Luận văn Mô phỏng quá trình lan truyền vật chất ô nhiễm dưới tác động của các yếu tố động lực tại vịnh cam ranh bằng mô hình số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN …………………… Phan Thành Bắc MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐỘNG LỰC TẠI VỊNH CAM RANH BẰNG MÔ HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN .................................... Phan Thành Bắc MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐỘNG LỰC TẠI VỊNH CAM RANH BẰNG MÔ HÌNH SỐ Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Nguyễn Minh Huấn Hà Nội - 2012 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin dành những lời đầu tiên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới các thầy, cô giáo trong khoa Khí tượng, Thủy văn - Hải dương học (trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội) và các nhà khoa học tại viện Hải dương học đã tận tình giúp đỡ, truyền thụ, trao đổi kiến thức chuyên môn cùng tác giả trong thời gian qua. Luận văn này được hoàn thành ngoài sự nỗ lực làm việc của bản thân còn có công rất lớn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Minh Huấn, người đã không ngừng đôn đốc, động viên và truyền thụ kiến thức. Tác giả xin được gửi lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy. Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới ThS. Nguyễn Chí Công và tất cả các cán bộ nghiên cứu phòng Vật Lý Biển nói riêng, Viện Hải Dương học – nơi tác giả đang công tác nói chung, đã giúp đỡ nhiệt tình về các nguồn số liệu sử dụng. Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến dự án “Nghiên cứu khả năng tự làm sạch, đề xuất các giải pháp nhằm bảo vệ và cải thiện chất lượng môi trường đầm Thủy Triều - vịnh Cam Ranh” do PGS.TS. Bùi Hồng Long và ThS. Nguyễn Hữu Huân đồng chủ nhiệm, đã cho phép sử dụng nguồn số liệu phục vụ cho luận văn Suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn, tác giả đã được sự giúp đỡ từ dự án chống biến đổi khí hậu CLIMEEViet, hợp tác nghiên cứu giữa Viện Hải Dương học với chính phủ Đan Mạch, mà đứng đầu là PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâm. Tác giả xin trân trọng cảm ơn dự án đã tài trợ về mặt kinh phí, thiết bị hỗ trợ nghiên cứu và nguồn số liệu tham khảo vô cùng quí giá. Qua đây, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ thân tình của bạn bè, thân hữu trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Khoa học tự nhiên. MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ ............................................................................ 4 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ..................................................... 4 1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới............................................ 4 1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ............................................. 6 1.2 MIKE 21 HD ..................................................................................................... 8 1.2.1 Cơ sở toán học ........................................................................................... 8 1.2.2 Phương pháp số ....................................................................................... 12 1.3 MÔĐUN ECOLAB ......................................................................................... 16 1.3.1 Cơ sở lý thuyết .......................................................................................... 16 1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) ................................. 17 1.3.3 Các hợp phần của Nitơ ............................................................................ 21 1.3.4 Hợp phần của Photpho ............................................................................ 23 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU .......................................... 24 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN ................................................... 24 2.1.1 Vị trí địa lí ................................................................................................ 24 2.1.2 Đặc điểm gió ............................................................................................ 25 2.1.3 Đặc điểm thủy, hải văn ............................................................................ 26 2.1.4 Đặc điểm nhiệt - muối .............................................................................. 