Triển khai ứng dụng mô hình Ecomsed tính toán
vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông
ven biển Hải Phòng Phạm Hải An
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Luận văn ThS chuyên ngành: Hải dương học; Mã số: 60 44 97
Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thọ Sáo
Năm bảo vệ: 2012 Abstract: Nghiên cứu hình thái địa hình (độ sâu địa hình), khí tượng (nhiệt, bức xạ, mưa,
gió), thủy hải văn (lưu lượng sông, thủy triều, dòng chảy, sóng), hiện trạng môi trường
trầm tích trong khu vực. Mô hình Ecomsed đối với bài toán mô phỏng lan truyền trầm
tích lơ lửng (TSS). Tính toán lan truyền trầm tích lơ lửng TSS khu vực cửa sông ven biển
Hải Phòng: kết quả tính toán, phân tích trường thủy lực và lan truyền trầm tích lơ lửng
cửa sông ven biển Hải Phòng.
Keywords: Hải dương học; Trầm tích; Hải Phòng Content
MỞ ĐẦU
Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng là một trong những khu vực thuộc vùng trọng
điểm phát triển kinh tế phía Bắc, có cảng biển lớn Hải Phòng và nằm cạnh các khu vực có nhu
cầu bảo vệ môi trường rất cấp bách như Khu di sản thiên nhiên Thế giới - vịnh Hạ Long; Khu dự
trữ sinh quyển Cát Bà, khu du lịch biển Đồ Sơn. Bởi vậy mà bất cứ tương tác nào xảy ra trong
phạm vi này đều có thể gây ảnh hưởng ở mức Quốc gia và Quốc tế đối với nội tại khu vực cũng
hội của thành phố.
Để tìm hiểu cơ chế và đề xuất các phương hướng khắc phục, nhằm ổn định môi trường
nước một cách bền vững, đã có nhiều đề tài nghiên cứu được tiến hành liên quan đến môi trường
nước của khu vực. Điển hình như các đề tài “Đánh giá mức độ ô nhiễm do nguồn thải lục địa, đề
xuất giải pháp kiểm soát, quản lý ô nhiễm vùng biển ven bờ phía bắc” năm 2001 [3]; đề tài:
“Điều tra hiện trạng môi trường sông Rế, sông Giá và đề xuất các giải pháp bảo vệ” năm 2003
[4]; đề tài: “Điều tra, đánh giá tình trạng ô nhiễm và suy thoái môi trường khu vực cửa sông
Cấm - Bạch Đằng và đề xuất các giải pháp bảo vệ”, Trần Đức Thạnh và cộng sự thực hiện năm
2006 [5]. Tuy nhiên, việc đánh giá các quá trình lan truyền chất gây ô nhiễm cho toàn bộ khu
vực cửa sông ven biển Hải Phòng vẫn còn rất hạn chế. Bởi trong phạm vi nghiên cứu nhỏ ở một
vùng cửa sông (phần lớn ở cửa sông Bạch Đằng), số lượng mẫu thu thập tại nhiều điểm song chỉ
lấy tức thời, không thể hiện được sự mô phỏng và biến đổi hàm lượng của chất ô nhiễm do dòng
chảy sông đưa ra, do dao động mực nước. Do vậy rất cần thiết phải có đánh giá toàn diện và
đồng bộ các nguồn, số lượng các chất gây ô nhiễm như trầm tích lơ lửng, hữu cơ, dinh dưỡng đi
vào các cửa sông chính ở Hải Phòng trước khi ra biển (gồm nguồn từ thượng nguồn và từ các
nguồn thải bên bờ sông). Đồng thời, xem xét đánh giá sự lan truyền các quá trình biến đổi của
chúng trong nước vùng cửa sông ven biển Hải Phòng để mô phỏng các quá trình biến đổi,
chuyển hoá, vận chuyển và lan truyền vật chất trong đó có các chất gây ô nhiễm như: “Ứng dụng
mô hình 3 chiều để nghiên cứu lan truyền trầm tích lơ lửng ở vùng biển ven bờ Quảng Ninh”
Đinh Văn Ưu và nnk năm 2005 [8]; “Nghiên cứu quá trình động lực học, dự báo vận chuyển bồi
lắng bùn cát tại Lạch Huyện Nam Đồ Sơn trước và sau khi xây dựng cảng nước sâu và giải pháp
khắc phục” Nguyễn Văn Cư và nnk năm 2008 [2]; Vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình đáy
vùng cửa sông ven biển Hải Phòng”, Đinh Văn Ưu năm 2009 [7]; “Nghiên cứu đánh giá sức tải
môi trường và đề xuất các giải pháp phát triển bền vững khu vực Vịnh Hạ Long - Vịnh Bái Tử
Long”, Trần Đức Thạnh [6].
