34
2.2.1. Các quá trình động lực của dầu tràn.......................................................... 35
2.2.2. Các quá trình phong hóa dầu của dầu tràn ................................................ 39
2.3. Phương pháp rời rạc hoá, chỉ tiêu đánh giá và sơ đồ thuật toán .................... 51
2.3.1 Phương pháp giải số .................................................................................... 51
2.3.2 Phương pháp rời rạc hoá với sơ đồ sai phân hữu hạn ................................ 53
2.3.3. Các sơ đồ cấu trúc thuật toán ..................................................................... 64
2.3.4. Chỉ tiêu đánh giá sai số .............................................................................. 69
2.4. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 72
CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ, PHÂN TÍCH VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ
NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CHO KHU VỰC BIỂN ĐÔNG ..................... 73
3.1. Các bước thực hiện và thông tin dữ liệu phục vụ tính toán ........................... 73
3.1.1 Các bước thực hiện ...................................................................................... 73
3.1.2 Thông tin dữ liệu phục vụ làm đầu vào cho tính toán ................................. 74
iv
3.2. Kết quả nghiên cứu đánh giá kiểm nghiệm xuôi thời gian ............................ 82
3.2.1. Ðánh giá hiệu ứng của sơ đồ sai phân trên luới và kết hợp dưới luới ....... 82
3.2.2. Đánh giá kiểm ngiệm hiệu ứng của các thành phần tham gia ................... 84
3.2.3. Đánh giá kiểm nghiệm hiệu ứng khuếch tán số xuôi thời gian .................. 88
3.3. Kết quả nghiên cứu đánh giá thử nghiệm xuôi thời gian ............................... 92
3.3.1. Đánh giá thử nghiệm điều kiện môi trường đồng nhất xuôi thời gian ....... 92
3.3.2. Đánh giá thử nghiệm điều kiện môi trường trung bình tháng xuôi thời
gian ................................................................................................................. 95
3.3.3. Đánh giá thử nghiệm điều kiện môi trường thực xuôi thời gian ................ 99
3.4. Kết quả nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải ngược thời gian ........... 105
3.4.1. Một số kết quả mô phỏng ngược thời gian trên thế giới .......................... 105
3.4.2. Đánh giá thử nghiệm ngược thời gian trong điều kiện môi trường
đồng nhất ...................................................................................................... 107
3.4.4. Đánh giá thử nghiệm điều kiện môi trường biến đổi thực ngược thời
gian ............................................................................................................... 114
3.4.5. Đánh giá kiểm nghiệm hiệu ứng khuếch tán số ngược thời gian ............. 122
3.5. Đánh giá độ ổn định mô hình xuôi – ngược theo thời gian ......................... 124
3.6. Đánh giá độ ổn định mô hình ngược - xuôi thời gian .................................. 128
3.7. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 131
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 132
Kết luận ............................................................................................................... 132
Kiến nghị............................................................................................................. 132
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.................................................................... 134
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 135
PHỤ LỤC ..................................................................................................... 150
v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
API:
Viện Dầu khí của Hoa Kỳ
(American Petroleum Institute)
NOAA:
Cục Khí tượng và Đại dương Quốc gia của Hoa Kỳ
(National Oceanic and Atmospheric Administration)
ITOPF:
Liên đoàn Ứng phó ô nhiễm trên biển Quốc tế
(International Tanker Owners Pollution Federation Ltd)
ASCE:
Hiệp hội của kỹ sư dân dụng Mỹ
(American Society of Civil Engineers)
CFSR:
Hệ thống dữ liệu khí hậu tái phân tích
(Climate Forecast System Reanalysis)
POM:
Mô hình Đại dương của Trường Đại học Princeton
(Princeton Ocean Model)
SWAN:
Mô hình hình mô phỏng sóng ven bờ
(Simulating WAves Nearshore)
LPTMs:
Mô hình Lagrangian theo dõi quỹ đạo hạt
(Lagrangian Particle-Tracking Models)
BITT:
Quỹ đạo ngược thời gian
(Backward-in-Time-Trajectory)
LCSs:
Cấu trúc nhánh kết hợp Lagrangian
(Lagrangian Coherent Structures)
BP :
Dầu khí của Anh quốc
(British Petroleum)
nnk:
Nhiều người khác
vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Thống kê về một số vụ tràn dầu lớn nhất do hàng hải từ 1970 đến
2015 ........................................................................................................... 5
Bảng 2.1. Đặc trưng mật độ tại 15oC của các loại dầu ............................................. 25
Bảng 2.2. Tổng hợp thông số các đặc trưng về tham số hoá các quá trình động
lực, phong hoá và tính chất dầu ............................................................... 50
Bảng 2.3. Hệ thống các quá trình hoá trong mô hình dầu tràn và vật thể trôi
trên biển ................................................................................................... 71
Bảng 3.1 Thông tin dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán lan truyền và biến đổi