27 2.1.5 Đặc điểm dòng chảy ................................................................................. 28 2.1.6 Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước ............................................ 29 2.2 ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - XÃ HỘI .................................................................... 29 2.3 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG VỊNH CAM RANH...................................... 31 2.3.1 Các nguồn thải ......................................................................................... 31 2.3.2 Chất lượng nước vịnh Cam Ranh ............................................................ 32 CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ ........................................... 32 3.1 THIẾT LẬP CÁC THÔNG TIN ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH ....................... 32 3.1.1 Thu thập số liệu ........................................................................................ 32 3.1.2 Địa hình đáy ............................................................................................. 36 3.1.3 Thiết lập lưới tính ..................................................................................... 36 3.1.4 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu ........................................................ 38 3.2 HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH ................................................................................ 41 3.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ................................................................. 44 3.3.1 Kết quả tính toán cho mùa khô ................................................................ 44 3.3.2 Kết quả tính toán cho mùa mưa ............................................................... 73 3.4 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ Ô NHIỄM .......................... 105 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 123 KIẾN NGHỊ ........................................................................................................ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 125 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, khu vực đầm thuỷ triều đang đứng trước nguy cơ ô nhiễm nguồn nước. Đầm Thủy Triều nằm trong vịnh Cam Ranh, thuộc địa bàn huyện Cam Lâm và thành phố Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa. Nơi đây phong phú và đa dạng về số lượng cũng như trữ lượng thủy sản. Trong tương lai, đầm Thủy Triều còn là mắt xích quan trọng trong việc phát triển du lịch của tỉnh Khánh Hòa khi vịnh Cam Ranh đã được tỉnh này quy hoạch thành trung tâm du lịch biển tầm cỡ quốc gia và quốc tế đến năm 2025. Theo nhận định của người dân nơi đây, trong vòng gần chục năm nay, tôm, cá và các loại nghêu, ốc... trên đầm thường chết hàng loạt, thậm chí “sống dai” như loài sá sùng biển (gọi là trùn biển) cũng phải chết trắng đầy đầm, môi trường trong đầm ngày trở nên ngột ngạt, đục ngàu, nước trong đầm có mùi hôi thối nồng nặc theo thời gian... đã làm cho hệ sinh thái đầm bị biến dạng, nguồn lợi thủy sản cứ thế không còn nữa. Do vậy, việc đánh khai thác các nguồn lợi trên đầm đã không còn hiệu quả, đời sống nhân dân lại khốn khó. Một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm đầm là nhà máy đường Cam Ranh. Trong quá trình vận hành nhà máy, khối nước thải từ nhà máy sau khi được 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 khối nước thải được xả ra đầm, quá trình thuỷ động lực (dòng chảy, gió, quá trình xáo trộn,…) làm khuếch tán các chất đồng thời mang khối nước thải này lên phía bắc hay xuống phía nam theo dòng chảy khi triều lên và triều xuống. Vì vậy, các quá trình động lực ở khu vực này đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố, truyền tải, pha loãng, và làm sạch vùng đầm thuỷ triều. Một trong nhưng cách tiếp cận để nghiên cứu sự ảnh hưởng của khối nước thải từ nhà máy đường là sử dụng các mô hình tính toán để có thể tính toán và mô phỏng các quá trình vật lý (dòng chảy) và các mô hình sinh hoá diễn ra trong khu 2 vực đầm có sự tác động của khối nước thải. Các kết quả tính toán từ mô hình kết hợp với số liệu khảo sát có thể mô phỏng một cách liên tục về các quá trình động lực và quá trình truyền tải vật chất cũng như mô phỏng các kịch bản khác nhau trong những điều kiện động lực