Mô phỏng quá trình lan truyền vật chất ô nhiễm dưới tác động của các yếu tố động lực tại Vịnh Cam Ranh bằng mô hình số

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

Phan Thành Bắc

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012


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

Phan Thành Bắc

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

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

Hà Nội - 2012


LỜI CẢM ƠN

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

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. MƠ HÌNH SỐ TRỊ ............................................................................4
1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU.....................................................4
1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới ...........................................4
1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước .............................................6
1.2 MIKE 21 HD .....................................................................................................8
1.2.1 Cơ sở tốn học ...........................................................................................8
1.2.2 Phương pháp số .......................................................................................12
1.3 MƠĐUN ECOLAB .........................................................................................16
1.3.1 Cơ sở lý thuyết..........................................................................................16
1.3.2 Ơxy hịa tan (DO) và nhu cầu ơxy 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 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN ...................................................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 ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - XÃ HỘI ....................................................................30
2.3 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG VỊNH CAM RANH .....................................31
2.3.1 Các nguồn thải .........................................................................................31
2.3.2 Chất lượng nước vịnh Cam Ranh ............................................................32


CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ...........................................33

3.1 THIẾT LẬP CÁC THƠNG TIN ĐẦU VÀO CHO MƠ HÌNH .......................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 HIỆU CHỈNH MƠ HÌNH ................................................................................41
3.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ TÍNH TỐN .................................................................44
3.3.1 Kết quả tính tốn cho mùa khơ ................................................................44
3.3.2 Kết quả tính tốn cho mùa mưa ...............................................................73
3.4 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ Ô NHIỄM ..........................105
KẾT LUẬN .........................................................................................................123
KIẾN NGHỊ ........................................................................................................124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................125


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

Mơ ̣t trong những nguyên nhân gây ô nhi

ễm đầm là nhà máy đường Cam

Ranh. Trong quá triǹ h vâ ̣n hành nhà máy , khố i nước thải từ nhà máy sau khi đươ ̣c
xử lí sẽ đổ ra đầm qua các cống xả thải . Các kết quả từ phân tích các mẫu nước tại
vị trí cống xả thải và khu vực xung quanh nhà máy đã ghi nhận được sự vượt
ngưỡng của các thông số môi trường xung quanh khu vực này .
Khi khố i nước thải đươ ̣c xả ra đầ m , quá trình thuỷ động lực (dịng chảy, gió,
q trình xáo trộn ,…) làm khuếch tán các chất đồng thời mang khối nước thải này
lên phiá bắ c hay xuố ng phiá nam theo dòng chảy khi triề u lên và t

riề u xuố ng . Vì

vâ ̣y, các quá trình động lực ở khu vực này đóng vai trị quan trọng trong việc phân
bớ , truyề n tải , pha loañ g, và làm sạch vùng đầm thuỷ triều .
Mô ̣t trong nhưng cách tiế p câ ̣n để nghiên cứu sự ảnh hưởng của k

hố i nước

thải từ nhà máy đường là sử dụng các mơ hình tính tốn để có thể tính tốn và mơ
phỏng các q trình vật lý (dịng chảy) và các mơ hình sinh hố diễn ra trong khu
1


vực đầ m có sự tác đô ̣ng của khố i nước thải . Các kết quả tính tốn từ mơ hình kết
hơ ̣p với sớ liê ̣u khảo sát có thể mô phỏng mô ̣t cách liên tu ̣c về các quá trin
̀ h đô ̣ng
lực và quá trình truyề n tải vâ ̣t chấ t cũng như mô phỏng các kich
̣ bản khác nhau

trong những điề u k iê ̣n đô ̣ng lực khác nhau và điề u kiê ̣n xả thải khác nhau . Viê ̣c mô
phỏng các kịch bản ô nhiễm khác nhau giúp các nhà quản lý phản ứng

linh hoa ̣t

hơn, hiê ̣u quả hơn và cũng ít tốn kém hơn . Từ đó đưa ra đươ ̣c những kế hoa ̣ch ,
chiế n lươ ̣c để quy hoa ̣ch , khai thác mô ̣t cách hiê ̣u quả tài nguyên khu vực đầ m cũng
như viê ̣c kiể m soát và điề u tiế t các nguồ n thải hơ ̣p lý hơn.
Nhận thức được mức độ cấp thiết của vấn đề môi trường vịnh Cam Ranh,
học viên lựa chọn hướng nghiên cứu với đề tài: “Mơ phỏng q trình lan truyền
vật chất ơ nhiễm dưới tác động của các yếu tố động lực tại vịnh Cam Ranh bằng
mơ hình số” để có thể mơ phỏng một số vật chất có khả năng ảnh hưởng đến chất
lượng mơi trường. Có nhiều kỹ thuật đánh giá mức độ ô nhiễm nước 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 mô ̣t số chỉ số đang đươ ̣c công nhâ ̣n như
nhiễm dinh dưỡ ng (NPI) dựa vào các thông số NH