dầu tràn .................................................................................................... 80
Bảng 3.2. Kết quả tính toán theo các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm
tương quan của các trường hợp thành phần tham gia ............................. 85
Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng diện tích của lớp dầu tràn trên mặt biển với các
kịch bản bước lưới khác nhau .................................................................. 89
Bảng 3.4. Kết quả tính toán theo các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm
tương quan của mô phỏng dầu tràn theo thời gian với yếu tố môi
trường chế độ tháng ................................................................................. 96
Bảng 3.5. Kết quả tính toán theo các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm
tương quan của lan truyền dầu với yếu tố môi trường (CFSR và
POM) theo thời gian thực ...................................................................... 100
Bảng 3.6. So sánh đánh giá kết quả lan truyền dầu thải ngược thời gian theo
các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm tương quan ......................... 108
Bảng 3.7. Kết quả tính toán theo các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm
tương quan của lan truyền dầu theo thời gian với yếu tố môi trường
chế độ tháng ........................................................................................... 111
Bảng 3.8. Kết quả tính toán theo các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm
tương quan của lan truyền dầu với yếu tố môi trường (CFSR và
POM) theo thời gian thực ...................................................................... 115
vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Một số hình ảnh tàu bị tai nạn gây sự cố tràn dầu trên thế giới ................. 5
Hình 1.2. Đồ thị phân bố về số vụ tràn dầu trên 7 tấn tại các quốc gia có sự cố
dầu tràn nhiều nhất thế giới giai đoạn 1992-2011 .................................... 6
Hình 1.3. Sơ đồ phân bố tàu hoạt động có phát báo trên Biển Đông và lân cận
giai đoạn 1995-2005 . ................................................................................ 7
Hình 1.4 Sơ đồ phân bố các sự cố tràn dầu khu vực Biển Đông và lân cận giai
đoạn 1976-2005 . ....................................................................................... 7
Hình 1.5. Sơ đồ phân bố mật độ dầu (triệu tấn/năm) vận chuyển qua tuyến
hàng hải khu vực Biển Đông và lân cận năm 2005 . ................................. 7
Hình 1.6. Bản đồ phân bố vệt dầu tràn từ ảnh vệ tinh trên Biển Đông năm
2007 và 2008.............................................................................................. 8
Hình 1.7. Phân bố tiềm năng dầu khí khu vực Biển Đông và lân cận giai đoạn
2006-2007 ............................................................................................... 10
Hình 1.8. Giao diện website quản lý tàu vận tải dầu của Cục Hàng hải Việt
Nam ......................................................................................................... 10
Hình 1.9. Hệ thống giao thông hàng hải quốc tế về vận chuyển dầu trên biển ....... 11
Hình 2.1. Các quá trình vật lý, phong hóa và biến đổi dầu tràn trên biển ............... 21
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của quá trình lan truyền và biến đổi tính chất của
dầu tràn .................................................................................................... 23
Hình 2.3. Sơ đồ mô tả quá trình tác dụng lực làm di chuyển xuôi- ngược theo
thời gian ................................................................................................... 29
Hình 2.4. Sơ đồ mô tả quá trình khuếch tán vật chất xuôi- ngược theo thời gian .... 30
Hình 2.5. Sơ đồ mô tả quá trình bảo toàn vật chất xuôi- ngược theo thời gian ........ 30
Hình 2.6. Sơ đồ các quá trình động lực và phong hoá biến đổi theo thời gian ......... 34
Hình 2.7. Biến đổi của hệ số khuếch tán ngang theo thời gian ................................. 38
Hình 2.8a. Hình ảnh nhũ tương trên biển ................................................................. 39
Hình 2.8b. Biến đổi tỷ lệ của phần dầu bị nhũ tương (Fw) theo thời gian ................ 39
Hình 2.9a. Tỷ lệ bay hơi ở nhiệt độ 15oC cho một số loại dầu khác nhau ............... 40
Hình 2.9b. Biến đổi tỷ phần của bay hơi (Fe) theo thời gian .................................... 40
viii
Hình 2.10a. Dạng dầu phân tán tự nhiên dạng hạt ................................................... 42
Hình 2.10b. Biến đổi tỷ phần của phân tán thẳng đứng (Fd) theo thời gian ............. 42
Hình 2.11a Dạng dầu hoà tan tự nhiên dạng bông ................................................... 44
Hình 2.11b. Biến đổi tỷ phần của hoà tan (Fdisc) theo thời gian ............................... 44
Hình 2.12. Dạng dầu của trầm tích đáy .................................................................... 46
Hình 2.13. Dạng dầu trên bờ và bãi biển ................................................................. 47
Hình 2.14. Dạng Ô-xy hóa dầu ................................................................................ 48
Hình 2.15. Dạng dầu phân hủy sinh học .................................................................. 49
Hình 2.16a. Lưới sơ đồ sai phân khác nhau .............................................................. 53