khác nhau và điều kiện xả thải khác nhau. Việc mô phỏng các kịch bản ô nhiễm khác nhau giúp các nhà quản lý phản ứng linh hoạt hơn, hiệu quả hơn và cũng ít tốn kém hơn. Từ đó đưa ra được những kế hoạch, chiến lược để quy hoạch, khai thác một cách hiệu quả tài nguyên khu vực đầm cũng như việc kiểm soát và điều tiết các nguồn thải hợp 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: “Mô phỏng quá trình lan truyền vật chất ô nhiễm dưới tác động của các yếu tố động lực tại vịnh Cam Ranh bằng mô hình số” để có thể mô phỏng một số vật chất có khả năng ảnh hưởng đến chất lượng môi trường. Có nhiều 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 một số chỉ số đang được công nhận như: Chỉ số ô nhiễm dinh dưỡng (NPI) dựa vào các thông số NH4+, NO3-, NO2-, tổng P, pH, chlorophyll, độ dẫn điện và độ đục. Chỉ số ô nhiễm hữu cơ (OPI) dựa vào các thông số BOD, COD, nhiệt độ và DO. Với nguồn số liệu có được từ một số đề tài được thực hiện tại Viện Hải dương học như đề tài cấp Cơ sở phòng Vật lý biển, phòng Thủy địa hóa, đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ, Các Dự án hợp tác quốc tế, tác giả sử dụng gói phần mềm MIKE 21 HD, ECO Lab để mô phỏng quá trình lan truyền một số vật chất có thể gây ô nhiễm từ các nguồn thải của khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư trong 2 mùa: mùa mưa và mùa khô. Trong khuôn khổ của luận văn, mục tiêu của học viên là có thể tính toán, mô phỏng, đưa ra được bức tranh về quá trình động lực và quá trình truyền tải các vật chất gồm BOD, DO, NO3-, PO4+, NH3+. Một kịch bản mô phỏng sự lan truyền các vật chất ô nhiễm với giả thiết có sự gia tăng cực đại nồng độ các chất gây ô nhiễm từ số liệu thực đo tại cống xả thải và công suất tính tại thời điểm khảo sát từ các nguồn thải của khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư để có thể đánh giá mức độ lan truyền và ảnh hưởng của các vật chất này tới chất lượng nước các bãi tắm khu vực Cam Ranh. 3 Các kết quả nghiên cứu trong luận văn góp phần bổ sung thêm các thông tin khoa học về những nghiên cứu, đánh giá vai trò và sự tác động của các từ các nguồn thải của khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư tác động ngược lại đối với các khu vực nuôi trồng thủy sản, du lịch sinh thái và các bãi tắm. 4 CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới Sử dụng các mô hình số để tính toán, mô phỏng, đánh giá chất lượng môi trường nước khu vực gần bờ, khu bãi tắm, khu nuôi trồng thủy sản đã được thực hiện rất phổ biến trên thế giới. Tùy thuộc vào đối tượng và mục đích nghiên cứu, việc áp dụng các loại mô hình tính toán cũng khác nhau. Có thể liệt kê một số mô hình thường được áp dụng để đánh giá chất lượng nước trên thế giới. Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô hình được xây dựng dựa trên mô hình trước đó (WASP – được xây dựng bởi Di Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 1988). Mô hình này được sử dụng để mô 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. Mô hình này cho phép người sử dụng áp dụng trong không gian 1D nhưng cũng có thể mô phỏng tựa 2D và 3D bằng cách chia hộp với đa dạng thành phần chất ô nhiễm. Mô hình WASP cũng có thể liên kết với các mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích để thu được trường dòng chảy, nhiệt độ, độ muối và các thông lượng trầm tích. Mô hình WASP đã được sử dụng để mô phỏng quá trình yếm khí trong vịnh Tampa; Cung ứng Photpho cho hồ Okeechobee; Quá trình yếm khí tại cửa sông Neuse River; Ô nhiễm vật chất hữu cơ dễ phân hủy tại cửa sông Delaware, ô nhiễm kim loại nặng tại sông Deep, bắc Carolina. Mô hình AQUATOX là mô hình mô phỏng hệ sinh thái thủy sinh. Mô hình có thể dự báo quá trình suy tàn do nhiều loại chất gây nhiễm môi trường như dinh dưỡng, hóa học hữu cơ, và ảnh hưởng của chúng lên các hệ sinh thái, bao gồm các loài cá, động vật không xương sống và các loài thực vật thủy sinh. AQUATOX là công cụ hữu hiệu cho các nhà môi trường học, sinh học, những nhà mô hình hóa chất lượng nước và bất kỳ ai cần quan tâm tới việc đánh giá rủi ro và suy giảm các hệ sinh thái thủy sinh. 5 Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model) được nâng cấp từ mô hình trước đó là QUAL2E (hay Q2E (Brown và Barnwell 1987)). Đây là mô hình mô phỏng chất lượng nước suối và sông một chiều có sự tham gia của quá trình xáo trộn rối và bên. Một đặc điểm linh hoạt của mô hình này là có thể chạy được