Nhờ đó mà các kết quả mô phỏng cũng như các kịch bản dự báo nói trên về diễn biến
lan truyền các chất gây ô nhiễm và ảnh hưởng của chúng tới môi trường nước sẽ đạt độ chính
xác cao hơn; là nguồn thông tin tham khảo bổ ích cho các nhà chuyên môn, giúp các nhà quản lý
hoạch định chính sách trong việc quản lý nguồn gây ô nhiễm, hạn chế tác động của chúng đến
chặt chẽ đến chế độ thủy động lực, và hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong môi trường nước.
Tìm hiểu liên quan đến vấn đề trên, trong khuôn khổ của một báo cáo Luận văn Thạc sĩ, học viên
lựa chọn đối tượng: trầm tich lơ lửng cho nghiên cứu của mình với sự tác động của các điều kiện
thủy động lực khu vực với hai mục tiêu chính như sau:
- Hiểu được phương pháp ứng dụng mô hình Ecomsed trong việc tính toán vận chuyển
trầm tích lơ lửng
- Mô phỏng quá trính vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng.
1.2 Tiếp cận và lựa chọn phƣơng pháp
Phương pháp tiếp cận hệ thống coi khu vực nghiên cứu như một hệ thống tương đối độc
lập, có dòng vật chất vào, dòng ra và dòng tích tụ. Đối với khu vực cửa sông ven biển Hải
Phòng, dòng vào xuất phát từ mặt cắt (biên) phía trong cửa sông, các điểm nguồn thải dọc bờ
sông, còn dòng ra là phía cửa sông tiếp giáp với biển (biên phía ngoài). Các quá trình trao đổi
chuyển hoá của chất gây ô nhiễm có thể diển ra ở trong khu vực hoặc trên biên và chịu tác động
chi phối của các yếu tố động lực (sóng, dòng chảy sông, thuỷ triều), các yếu tố môi trường (nhiệt
độ, độ mặn) và các yếu tố khác. Trong Luận văn: việc mô hình hóa các quá trình thuỷ động lực,
lan truyền chất ô nhiễm dựa trên cơ sở áp dụng mô hình ECOMSED kết hợp với phương pháp
thu thập và tổng hợp tài liệu: địa hình, đường bờ, khí hậu, khí tượng thủy văn, nguồn thải v.v;
phương pháp điều tra khảo sát; phân tích mẫu tại hiện trường và phòng thí nghiệm phục vụ thiết
lập và chạy mô hình thủy động lực, lan truyền trầm tích lơ lửng hiện trạng (mùa mưa, khô năm
2009) khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng, tiến tới tiến hành đánh giá lượng chất gây ô nhiễm
trầm tích lơ lửng vào môi trường nước của khu vực nghiên cứu.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi khu vực nghiên cứu là toàn bộ vùng cửa sông ven biển Hải Phòng gồm các sông
chính đổ ra biển như Thái Bình, Văn Úc, Lạch Tray, Cấm và Bạch Đằng, vùng biển ven bờ phía
ngoài các cửa sông đó. Các nguồn ô nhiễm vào vùng ven biển sẽ được xác định qua các kết quả
khảo sát 2 mùa trên các mặt cắt gần các cửa sông và các điểm nguồn thải. Vùng tính toán của đề
tài cũng được mở rộng đến khu vực phía đông và đông nam quần đảo Cát Bà. Trong đó chủ yếu
tập trung phân tích kết quả lan truyền trầm tích lơ lửng tại khu vực cửa sông Bạch Đằng, khu vực
cửa Lạch Tray, ảnh hưởng đến khu vực Đồ Sơn, Cát Hải và đảo Cát Bà.
môi trường khu vực cửa sông Cấm - Bạch Đằng và đề xuất các giải pháp bảo vệ (Trần Đức
Thạnh 2008); Đánh giá sức tải môi trường đảo Cát Bà và đề xuất các giải pháp phát triển bền
vững (Cao Thu Trang, 2009); Thử nghiệm đánh giá sức tải môi trường của sông Bạch Đằng và
đề xuất các giải pháp bảo vệ môi trường, phát triển bền vững (Cao Thu Trang, 2009); Mô hình
vận chuyển trầm tích và biến động địa hình đáy áp dụng cho vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng
(Đinh Văn Ưu 2009); Đánh giá lan truyền các chất gây ô nhiễm khu vực cửa sông ven biển Hải
Phòng bằng mô hình toán học (Đỗ Trọng Bình, 2010), Hiện trạng môi trường và xác định các
vấn đề ưu tiên phục vụ quản lý tổng hợp vùng bờ biển Hải Phòng (Trần Đình Lân, 2010); Đánh
giá tác động thủy thạch - động lực của hệ thống đê quai lấn biển phục vụ xây dựng Sân bay quốc
tế tại khu vực ven bờ Tiên Lãng (Nguyễn Đức Cự 2011).