Hình 2.16b. Sơ đồ phân bố biến trên lưới sai phân theo không gian hai chiều
(x và y) ..................................................................................................... 53
Hình 2.16c. Sơ đồ phân bố lưới sai phân theo không gian hai chiều (x và y) và
thời gian (t) .............................................................................................. 54
Hình 2.17a. Sơ đồ sai phân dưới lưới theo không gian hai chiều ............................. 56
Hình 2.17b. Sơ đồ miền lưới tính theo không gian hai chiều ................................... 56
Hình 2.18. Lưới sơ đồ sai phân theo thời gian .......................................................... 61
Hình 2.19 Sơ đồ khối của chương trình chính tính toán. .......................................... 66
Hình 2.20 Sơ đồ khối của chương trình con tính toán các quá trình động lực,
phong hoá và biến đổi dầu ....................................................................... 67
Hình 2.21 Sơ đồ khối của chương trình con tính toán sai phân bậc 1 với nồng
độ (C) hoặc độ dày lớp dầu (h) ................................................................ 68
Hình 2.22 Sơ đồ khối của chương trình con tính toán sai phân bậc 2 với nồng
độ (C) hoặc độ dày lớp dầu (h) ................................................................ 68
Hình 2.23 Sơ đồ khối của chương trình con tính toán sai phân bậc 1 ...................... 69
Hình 3.1. Sơ đồ các bước kiểm nghiệm, đánh giá và áp dụng .................................. 74
Hình 3.2. Bản đồ khu vực nghiên cứu và địa hình đáy biển hệ cao độ Quốc gia ..... 75
Hình 3.3. Sơ đồ lưới địa hình khu vực nghiên cứu ................................................... 77
Hình 3.4 Trường gió (trái) và dòng chảy bề mặt (phải) trung bình tháng 1 ............ 78
Hình 3.5. So sánh kết quả mô phỏng giữa các sơ đồ sai phân sử dụng trên lưới
nền, kết hợp đến dưới lưới 2-4 và , kết hợp đến dưới lưới 2-8 với thời
gian sau 48 giờ ......................................................................................... 83
ix
Hình 3.6. Đồ thị so sánh biến trình giữa các tỷ lệ về quãng đường di chuyển
(mô hình Euler và phương trình (3.1)) theo thành phần tham gia ........... 84
Hình 3.7. Đồ thị so sánh biến trình nồng độ và độ dày của lớp dầu trên mặt
nước về các thành phần tham gia khác nhau ........................................... 86
Hình 3.8. So sánh kết quả tính toán nồng độ dầu giữa thành phần tham gia
khác nhau sau 3 ngày ............................................................................... 87
Hình 3.9. Đồ thị so sánh biến trình diện tích của lớp dầu trên mặt nước dầu có
nồng độ lớn hơn 1.e-5[kg.m-2] theo thời gian với các quy mô lưới
khác nhau ................................................................................................. 89
Hình 3.10. So sánh kết quả mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu
tràn trên mặt nước với các bước lưới khác nhau (0,02o, 0,04o và
0,06o) sau 05 ngày tính toán .................................................................... 90
Hình 3.11. Đồ thị so sánh biến trình nồng độ và độ dày lớn nhất của lớp dầu
trên mặt xuôi thời gian với các bước lưới khác nhau (0,01o; 0,02o;
0,03o; 0,04o; 0,044o; 0,05o và 0,06o) ........................................................ 91
Hình 3.12. Biến đổi theo thời gian của vị trí nồng độ dầu lớn nhất với điều
kiện môi trường đồng nhất....................................................................... 93
Hình 3.13. Kết quả tính toán mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp
dầu tràn trên mặt nước theo các thời điểm khác nhau ............................. 94
Hình 3.14a. Biến đổi theo thời gian của tỷ lệ quãng đường di chuyển của vị trí
nồng độ dầu lớn nhất giữa mô hình Euler và phương trình (3.1) ............ 97
Hình 3.14b. Trường nồng độ [kg.m-2] vết dầu lan truyền sau 03 ngày tính toán
với yếu tố môi trường trung bình tháng và bước lưới tính đều ............... 97
Hình 3.15a. Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu trên mặt nước
với điều kiện môi trường trung bình tháng 2 ........................................... 98
Hình 3.15b. Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu trên mặt nước
với điều kiện môi trường trung bình tháng 7 ........................................... 98
Hình 3.16. Đồ thị biến đổi tỷ lệ về quãng đường di chuyển của vị trí nồng độ
cực đại của lớp dầu tràn trên mặt giữa mô hình Euler và phương
trình (3.1) theo thời gian với điều kiện môi trường thực (CFSR và
POM) và bước lưới tính đều của sự cố dầu tràn một lần ....................... 100
x
Hình 3.17. Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu tràn trên mặt
nước với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) của sự cố dầu
tràn một lần xảy ra lúc 00giờ ngày 05 tháng 02 năm 2007. .................. 102
Hình 3.18. Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu tràn trên mặt
nước với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) của sự cố dầu
tràn một lần xảy ra lúc 00giờ ngày 05 tháng 07 năm 2008. .................. 103
Hình 3.19. Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu tràn trên mặt
nước với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với sự cố dầu
tràn năm 2007 ........................................................................................ 104