: Chỉ số ô

+
4

, NO3-, NO2-, tổ ng P , pH,

chlorophyll, đô ̣ dẫn điê ̣n và đô ̣ đu ̣c . Chỉ số ô nhiễm hữu cơ (OPI) dựa vào các thông
số BOD, COD, nhiê ̣t đô ̣ và DO . Với nguồn số liệu có được từ một số đề tài được
thực hiện tại Viện Hải dương học như đề tài cấp Cơ sở phịng Vật lý biển, phịng
Thủy địa hóa, đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ, Các Dự án hợp tác quốc tế,
tác giả sử dụng gói phần mềm MIKE 21 HD, ECO Lab để mô phỏng q trình lan
truyền một số vật chất có thể gây ô nhiễm từ các nguồn thải của khu công nghiệp,

nuôi trồng thủy sản và khu dân cư trong 2 mùa: mùa mưa và mùa khô. Trong khuôn
khổ của luận văn, mục tiêu của học viên là có thể tính tốn, mơ phỏng, đưa ra được
bức tranh về q trình động lực và q trình truyền tải các vật chất gờ m BOD, DO,
NO3-, PO4+, NH3+. Mô ̣t kich
̣ bản mô phỏng sự lan truyề n các vâ ̣t chấ t ô nhiễm với
giả thiết có sự gia tăng cực đại nồ ng đô ̣ các chấ t gây ô nhiễm t ừ số liệu thực đo tại
cống xả thải và cơng suất tính tại thời điểm khảo sát từ các nguồn thải của khu công
nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư để có thể đánh giá mức đô ̣ lan truyề n và
ảnh hưởng của các vật chất này tới chất lượng nước các bãi tắm khu vực Cam Ranh .
2


Các kết quả nghiên cứu trong luâ ̣n văn góp phầ n bổ sung thêm các thông
tin khoa ho ̣c về những nghiên cứu , đánh giá vai trò và sự tác đô ̣ng của các t ừ các
nguồn thải của khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư tác động ngược
lại đối với các khu vực nuôi trồng thủy sản, du lịch sinh thái và các bãi tắm.

3


CHƯƠNG 1. MƠ HÌNH SỐ TRỊ
1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
Sử dụng các mơ hình số để tính tốn, mơ phỏng, đánh giá chất lượng môi
trường nước khu vực gần bờ, khu bãi tắm, khu nuôi trồng thủy sản đã được thực
hiện rất phổ biến trên thế giới. Tùy thuộc vào đối tượng và mục đích nghiên cứu,
việc áp dụng các loại mơ hình tính tốn cũng khác nhau. Có thể liệt kê một số mơ
hình thường được áp dụng để đánh giá chất lượng nước trên thế giới.
Mơ hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mơ
hình được xây dựng dựa trên mơ hình trước đó (WASP – được xây dựng bởi Di

Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 1988). Mơ hình này được
sử dụng để mơ tả và dự báo chất lượng nước giúp các nhà quản lý đưa ra những
quyết định, giải pháp đối phó với các hiện tượng ô nhiễm do tự nhiên và con người.
Mơ hình này cho phép người sử dụng áp dụng trong khơng gian 1D nhưng cũng có
thể mơ phỏng tựa 2D và 3D bằng cách chia hộp với đa dạng thành phần chất ơ
nhiễm. Mơ hình WASP cũng có thể liên kết với các mơ hình thủy động lực và vận
chuyển trầm tích để thu được trường dịng chảy, nhiệt độ, độ muối và các thơng
lượng trầm tích. Mơ hình WASP đã được sử dụng để mơ phỏng q trình yếm khí
trong vịnh Tampa; Cung ứng Photpho cho hồ Okeechobee; Q trình yếm khí tại
cửa sơng Neuse River; Ơ nhiễm vật chất hữu cơ dễ phân hủy tại cửa sông Delaware,
ô nhiễm kim loại nặng tại sông Deep, bắc Carolina.
Mơ hình AQUATOX là mơ hình mơ phỏng hệ sinh thái thủy sinh. Mơ
hình có thể dự báo q trình suy tàn do nhiều loại chất gây nhiễm môi trường như
dinh dưỡng, hóa học hữu cơ, và ảnh hưởng của chúng lên các hệ sinh thái, bao gồm
các loài cá, động vật khơng xương sống và các lồi thực vật thủy sinh. AQUATOX
là công cụ hữu hiệu cho các nhà mơi trường học, sinh học, những nhà mơ hình hóa
chất lượng nước và bất kỳ ai cần quan tâm tới việc đánh giá rủi ro và suy giảm các
hệ sinh thái thủy sinh.