trong môi trường Visual basic hoặc trong môi trường Excel. Mô hình có những đặc điểm sau: có thể tính toán trên từng phân đoạn của sông và các nhánh sông. Mô 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 như là bước tương tác đầu tiên. Tính toán thông lượng trao đổi ôxy hòa tan và các dinh dưỡng giữa trầm tích và nước. DELFT 3D của Viện nghiên cứu thuỷ lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 3 chiều với mô hình chất lượng nước. Ưu điểm của mô hình này là việc kết hợp giữa các module tính toán phức tạp để đưa ra những kết quả tính mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia. SMS của Trung tâm nghiên cứu và phát triển kỹ thuật của quân đội Mỹ xây dựng cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 1, 2 chiều với mô hình chất lượng nước, trong đó module RMA4 là mô hình số trị vận chuyển các yếu tố chất lượng nước phân bố đồng nhất theo độ sâu. Nó có thể tính toán sự tập trung của 6 thành phần bảo toàn hoặc không bảo toàn được tính toán theo lưới 1 chiều hoặc 2 chiều. ECOHAM (phiên bản 1 và 2) là mô hình số 3D kết hợp giữa module thủy lực với module sinh thái được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Trường đại học Hamburg (Đức). Mô hình chủ yếu tính toán dựa trên chu trình của các hợp phần của Nitơ và Photpho trong đó có tính đến cả thực vật và động vật phù du trong nước biển. ECOSMO (ECOSystem MOdel) là mô hình cặp ba chiều thủy động lực – băng biển – sinh địa hóa. Mô hình được phát triển dựa trên mô hình thủy động lực HAMSOM (HAMburg shelf Ocean Model) đã được liên kết mô đun động lực - nhiệt động lực biển - băng (Schrum và Backhaus, 1999) và môđun sinh học 6 (Schrum, 2006). Môđun sinh học NPZD dựa trên quá trình chuyển đổi giữa mức đầu tiên và thứ hai trong chuỗi thức ăn và được điểu khiển bởi các thông lượng Nitơ, Photpho và Silic. Điều quan trọng trong tính toán mô hình này là thống nhất được giới hạn các chu trình dinh dưỡng vĩ mô và động vật phù du như là mô hình chuẩn đoán biến đổi cho các tương tác phi tuyến trong hệ sinh thái của các mức thứ nhất và thứ hai trong chuỗi thức ăn. Thêm vào đó, mô hình còn tính toán sự biến đổi các mảnh vụn và ôxy để có thể đánh giá được lượng còn lại và các quá trình ôxy hóa. Các tính toán về sinh khối sơ cấp và thứ cấp. Mô 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 môi trường và phân tích các phương án quản lý. Một điểm nổi bật của BASINS là đã đưa vào cách tiếp cận mới dựa trên nền tảng lưu vực sông, có kết hợp quản lý dữ liệu không gian thông qua hệ thông tin địa lý GIS. BASINS có thể dùng cho các mục đích sau: Mô phỏng các điều kiện của lưu vực và đánh giá hiện trạng chất lượng nước; Mô phỏng các tác động của việc thay đổi sử dụng đất có tính đến cân bằng nước, mô phỏng các kịch bản nguồn ô nhiễm điểm và diện, xây dựng và phát triển cách quản lý của cả lưu vực. Các nhóm tham số của mô hình bao gồm: Các hợp chất dinh dưỡng của Nitơ và Photpho, DO, BOD, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật, bùn. Bộ phần mềm MIKE do Viện 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 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 nước ta, trong những năm gần đây, hướng nghiên cứu, xây dựng và sử dụng mô hình trong nghiên cứu thủy động lực – môi trường đang rất được quan tâm. Trong đó những nghiên cứu, điều tra, tính toán ô nhiễm môi trường các vũng 7 vịnh và khu vực ven biển - khu vực tập trung chủ yếu các hoạt động kinh tế của con người đã, đang được tiến hành. Chương 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 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, phương pháp nghiên cứu này còn được sử dụng tính toán mức độ dinh dưỡng của hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (Thừa Thiên Huế). Tuy nhiên, phương pháp này chưa tính toán đến quá trình khuếch tán vật chất trong không gian và chỉ giới hạn tại một số điểm nhất định. Hoàng Dương Tùng (2004), trong phạm vi luận án tiến sĩ, đã sử dụng phần mềm DELFT 3D - WAQ đánh giá khả năng chịu tải ô nhiễm của Hồ Tây với mục đích xây dựng căn cứ khoa học trong việc xây dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển Hồ Tây. Nội dung đã xem 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 môi trường còn hạn chế, đồng thời còn mang tính chất vĩ mô cho khu vực nghiên cứu. Tại khu vực vịnh Cam Ranh,tuy đã có một số công trình nghiên cứu về môi trường của các đề tài cấp nhà nước và cấp tỉnh do G