Hình 3.20. Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu tràn trên mặt
nước với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với sự cố dầu
tràn năm 2008 ........................................................................................ 104
Hình 3.21. Kết quả mô phỏng vật thể trôi xuôi - ngược theo thời gian khu vực
Biển Bắc với thời gian tính toán là 60 giờ ............................................ 106
Hình 3.22. Kết quả mô phỏng sinh vật phù du ngược-xuôi theo thời gian vời
thời gian tính toán là 6 ngày ................................................................. 107
Hình 3.23. Biến đổi tỷ lệ quãng đường di chuyển và diện tích dầu ngược thời
gian với điều kiện môi trường đồng nhất với bước lưới tính đều.......... 108
Hình 3.24. Biến đổi tính chất dầu ngược thời gian với điều kiện môi trường
đồng nhất với bước lưới tính đều........................................................... 109
Hình 3.25. Trường nồng độ dầu [kg.m-2] lan truyền ngược thời gian với điều
kiện môi trường đồng nhất với bước lưới tính đều ................................ 110
Hình 3.26. Biến đổi ngược thời gian của tỷ lệ quãng đường di chuyển vị trí
giữa nồng độ dầu lớn nhất của mô hình Euler và phương trình (3.1) ... 112
Hình 3.27. Biến đổi ngược thời gian của nồng độ dầu lớn nhất trong điều kiện
môi trường trung bình tháng .................................................................. 112
Hình 3.28. Trường nồng độ [kg.m-2] vết dầu lan truyền với điều kiện môi
trường trung bình tháng và bước lưới tính đều trước 07 ngày .............. 113
Hình 3.29. Kết quả lan truyền dầu thải ngược thời gian với điệu kiện môi
trường trung bình tháng 2 và dầu tràn năm 2007 .................................. 114
Hình 3.30. Kết quả lan truyền dầu thải ngược thời gian với điệu kiện môi
trường trung bình tháng 7 và dầu tràn năm 2008 .................................. 114
xi
Hình 3.31. Biến đổi các đặc trưng vật lý, phong hoá và tính chất dầu ngược
thời gian với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) và bước
lưới tính đều (dx=dy=0,044o) ................................................................ 117
Hình 3.32. Trường nồng độ [kg.m-2] vết dầu lan truyền ngược thời gian với
điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện sự cố dầu
tràn lúc 00giờ ngày 25 tháng 2 năm 2007 ............................................. 118
Hình 3.33. Trường nồng độ [kg.m-2] vết dầu lan truyền ngược thời gian với
điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện sự cố dầu
tràn lúc 00giờ ngày 25 tháng 7 năm 2008 ............................................. 119
Hình 3.34. Kết quả lan truyền thải dầu ngược thời gian với điều kiện môi
trường thực (CFSR và POM) năm 2007 ................................................ 120
Hình 3.35. Kết quả lan truyền thải dầu ngược thời gian với điều kiện môi
trường thực (CFSR và POM) năm 2008 ................................................ 121
Hình 3.36. So sánh quá trình lan truyền dầu ngược thời gian trước 05 ngày với
điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện sự cố dầu
tràn lúc 00giờ ngày 25 tháng 2 năm 2007 theo các quy mô bước
lưới không gian khác nhau..................................................................... 123
Hình 3.37. So sánh quá trình lan truyền dầu ngược thời gian trước 05 ngày với
điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện sự cố dầu
tràn lúc 00giờ ngày 25 tháng 7 năm 2008 theo các quy mô bước
lưới không gian khác nhau..................................................................... 124
Hình 3.38. So sánh quá trình lan truyền dầu xuôi-ngược thời gian trước 07
ngày với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với sự cố dầu
tràn lúc 00giờ ngày 05/02/2007 ............................................................. 126
Hình 3.39. So sánh quá trình lan truyền dầu xuôi-ngược thời gian trước 07
ngày với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với sự cố dầu
tràn lúc 00giờ ngày 05/07/2008 ............................................................. 127
Hình 3.40. So sánh quá trình lan truyền dầu ngược-xuôi thời gian trước 07
ngày với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện
sự cố dầu tràn lúc 00giờ ngày 25/02/2007 ............................................. 129
Hình 3.41. So sánh quá trình lan truyền dầu ngược-xuôi thời gian trước 07
ngày với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện
sự cố dầu tràn lúc 00giờ ngày 25/07/2008 ............................................. 130
xii
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Kinh tế biển trong đó có ngành dầu khí đã và đang đóng góp quan trọng cho
sự phát triển của đất nước. Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm biển do phát triển kinh tế
nói chung và ô nhiễm dầu trên biển nói riêng đã trở thành một trong những mục tiêu
quan trọng trong khoa học nghiên cứu biển. Trên thế giới sự cố giàn khoan trên vịnh
Mexico năm 2010 của công ty dầu khí Anh quốc BP với ước tính khoảng 185 triệu
gallon dầu tràn ra biển cho đến nay vẫn để lại hậu quả chưa khắc phục hết [149];
Trên Biển Đông, khu vực ảnh hưởng trực tiếp đến Việt Nam trong năm 2007 và
2008, hiện tượng dầu tràn trên biển và trôi dạt vào bờ biển chưa rõ nguồn gốc với
ước tính trên 5000 tấn dầu thu gom ở trên bãi biển đã gây thiệt hại về kinh tế như
nuôi trồng thuỷ hải sản, du lịch biển và các hệ sinh thái biển [16].