4


Mơ hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model)
được nâng cấp từ mơ hình trước đó là QUAL2E (hay Q2E (Brown và Barnwell
1987)). Đây là mơ hình mơ phỏng chất lượng nước suối và sơng một chiều có sự
tham gia của quá trình xáo trộn rối và bên. Một đặc điểm linh hoạt của mơ hình này
là có thể chạy được trong môi trường Visual basic hoặc trong mơi trường Excel. Mơ
hình có những đặc điểm sau: có thể tính tốn trên từng phân đoạn của sơng và các
nhánh sơng. Mơ hình tính tốn chu trình Nitơ. Thơng qua các chu trình chuyển hóa
nitơ để biểu diễn các hợp chất cacbon (loại ơxy hóa nhanh và chậm), các loại

cacbon hữu cơ không sống (các phân tử cacbon, nitơ, phơtpho trong các hợp chất
hóa học). Các q trình thiếu hụt ôxy gần tới giá trị không do các quá trình ơxy hóa,
trong đó q trình khử nitơ như là bước tương tác đầu tiên. Tính tốn thơng lượng
trao đổi ơxy hịa tan và các dinh dưỡng giữa trầm tích và nước.
DELFT 3D của Viện nghiên cứu thuỷ lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa
mơ hình thuỷ lực 3 chiều với mơ hình chất lượng nước. Ưu điểm của mơ hình này là
việc kết hợp giữa các module tính tốn phức tạp để đưa ra những kết quả tính mơ
phỏng cho nhiều chất và nhiều q 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 mơ hình thuỷ lực 1, 2 chiều với mơ hình chất lượng
nước, trong đó module RMA4 là mơ hình số trị vận chuyển các yếu tố chất lượng
nước phân bố đồng nhất theo độ sâu. Nó có thể tính tốn sự tập trung của 6 thành
phần bảo tồn hoặc khơng bảo tồn được tính tốn theo lưới 1 chiều hoặc 2 chiều.
ECOHAM (phiên bản 1 và 2) là mơ hình số 3D kết hợp giữa module thủy
lực với module sinh thái được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Trường đại học
Hamburg (Đức). Mơ hình chủ yếu tính tốn dựa trên chu trình của các hợp phần của
Nitơ và Photpho trong đó có tính đến cả thực vật và động vật phù du trong nước
biển.
ECOSMO (ECOSystem MOdel) là mơ hình cặp ba chiều thủy động lực –
băng biển – sinh địa hóa. Mơ hình được phát triển dựa trên mơ hình thủy động lực
HAMSOM (HAMburg shelf Ocean Model) đã được liên kết mô đun động lực nhiệt động lực biển - băng (Schrum và Backhaus, 1999) và môđun sinh học
5


(Schrum, 2006). Mơđun sinh học NPZD dựa trên q trình chuyển đổi giữa mức
đầu tiên và thứ hai trong chuỗi thức ăn và được điểu khiển bởi các thông lượng
Nitơ, Photpho và Silic. Điều quan trọng trong tính tốn mơ hình này là thống nhất
được giới hạn các chu trình dinh dưỡng vĩ mô và động vật phù du như là mơ hình
chuẩn đốn biến đổi cho các tương tác phi tuyến trong hệ sinh thái của các mức thứ
nhất và thứ hai trong chuỗi thức ăn. Thêm vào đó, mơ hình cịn tính tốn sự biến đổi