Theo lịch sử ghi nhận được trong quá khứ đã xảy ra khoảng trên 50 sự cố dầu
tràn từ năm 1990 đến năm 2015, dầu tràn trôi nổi trên biển có nguồn gốc từ các tai
nạn tàu thuyền, kho chứa, ống dẫn dầu và giàn khoan . Hiện tại, các hoạt động giao
thông hàng hải với các tai nạn gây ra sự cố tràn dầu ra môi trường biển ghi nhận
được vẫn thường xuyên xảy ra [148, 150].
Do thúc đẩy phát triển kinh tế biển , nguy cơ xảy ra sự cố tràn dầu trong tương
lai vẫn tiếp tục tăng lên từ một số nguồn như là:
+ Từ hệ thống các cảng biển ngày càng phát triển tại các khu vực ven biển và
hải đảo ở khu vực Biển Đông và Việt Nam;
+ Từ kho chứa dầu, ống dẫn dầu, giàn khoan và các lỗ khoan thăm dò dưới
đáy biển ngày càng gia tăng với các hoạt động khai thác dầu;
+ Từ các hoạt động vận tải biển trên khu vực Biển Đông với tuyến hàng hải
quốc tế có mật độ hoạt động lớn thứ 2 thế giới sau khu vực Địa Trung Hải.
Từ những thực trạng và nguy cơ tràn dầu nêu trên, tác giả đã lựa chọn đề tài
luận án “Nghiên cứu lan truyền dầu ở Biển Đông phục vụ cảnh báo và tìm kiếm
1
nguồn thải” nhằm góp phần phát triển thêm công cụ phục vụ công tác hỗ trợ bảo vệ
môi trường, phát triển kinh tế - xã hội bền vững khi sự cố tràn dầu xảy ra. Trong
khuôn khổ luận án này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu quá trình lan truyền và biến
đổi khi dầu tràn ra biển phục vụ cảnh báo (dầu sẽ di chuyển đến đâu - quá trình xuôi
thời gian) và khả năng tìm kiếm nguồn thải (dầu lan truyền từ đâu đến – quá trình
ngược thời gian) bằng phương pháp tiếp cận Euler (gọi tắt là mô hình Euler) và ứng
dụng cho khu vực Biển Đông.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu là nghiên cứu lựa chọn được cơ sở khoa học về mô phỏng lan truyền
và biến đổi dầu xuôi - ngược thời gian và khả năng áp dụng cho điều kiện thực.
3. Nội dung nhiệm vụ nghiên cứu
1, Tổng quan tài liệu nghiên cứu;
2, Thu thập số liệu làm cơ sở dữ liệu và cơ sở khoa học;
3, Nghiên cứu các quá trình lan truyền, phong hoá và biến đổi tính chất của dầu;
4, Nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn phát thải dầu gây ô nhiễm;
5, Mô phỏng lan truyền dầu và khả năng tìm kiếm nguồn thải dầu.
4. Phạm vi nghiên cứu
Khu vực Biển Đông với giới hạn không gian địa lý (1-240N; 99-1210E).
5. Phương pháp nghiên cứu
+ Phương pháp phân tích và đánh giá: sử dụng để phân tích tài liệu thu thập và
phân tích tính logic của nghiên cứu.
+ Phương pháp thông tin địa lý GIS: sử dụng để cập nhật và tích hợp các bản
đồ, các thông số khu vực nghiên cứu, ...
+ Phương pháp mô hình số trị: sử dụng để nghiên cứu phát triển mô hình mô
phỏng lan truyền và biến đổi dầu theo không gian và thời gian.
2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: góp phần hoàn thiện phương pháp nghiên cứu về lan
truyền dầu phục vụ cảnh báo và khả năng tìm kiếm nguồn phát thải.
- Ý nghĩa thực tiễn: hỗ trợ công tác ứng phó và ngăn ngừa giảm thiểu ảnh
hưởng ô nhiễm dầu đến biển Việt Nam. Làm cơ sở cho quy hoạch quản lý và sử
dụng hợp lý tài nguyên biển đảo.
7. Các đóng góp mới của luận án
1, Xây dựng mô hình số tính toán lan truyền dầu tràn theo tiếp cận Euler để dự
báo và truy tìm nguồn gốc dầu trên Biển Đông.
2, Hoàn thành được những bước ban đầu giải bài toán ngược thời gian để tìm
nguồn gốc dầu tràn.
8. Bố cục của luận án
Ngoài các phần mở đầu; kết luận và kiến nghị; tài liệu tham khảo; phụ lục, cấu
trúc luận án gồm 03 chương:
Chương 1. Tổng quan về thực trạng sự cố dầu tràn và các nghiên cứu dầu
tràn trên biển.
Trong chương này thực hiện tổng hợp thông tin về hiện trạng và nguy cơ xảy
ra dầu tràn. Tổng quan các công trình nghiên cứu về dầu tràn và khả năng tìm kiếm
nguồn thải dầu để định hướng nghiên cứu ở các phần tiếp theo.
Chương 2. Nghiên cứu quá trình lan truyền dầu và khả năng tìm kiếm
nguồn thải dầu.
Trong chương này thực hiện nghiên cứu xác định cơ sở lý thuyết và phương
pháp giải bài toán lan truyền và khả năng tìm kiếm nguồn thải với các quá trình vật
lý, phong hoá và biến đổi dầu.
Chương 3. Đánh giá, phân tích kết quả nghiên cứu áp dụng cho khu vực
Biển Đông.
Trong chương này thực hiện đánh giá, phân tích kết quả tính toán mô phỏng
lan truyền và khả năng tìm kiếm nguồn thải áp dụng cho khu vực Biển Đông.
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THỰC TRẠNG SỰ CỐ DẦU TRÀN VÀ
CÁC NGHIÊN CỨU DẦU TRÀN TRÊN BIỂN
1.1 Thực trạng sự cố tràn dầu trên biển trên thế giới, khu vực Biển Đông và
biển Việt Nam
1.1.1 Hiện trạng sự cố dầu tràn trên thế giới
Vấn đề ô nhiễm biển nói chung và ô nhiễm dầu trên biển nói riêng đã được
nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đề cập đến.
Thực tế, sự cố tràn dầu đã xảy ra ở hầu hết các vùng biển trên thế giới với mức
độ khác nhau. Ví dụ, một số vụ tràn dầu lớn như: (1) Năm 1991 ở vịnh Ba Tư do
chiến tranh vùng vịnh khi Iraq rút quân khỏi Kuwait làm dầu tràn khoảng 250-366
triệu thùng (gallon), với diện tích dầu loang tương đương với quần đảo Hawaii
(Mỹ); (2) Năm 2010 ở vịnh Mexico, dầu tràn khoảng 185 triệu thùng, do sự cố rò rỉ
từ giếng Madonco thuộc giàn khoan của Công ty BP (Anh quốc); (3) Từ ngày
3/6/1979 đến ngày 23/3/1980 ở vùng vịnh Mexico, dầu tràn khoảng 30000 thùng
dầu/ngày và tổng khoảng 140 triệu thùng do giàn khoan Ixtoc 1 của Mexico bị tai
nạn; (4) Từ ngày 10/2/1983 đến ngày 18/9/1983 ở ngoài khơi biển Iran trên vịnh Ba
Tư, lượng dầu tràn khoảng 80 triệu thùng do chiến tranh giữa Iran và Iraq đã xảy ra
làm vỡ bể chứa và rò rì giàn khoan.
Theo số liệu của ITOPF [148] về sự cố tràn dầu do hàng hải từ năm 1970 đến
nay, ngoài tác động của chiến tranh, số vụ tràn dầu lớn từ 100.000 tấn trở lên ghi
nhận đượccó khoảng 10 vụ (Bảng 1.1). Các hình ảnh về các sự cố tàu thuyền gây ra
tràn dầu được minh hoạ ở Hình 1.1.
Từ năm 1992 đến 2011, ITOPF đã ghi nhận được 452 sự cố tràn dầu từ 7 tấn
trở lên ở 47 quốc gia. Cũng giai đoạn này, Việt Nam đứng thứ 5 thế giới, thứ 4
Châu Á và thứ 3 khu vực (sau Trung Quốc và Singapore) trong các quốc gia có sự
cố dầu tràn nhiều nhất, phân bố về số vụ tràn dầu trên 7 tấn được thể hiện ở Hình
1.2.
4
Bảng 1.1. Thống kê về một số vụ tràn dầu lớn nhất do hàng hải từ 1970 đến 2015 [148]
TT
Tên tàu
Năm
Khu vực sự cố
Khối
lượng
(tấn)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
1
ATLANTIC EMPRESS
1979 Ngoài khơi Tobago, phía tây Ấn Độ
287000
2
ABT SUMMER
1991 Cách bờ biển Angola khoảng 1300km
260000
3
CASTILLO DE BELLVER
1983 Ngoài khơi vịnh Saldanha, Nam Phi
252000
4
AMOCO CADIZ
1978 Ngoài khơi Brittany, Pháp
223000
5
HAVEN
1991 Ngoài khơi Genoa, Italy
144000
6
ODYSSEY
1988
7
TORREY CANYON
1967 Ngoài khơi Scilly Isles, Anh
119000
8
SEA STAR
1972 Ngoài khơi vịnh Oman
115000
9
IRENES SERENADE
1980 Ngoài khơi vịnh Navarino, Hy Lạp
100000
10
URQUIOLA
1976 Ngoài khơi La Coruna, Tây Ban Nha
100000
Cách bờ biển Nova Scotia khoảng
1300km, Canada
Hình 1.1. Một số hình ảnh tàu bị tai nạn gây sự cố tràn dầu trên thế giới [148]
5
132000
Số vụ tràn dầu
Các quốc gia
Hình 1.2. Đồ thị phân bố về số vụ tràn dầu trên 7 tấn tại các quốc gia có sự cố dầu tràn
nhiều nhất thế giới giai đoạn 1992-2011 [148]
1.1.2 Hiện trạng sự cố dầu tràn ở khu vực Biển Đông và biển Việt Nam
Khu vực Biển Đông là khu vực có tuyến đường hàng hải quốc tế đi qua và
cũng là khu vực khai thác dầu khí lớn đang mở rộng phát triển mạnh trên thế giới.