các mảnh vụn và ơxy để có thể đánh giá được lượng cịn lại và các q trình ơxy
hóa. Các tính tốn về sinh khối sơ cấp và thứ cấp. Mơ hình ECOSMO đã được áp
dụng một cách thành công trong việc mô tả khu vực có động lực dinh dưỡng yếu
khu vực Biển Bắc.
BASINS của EPA nhằm trợ giúp đánh giá kiểm tra hệ thống dữ liệu thông
tin môi trường, giúp các hệ thống phân tích mơi trường và phân tích các phương án
quản lý. Một điểm nổi bật của BASINS là đã đưa vào cách tiếp cận mới dựa trên
nền tảng lưu vực sơng, 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: Mơ phỏng các điều kiện của
lưu vực và đánh giá hiện trạng chất lượng nước; Mô phỏng các tác động của việc
thay đổi sử dụng đất có tính đến cân bằng nước, mô phỏng các kịch bản nguồn ô
nhiễm điểm và diện, xây dựng và phát triển cách quản lý của cả lưu vực. Các nhóm
tham số của mơ hình bao gồm: Các hợp chất dinh dưỡng của Nitơ và Photpho, DO,
BOD, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật, bùn.
Bộ phần mềm MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) phát triển và
được thương mại hoá. Một đặc điểm mạnh của MIKE rất dễ sử dụng với các giao
diện Windows, kết hợp chặt chẽ với GIS (hệ thống thông tin địa lý). MIKE tích hợp
các module thuỷ lực (HD) và chất lượng nước (ECO Lab), bao gồm: thuỷ lực,
truyền tải - khuếch tán chất lượng nước. MIKE là một mơ 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 nước ta, trong những năm gần đây, hướng nghiên cứu, xây dựng và sử
dụng mô hình trong nghiên cứu thủy động lực – mơi trường đang rất được quan
tâm. Trong đó những nghiên cứu, điều tra, tính tốn ơ nhiễm mơi trường các vũng
6


vịnh và khu vực ven biển - khu vực tập trung chủ yếu các hoạt động kinh tế của con
người đã, đang được tiến hành. Chương trình hợp tác với Cơ quan hợp tác Quốc tế
Nhật Bản - JICA (1995 – 1998) của Viện Tài nguyên và Môi trường biển – Viện

Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã bước đầu sử dụng phương pháp tính dịng 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, phương pháp nghiên cứu này cịn được sử
dụng tính tốn mức độ dinh dưỡng của hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (Thừa
Thiên Huế). Tuy nhiên, phương pháp này chưa tính tốn đến q trình khuếch tán
vật chất trong khơng gian và chỉ giới hạn tại một số điểm nhất định.
Hoàng Dương Tùng (2004), trong phạm vi luận án tiến sĩ, đã sử dụng phần
mềm DELFT 3D - WAQ đánh giá khả năng chịu tải ơ 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- theo không gian 2 chiều và thời gian.
Trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ Thủy sản, Trần Lưu Khanh và các cộng sự
cũng đã tiến hành nghiên cứu sức chịu tải và khả năng tự làm sạch tại khu vực nuôi
cá lồng bè ở Phất Cờ (Quảng Ninh) và Tùng Gấu (Hải Phòng) dựa trên quá trình
chuyển hóa các hợp chất dinh dưỡng, hữu cơ cũng như chế độ thủy động lực tại
thủy vực nghiên cứu.
Trong một số nghiên cứu thuộc chương trình cấp Nhà nước và cấp Bộ, các
đề tài đã triển khai theo hướng: đánh giá nguồn thải (như ô nhiễm biển do sông tải
ra, thuộc đề tài KT.03.07 - 1996), đánh giá tổn thất môi trường do các hoạt động
kinh tế gây ra với vùng ven biển... Tuy nhiên, những nghiên cứu này chưa thể hiện
được mức độ chi tiết cao trong thủy vực nhỏ và số các biến mơi trường cịn hạn chế,
đồng thời cịn mang tính chất vĩ mơ cho khu vực nghiên cứu.
Tại khu vực vịnh Cam Ranh,tuy đã có một số cơng trình nghiên cứu về
mơi trường của các đề tài cấp nhà nước và cấp tỉnh do GS-TS. Mai Trọng Nhuận
(2008), Phạm Văn Thơm (2005,2008) đã đánh giá sơ bộ về vịnh chính hoặc hiện
trạng tại khu vực khảo sát. Gần đây nhất việc nghiên cứu liên quan tới sự truyền tải
7