Theo ITOPF (2013) có khoảng 80% dầu của Trung Quốc, 50% dầu của Nhật Bản
và Hàn Quốc được vận tải bằng đường biển qua Biển Đông. Giai đoạn 1992-2011,
Trung Quốc là nước đứng đầu với 23 vụ tràn dầu lớn, Nhật Bản 12 vụ, Hàn Quốc
11 vụ tràn dầu lớn, dẫn đến Châu Á đứng đầu về số lượng các sự cố tràn dầu [148].
Khu vực Biển Đông có mật độ hoạt động giao thông hàng hải lớn (Hình 1.3),
các sự cố tràn dầu xảy ra tại các cảng biển phân bố theo lượng dầu tràn được thể
hiện trên Hình 1.4. Hình 1.5 thể hiện sơ đồ tuyến hàng hải từ eo Mallaca đến Trung
Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc vận chuyển khối lượng dầu lên đến 300-400 triệu
tấn/năm đi qua khu vực Biển Đông và lân cận với các hệ thống cảng của các nước
tham gia như Trung Quốc, Thái Lan, Singapore, Malaixia, Philippin và Việt Nam,
….
6
Tại khu vực Biển Đông và biển Việt Nam, theo số liệu phân tích và thông kê
các sự cố tràn dầu trên biển
được chia thành 2 loại: (1) Sự
cố phát hiện được nguồn gốc là
các hoạt động giao thông vận
tải thủy bị tai nạn gần bờ và
giàn khoan (Phụ lục 1.1); (2)
Sự cố không phát hiện được
nguồn gốc là hiện tượng tràn
dầu xảy ra ngoài biển khơi, trôi
dạt vào bờ (sự cố tràn dầu năm
2007 đến năm 2008 tại các tỉnh
dọc ven biển Việt Nam (Hình
Hình 1.3. Sơ đồ phân bố tàu hoạt động có phát báo
1.6).
trên Biển Đông và lân cận giai đoạn 1995-2005 [5].
Hình 1.4 Sơ đồ phân bố các sự cố tràn dầu
Hình 1.5. Sơ đồ phân bố mật độ dầu (triệu
khu vực Biển Đông và lân cận giai đoạn
tấn/năm) vận chuyển qua tuyến hàng hải khu
1976-2005 [148].
vực Biển Đông và lân cận năm 2005 [148].
7
a. Năm 2007 [22]
b. Năm 2008 [23]
Hình 1.6. Bản đồ phân bố vệt dầu tràn từ ảnh vệ tinh trên Biển Đông năm 2007 và 2008
8
1.1.3 Nguy cơ xảy ra sự cố dầu tràn ở khu vực biển Việt Nam và Biển Đông
A. Thăm dò và khai thác dầu khí trên biển khu vực Biển Đông
Khu vực Biển Đông là một trong năm bồn trũng chứa dầu khí lớn nhất thế giới
với tiềm năng của những bồn trũng như Bruney-Saba (Bruney), Sarawak (Indonesia), Malay (Malaxia), Pattani Thái (Thái Lan), Nam Côn Sơn (Việt Nam), MêCông (Việt Nam), Sông Hồng (Việt Nam), cửa sông Châu Giang (Trung Quốc) [3].
Hiện nay, các bồn trũng này đều được thăm dò và khai thác dầu khí bởi các quốc
gia liên quan, trong đó Indonesia là thành viên của OPEC. Theo cơ quan Thông tin
Năng lượng của Mỹ ước tinh trữ lượng dầu thô và hoá lỏng tiềm năng ở khu vực
Biển Đông theo các quốc gia khoảng 1,5 tỷ thùng (Bruney), 0,3 tỷ thùng (Indonesia), 5,0 tỷ thùng (Malaxia), 3,0 tỷ thùng (Việt Nam), 0,2 tỷ thùng (Philippin), 1,3 tỷ
thùng (Trung Quốc) [147]. Theo đánh giá của Trung Quốc, trữ lượng dầu thô khu
vực Biển Đông khoảng 213 tỷ thùng, trong đó khu vực Trường Sa và Hoàng Sa
khoảng 105 tỷ thùng [154]. Theo đáng giá ước lượng của Việt Nam, dầu khí từ các
bồn trũng khoảng là 550-700 triệu m3 (Sông Hồng), 300-700 triệu m3 (Phú Khánh),
700-800 triệu m3 (Cửu Long), 650-750 triệu m3 (Nam Côn Sơn), 250-300 triệu m3
(Malay – Thổ Chu) và 1000-1500 triệu m3 (Vũng Mây) [9].
Trong giai đoạn 2006 – 2007, phân bố tiềm năng dầu - khí của khu vực Biển
Đông và lân cận được đánh giá và xây dựng thành bản đồ Hình 1.7 thể hiện phân bố
về tiềm năng dầu khí trong không gian đã được chia theo lô và màu theo quản lý sở
hữu của các quốc gia đang khai thác hoặc đã được thăm dò.
Theo số liệu thống kê trong quá khứ về dầu tràn trên biển Việt Nam đã ghi
nhận được các trường hợp liên quan đến thăm dò và khai thác dầu khí vào ngày
26/12/1992 với 300-700 tấn dầu FO (mỏ Bạch Hổ) và ngày 08/02/1995 với 15,37
m3 dầu FO (mỏ Đại Hùng) với cùng lý do vỡ ống dẫn dầu và không được thu gom.
Đối với các quốc gia khác trong khu vực Biển Đông chưa thu thập được thông tin.
Công nghiệp thăm dò và khai thác dầu khí ngày càng phát triển thì nguy cơ
khả năng xảy ra sự cố dầu tràn gây ô nhiễm trên biển cũng gia tăng cao hơn.
9
B. Hoạt động hàng hải trong khu vực Biển Đông
Hệ thống tuyến hàng hải nói chung và vận chuyển dầu nói riêng qua khu vực
Biển Đông thuộc loại lớn thứ 2 thế giới. Hệ thống vận tải dầu giữa các cảng trong
khu vực và từ khu vực Trung Đông sang Đông Á qua eo biển Singapor ở phía nam
và eo biển Đâì Loan – Basi ở phía bắc, lượng dầu lưu thông khoảng trên 300 triệu
tấn/năm (Hình 1.5 và Hình 1.9) thuộc loại lớn nhất thế giới. Lịch sử đã ghi nhận
được rất nhiều vụ tai nạn gây tràn dầu trong giai đoạn 1976 đến 2005 với lượng từ 7
đến 700tấn (141 vụ tràn dầu) và trên 700 tấn (56 vụ tràn dầu) [148].
Hình 1.7. Phân bố tiềm năng dầu khí khu vực
Hình 1.8. Giao diện website quản lý tàu vận
Biển Đông và lân cận giai đoạn 2006-2007 [102]
tải dầu của Cục Hàng hải Việt Nam [152]
Cục hàng hải Việt Nam đang quản lý trên 100 tàu vận tải dầu lớn nhỏ khác
nhau (Hình 1.8). Theo số liệu thống kê của Cục Hàng hải Việt Nam, hàng năm đều
có hàng chục vụ tai nạn xảy ra trên biển với lý do đâm va giữa tàu và tàu, giữa tàu
và cầu cảng (Phụ lục 1). Năm 2017 từ tháng 3 đến tháng 11 đã có trên 30 vụ tai nạn
đâm va và chìm tàu trên biến, các tàu này đều có một lượng dầu dự trữ nhất định để
duy trì hoạt động trên hành trình nên dầu tràn ra biển là không tránh được [152].
Theo số liệu thống kê của ITOPF về hiện trạng sự cố dầu tràn xảy ra trên biển
giai đoạn 1992-2011 có 13 quốc gia có số vụ dầu tràn trên 7 tấn lớn nhất thế giới,
10
trong đó có 06 quốc gia thuộc Biển Đông và vận tải dầu lớn qua Biển Đông [148].
Cũng theo số liệu thống kê trong nước giai đoạn 1992 đến 2015, số vụ dầu tràn là
trên 50 vụ và đặc biệt là vụ dầu tràn trên biển không rõ nguồn gốc di chuyền vào
vùng biển và bờ biển nước ta năm 2007-2008 [16].
Nguy cơ xảy ra sự cố tràn dầu trên thế giới nói chung và khu vực Biển Đông
nói riêng do các nguyên nhân khác nhau (thăm dò và khai thác dầu khí, hoạt động
giao thông hàng hải) là rất lớn và có ảnh hưởng trực tiếp đến nước ta.
Vậy, từ hiện trạng đến nguy cơ xảy ra sự cố dầu tràn trong tương lai đã làm
vấn đề nghiên cứu về lan truyền dầu và tìm kiếm nguồn phát thải trở nên cần thiết
và cấp bách. Vấn đề này được đặt ra nhằm mục đích tạo ra công cụ tư vấn và hỗ trợ
công tác ứng phó tràn dầu trong tương lai. Nhiều công trình nghiên cứu được công
bố và các hội nghị về ứng phó sự cố tràn dầu diễn ra hàng năm trên khắp thế giới ở
các nước có liên quan đến dầu.
Hình 1.9. Hệ thống giao thông hàng hải quốc tế về vận chuyển dầu trên biển [143]
1.2. Tình hình nghiên cứu mô phỏng về dầu tràn trên biển
Theo tài liệu của Nguyễn Đình Dương [3] đã tổng hợp các hướng nghiên cứu
chính về dầu tràn, bao gồm:
(1) Phân tích thành phần hoá lý của dầu;
11