các vật chất từ các cửa sơng, các q trình tự làm sạch môi trường do PGS-TS. Bùi
Hồng Long, ThS. Nguyễn Hữu Huân (2011) đã sử dụng phương pháp mô hình hóa
q trình sinh học để nghiên cứu q trình tự làm sạch của môi trường biển khu vực
vịnh Cam Ranh với nguồn thải là các nhà máy và các khu cơng nghiệp. Đề tài sử
dụng mơ hình ECOSMO để tính tốn, mơ phỏng q trình lan truyền một số thành
phần vật chất gây ơ nhiễm, các q trình sinh hóa từ đó có những đánh giá về q
trình tự làm sạch vịnh. Bên cạnh đó cịn có các cơng trình nghiên cứu về mơi trường
khu vực này nhưng thường tập trung phân tích hiện trạng mơi trường và chưa có
nhiều kết quả nghiên cứu dựa trên các mơ hình số trị để có thể mơ phỏng q trình
lan truyền các vật chất gây ô nhiễm vịnh từ các cửa sơng dựa trên mối liên hệ với
q trình động lực. Ngồi ra, do các yếu tố bảo đảm về bí mật của căn cứ quân sự
Cam Ranh nên trước 2008 chưa có đề tài nào nghiên cứu qui mơ tồn vịnh Cam
Ranh. Phần lớn các nghiên cứu đều tập trung đánh giá phần phía nam vịnh Cam
Ranh (là phần vịnh lớn) mà chưa đánh giá được phần đầm Thủy Triều ở phía bắc
vịnh Cam Ranh. “Theo quan điểm khoa học, khi nghiên cứu tài nguyên sinh vật, cụ
thể nghiên cứu các hệ sinh thái và nguồn lợi của vịnh Cam Ranh không nên và
không thể tách rời đầm Thủy Triều…” (GS.TS Mai Trọng Nhuận- 2008). Theo bản
đồ qui hoạch của tỉnh Khánh Hịa định hướng đến năm 2020 thì đầm Thủy Triều
ngày càng đóng vai trị quan trọng đến chất lượng mơi trường nước tồn vịnh Cam
Ranh. Vì thế, tính tốn lan truyền vật chất ơ nhiễm vịnh Cam Ranh dựa trên công cụ
phần mềm MIKE là một hướng nghiên cứu mới mà học viên lựa chọn.

1.2 MIKE 21 HD
1.2.1 Cơ sở tốn học
Mơ hình MIKE 21 HD là gói công cụ trong bộ phần mềm DHI được xây
dựng bởi Viện Thủy Lực Hà Lan, đây là mơ hình tính tốn dịng chảy hai chiều
trong một lớp chất lỏng đồng nhất theo phương thẳng đứng.
Các phương trình nước nơng
Các phương trình động lượng và liên tục tích phân trên tồn bộ cột nước h
= η+d trong các phương trình nước nông được viết lại như sau:

8


(1.1)

(1.2)

(1.3)

trong đó t là thời gian; x, y là tọa độ Đề Các; η là mực nước bề mặt; d là độ sâu của
nước tĩnh; h = η + d là độ sâu nước tổng cộng; u, v là các thành phần vận tốc theo
phương x và y; f = 2Ωsinθ là tham số Coriolis (Ω là vận tốc góc của Trái đất, θ là vĩ
độ địa lý);

tương ứng là các thành phần ứng suất theo phương

x và y tại mặt và tại đáy; g là gia tốc trọng trường;
là các thành phần tenxơ ứng suất bức xạ;
đứng;

là áp suất khí quyển;

là mật độ nước;

,

,

và

là nhớt rối theo phương thẳng

là mật độ quy ước của nước; S là cường độ lưu

lượng cung cấp cho các điểm nguồn và (

) là vận tốc tại đó nước được đổ ra

mơi trường xung quanh.
Biến số có đường gạch ngang biểu thị giá trị trung bình theo độ sâu. Ví dụ,
và

là các thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu được xác định bởi:

9


(1.4)
Thành phần ứng suất bên Tij (i,j = x,y) bao gồm cả ma sát nhớt, ma sát rối và
chênh lệch bình lưu. Chúng được xác định bằng sử dụng cơng thức nhớt rối dựa trên
những biến đổi vận tốc trung bình theo độ sâu
(1.5)

Phương trình truyền tải nhiệt độ và độ muối
Các phương trình truyền tải nhiệt - muối tích phân trên tồn bộ cột nước
được viết dưới dạng:

(1.6)

(1.7)
trong đó,

và

tương ứng là nhiệt độ và độ muối trung bình theo độ sâu, FT và Fs

tương ứng là các hệ số khuếch tán ngang nhiệt độ và độ muối,

là nhóm nguồn

liên qua tới q trình trao đổi nhiệt với khí quyển.
Phương trình truyền tải cho đại lượng vơ hướng (scalar quantity)
Các phương trình truyền tải đại lượng vơ hướng tích phân theo độ sâu có
dạng:
(1.8)
với

là trung bình theo độ sâu của đại lượng vơ hướng, FC là nhóm khuếch tán theo

phương ngang của đại lượng vô hướng, kp là tốc độ suy giảm tuyến tính của đại
lượng vơ hướng, Cs là nộng độ của đại lượng vô hướng tại điểm nguồn.
Ứng suất đáy
Ứng suất đáy,

được xác định từ định luật ma sát bậc hai

10

(1.9)
trong đó, cf là hệ số ma sát đáy và

là tốc độ dòng chảy trên bề mặt

đáy. Vận tốc ma sát liên hệ với ứng suất đáy thông qua công thức:
(1.10)
Trong tính tốn hai chiều

là vận tốc trung bình theo độ sâu và hệ số ma

sát đáy có thể được xác định từ hệ số Chezy, C, hoặc hệ số Manning, M
(1.11)

(1.12)
Ứng suất mặt
Ứng suất bề mặt

được xác định thông qua gió bề mặt. Ứng

suất mặt được tính tốn dựa trên cơng thức thực nghiệm:
(1.13)
với

là mật độ khơng khí, cd là hệ số cản gió,

là tốc độ gió ở độ

cao 10m trên bề mặt biển. Vận tốc ma sát liên hệ với ứng suất bề mặt được cho bởi
công thức:

(1.14)

Hệ số cản cũng có thể là những giá trị khơng đổi hoặc phụ thuộc vào tốc
độ gió. Cơng thức bán thực nghiệm được đề xuất bởi Wu (1980, 1984) để xác định
giá trị của hệ số cản:
(1.15)

11


trong đó, ca, cb, wa và wb là các hệ số thực nghiệm và w10 là tốc độ gió tại độ cao
10m trên mực nước 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
tương đối tốt khi áp dụng cho vùng biển khơi.
1.2.2 Phương pháp số
a. Rời rạc hóa miền khơng gian
Miền tính được rời rạc hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Theo
phương pháp này, miền tính tốn được chia nhỏ thành các phần tử liên tục không
chồng nhau. Trong không gian hai chiều, vùng tính tốn có thể được rời rạc hóa
thành từng phần tử dạng đa giác, tứ giác hoặc tam giác.
Các phương trình nước nơng
Dạng tổng qt của hệ các phương trình nước nơng có thể được viết dưới
dạng:
(1.16)
với U là các biến bảo tồn, F là hàm véctơ thơng lượng và S là véctơ của các nhóm
nguồn.
Trong tọa độ Đề-các, hệ các phương trình nước nơng được viết dưới dạng
(1.17)
trong đó, các chỉ số I và V tương ứng là các thông lượng không nhớt (đối lưu) và
thông lượng nhớt, và

’

,

(1.18)

12


,

Tích phân phương trình 1.16 trên tồn bộ phần tử thứ i và sử dụng định lý
Gauss để viết lại tích phân thơng lượng như dưới đây
(1.19)

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 hướng ra ngồi biên. Các tích phân được tính bằng phương pháp cầu phương đơn
điểm, điểm cầu phương là điểm trọng tâm của phần tử, và tích phân biên được tính
dựa trên phép cầu phương tâm điểm, khi đó phương trình 1.19 được viết lại,
(1.20)

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

giải của Jawahar và Kamath, 2000.
13


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

(
(1.21)

a. Tích phân theo thời gian
Các phương trình dạng tổng qt được viết:
(
(1.22)
Trong mơ phỏng 2D, có hai phương pháp giải cho tích phân theo thời gian
đối với hệ phương trình nước nơng và phương trình truyền tải: Phương pháp bậc
thấp và phương pháp bậc cao. Phương pháp bậc thấp là phương pháp Euler hiện bậc
một
(1.23)
với

là bước thời gian. Phương pháp bậc cao hơn là sử dụng phương pháp Runge

Kutta bậc hai có dạng
(1.24)

b. Các điều kiện biên

Biên kín
Dọc theo các biên kín (biên đất liền), thơng lượng trao đổi qua các biên
này thường được áp đặt là giá trị 0 cho tất cả các biên. Đối với các phương trình
động lượng điều này hướng đến điều kiện biên trượt hoàn toàn dọc theo biên đất.
14


Biên mở
Các điều kiện biên mở có thể được đưa vào theo các dạng là lưu lượng
hoặc dao động mực nước mặt cho các phương trình thủy động lực. Với các phương
trình truyền tải, điều kiện biên có thể là các giá trị xác định hoặc giá trị gradient.
Điều kiện khô và ướt
Các giải pháp xử lý các vấn đề về biên di động (front khô và ướt) dựa trên
các nghiên cứu của Zhao và cộng sự (1994) và Sleigh và cộng sự (1998). Khi các
trường độ sâu nhỏ, vấn đề xảy ra là các phần tử được loại bỏ từ việc tính tốn. Cơng
thức tính tốn được xây dựng lại bởi sự giảm thông lượng động lượng tới giá trị
khơng và chỉ tính tốn tới thơng lượng khối lượng.
Độ sâu của mỗi phần tử biến đổi và các phần tử được sắp xếp thành các
loại khô, bán khô, ướt. Khi đó bề mặt các phần tử được kiểm tra để xác định các
điều kiện biên ướt.
Bề mặt của một phần tử được xác định là ngập nếu thỏa mãn hai tiêu
chuẩn: thứ nhất, độ sâu nước tại một cạnh của bề mặt phải nhỏ hơn độ sâu tới hạn
khô hdry, và độ sâu nước ở cạnh khác của bề mặt lớn hơn độ sâu độ sâu tới hạn ngập
hflood. Thứ hai, độ sâu tổng cộng của nước tĩnh tại cạnh có độ sâu nhỏ hơn hdry và
mực nước bề mặt tại cạnh khác đều phải lớn hơn giá trị 0.
Một phần tử được gọi là khô nếu độ sâu nước nhỏ hơn độ sâu giới hạn khô
hdry, và không một cạnh nào bị ngập. Phần tử này bị loại ra khỏi miền tính tốn.
Một phần tử xem như là ngập một phần nếu nếu độ sâu nước lớn hơn hdry
và nhỏ hơn độ sâu giới hạn ướt, hoặc khi độ sâu nhỏ hơn hdry và một trong số các
cạnh khác là biên ngập nước. Trong trường hợp này thông lượng động lượng bằng

khơng và chỉ có thơng lượng khối lượng được tính.
Một phần tử được gọi là ướt nếu độ sâu nước lớn hơn hwet. Trong trường
hợp này cả hai thành phần thông lượng khối lượng và thông lượng động lượng được
tính.
Độ sâu ướt hwet phải lớn hơn độ sâu khô giới hạn hdry và độ sâu giới hạn
ngập hflood, được xác định theo điều kiện hdry < hflood < hwet.

15


1.3 MÔĐUN ECOLAB
1.3.1 Cơ sở lý thuyết
Động lực học của bình lưu các biến trạng thái trong ECO Lab có thể được
mơ tả bằng các phương trình truyền tải của vật chất khơng bảo tồn, có dạng:
(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 phương x và y
Sc: Nguồn sinh và nguồn mất
Pc: Các q trình trong ECO Lab
Phương trình truyền tải có thể được viết lại:
(1.26)
trong đó, nhóm ADc đại diện cho tốc độ thay đổi nồng độ gây ra bởi quá trình bình
lưu và khuếch tán (bao gồm các nguồn sinh và mất).
Khi tính tốn các biến đổi nồng độ cho bước tiếp theo, một phương trình
ECO Lab số được thay thế cho các phương trình truyền tải tích phân theo thời gian.
Một phương pháp xấp xỉ khác được sử dụng trong ECO Lab là xem thành phần bình
lưu – đối lưu ADc không thay đổi trong một bước thời gian. Việc giải cả hai thành
phần trong phương trình sai phân thường của ECO Lab là tổng hợp của tốc độ thay

đổi gây ra do chính các q trình nội tại và các quá trình bình lưu - khuếch tán.

(1.27)
Thành phần bình lưu - khuếch tán được xấp xỉ bằng cơng thức

16


(1.28)
trong đó, nồng độ tức thời c* được cho bởi quá trình truyền tải biến trạng thái trong
ECO Lab khi vật chất được bảo toàn trong suốt chu kỳ

sử dụng mơđun AD.

Một lợi thế chính của phương pháp này là liên kết được phương pháp giải
hiện và các vấn đề phi tuyến từ các nguồn ECO Lab phức tạp, vì vậy ECO Lab và
thành phần bình lưu - khuếch tán có thể được giải một cách riêng lẻ.
Phương pháp giải số được sử dụng trong mơ hình ECO Lab là phương
pháp Euler, Runge Kutta 4, Runge Kutta 5.

1.3.2 Ơxy hịa tan (DO) và nhu cầu ơxy sinh hóa (BOD)
a. Ơxy hịa tan (DO)
DO là lượng ơxy hồ tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh
vật nước (cá, lưỡng thê, thuỷ sinh, côn trùng v.v...) thường được tạo ra do sự hồ
tan từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo,... Nồng độ ôxy tự do trong nước 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 nước giảm hoạt động hoặc bị chết. Do vậy, DO là một
chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của các thuỷ vực.
Q trình cân bằng ơxy được xem xét theo các mức độ phức tạp khác nhau
của cân bằng tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng. Có 4 mức độ khác nhau

mô tả cân bằng khối DO, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, chỉ tập trung vào
mức cân bằng bậc 3. Mức cân bằng này giả thiết rằng sự biến đổi của nồng độ ôxy
là tổng hợp của các quá tương tác nước - khí quyển (mặt phân cách), q trình đạm
hóa, nhu cầu ơxy sinh hóa, q trình quang hợp, q trình hơ hấp, nhu cầu ơxy trầm
tích (chỉ ở đáy). Các q trình đó được mơ tả bằng phương trình cân bằng sau:

17


(1.29)

trong đó:
Q trình trao đổi ơxy giữa ơxy hịa tan trong nước và khí quyển
(g/m3/ngày). Q trình này có tính đến mức bão hịa ơxy trong nước Cs phụ thuộc
vào nhiệt độ và độ mặn.
(1.29a)
Giá trị Cs được tính thơng qua biểu thức thực nghiệm sau:

Tốc độ tương tác K2 (1/s) phụ thuộc vào tốc độ gió Wv, tốc độ dịng chảy
V và độ sâu nước:

Q trình Nitrat hóa (g/m3/ngày), Y1: hệ số bổ sung cho ôxy. Đây là một
quá trình khác ảnh hưởng tới cân bằng ơxy khi ơxy được sử dụng trong q trình
Nitrat hóa từ amoniac sang nitrite.
(1.29b)
Quá trình phân hủy BOD (g/m3/ngày). Sự phân hủy các vật chất hữu cơ là
một nguyên nhân khác làm suy giảm ơxy. Q trình này phụ thuộc vào các yếu tố
nhiệt độ, nồng độ ôxy và nộng độ vật chất hữu cơ.

18

(1.29c)
Q trình quang hợp (g O2/m2/ngày). Các sản phẩm ơxy từ q trình
quang hợp được mơ tả thơng qua mối liên hệ giữa giá trị năng suất cực đại vào giữa
trưa và biến đổi theo thời gian trong ngày.
(
(1.29d)

Quá trình hô hấp của sinh vật (g O2/m2/ngày). Sự suy giảm nồng độ ơxy
bởi q trình hơ hấp của sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng thông qua biểu thức phụ
thuộc nhiệt độ.
(1.29e)
Nhu cầu ôxy cho phân hủy vật chất hữu cơ tại đáy (chỉ phụ thuộc vào hàm
lượng ôxy và nhiệt độ (g/m3/ngày). Lưu ý rằng các vật chất hữu cơ trầm tích trong
q trình này khơng tính đến thành phần trầm tích có nguồn gốc từ các nguồn ơ
nhiễm. Giá trị này chỉ phụ thuộc vào nồng độ ôxy và nhiệt độ.
(1.29f)

a. Nhu cầu ơxy sinh hố (BOD)
BOD (Biochemical oxygen Demand - nhu cầu oxy sinh hoá) là lượng oxy
cần thiết để vi sinh vật oxy hoá các chất hữu. Trong mơi trường nước, khi q trình
oxy hố sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử dụng oxy hồ tan, vì vậy xác định
tổng lượng oxy hồ tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là phép đo quan
trọng đánh giá ảnh hưởng của một dịng thải đối với nguồn nước. BOD có ý nghĩa
biểu thị lượng các chất thải hữu cơ trong nước có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh
vật.

19

Dạng cân bằng của nhu cầu ơxy sinh hóa (BOD) được mơ tả bằng phương
trình:
(1.30
)
Giải thích các từ ngữ:
S

Độ muối (ppt)

T

Nhiệt độ (0C)

Wv

Tốc độ gió (m/s)

H

Độ sâu nước (m)

V

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

HS_nitr

Nồng độ bán bão hịa Nitrat 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 trưa (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 hấp thực tế của thực vật và vi khuẩn (g O2/m2/ngày)

R1

Tốc độ hô hấp của thực vật 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 dưỡng) (g O2/m2/ngày)

θ2

Hệ số nhiệt độ trong hô hấp dị dưỡng

20