Tuy nhiên, thể hiện rõ được mối tương quan giữa các yếu tố động lực với quá trình vận
chuyển trầm tích phải kể đến các nghiên cứu: Nghiên cứu về thủy động lực, vận chuyển trầm
tích, biến dạng bờ và xói lở bờ đảo Cát Hải (Trần Đức Thạnh, 1998); Nghiên cứu điều kiện địa
chất- thủy động lực- vận chuyển trầm tích xác định nguyên nhân đục nước ở bãi biển Đồ Sơn
(Nguyễn Văn Cư, 1995); Vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình đáy vùng cửa sông ven biển
Hải Phòng (Đinh Văn Ưu, 2009); Nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE21 để đánh giá điều kiện
động lực, dự báo vận chuyển trầm tích khu vực cửa Văn Úc và Lạch Huyện (Nguyễn Văn Cư,
2010). Bởi vậy, ngày nay với hệ thống máy tính tính toán song song hiệu năng cao, việc áp dụng
và phát triển các mô hình mã nguồn mở ngày càng trở lên thân thiện và đem lại kết quả hữu hiệu,
ngay cả trong sử dụng cũng như chia sẻ số liệu. Việc áp dụng và tiếp cận phải kể đến các mô
hình nổi tiếng như mô hình POM, ROMS và mô hình ECOMSED.
CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU
2.1 Đặc điểm hình thái địa hình
Khu vực nghiên cứu nằm trong khoảng tọa độ 20
0
30’39”-21
0
01’15” độ vĩ bắc và
106
o
C, thường xuất hiện vào tháng 7. Mùa đông
lạnh, nền nhiệt độ hạ xuống dưới 20
o
C kéo dài từ tháng 11 năm trước đến tháng 3 năm sau.
Trong mùa đông, khu vực này chịu ảnh hưởng của các đợt gió mùa đông bắc, nhiệt độ trung bình
18-20
o
C, nhiệt độ thấp nhất có thể xuống dưới 10
o
C.
2.2.2 Bức xạ
Hầu hết các tháng mùa hè có bức xạ trên 10 Kcal /cm
2
, hầu hết các tháng mùa đông 7-8
Kcal/cm
2
. 70% bức xạ ngày tập trung vào 10-15 giờ, cân bằng bức xạ năm 65-70 Kcal/cm
2
. Độ
ẩm trung bình hằng năm trong vùng biến đổi từ 82-84%, ở sâu trong đất liền là trên 85%. Nhìn
chung độ ẩm không khí có xu hướng tăng dần từ bắc xuống nam và từ ngoài khơi vào bờ. Tháng
4 là tháng độ ẩm có giá trị cao nhất khoảng 90-91%. Giá trị độ ẩm nhỏ thường xuất hiện vào các
tháng 10 đến tháng 1 khoảng 73-77%. Đây cũng là thời kỳ mưa phùn ẩm ướt trong năm.
2.2.3 Lƣợng mƣa
Hải phòng nằm trong vùng khí hậu có tính chất nhiệt đới, mùa hạ nóng ẩm mưa nhiều và
mùa đông khô lạnh mưa ít. Tổng lượng mưa cả năm phân bố không đều theo mùa. Lượng mưa
cao nhất rơi vào tháng 8, tháng 9 (có thể đạt tới 235 mm), thấp nhất vào tháng 12, khoảng 16mm
(số liệu thống kê tại trạm Hòn Dáu).
2.2.4 Chế độ gió
tháng (vào tháng 6-10), mùa cạn từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Khi đó lưu lượng nước chiếm
75-85% cả năm, đặc biệt trong 3 tháng 7, 8, 9 lưu lượng nước chiếm 50-70%. Lũ lớn nhất
thường vào tháng 7 hoặc tháng 8, chiếm 20-27%, có khi tới 35% lưu lượng nước cả năm. Các
sông ở phía bắc Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray chịu ảnh hưởng của chế độ lũ từ sông Thái Bình
mạnh hơn, trong khi ở phía nam sông Văn Úc, Thái Bình lại chịu ảnh hưởng chế độ lũ của sông
Hồng. Mùa cạn, lượng nước từ thượng lưu về ít, nguồn nước trong sông chủ yếu do nước ngầm
và thủy triều, lưu lượng nước chiếm 15-20% cả năm. Hàng năm lưu lượng nước nhỏ nhất thường
xuất hiện vào tháng 3. Sông Kinh Thầy (trạm Cửa Cấm) lưu lượng trung bình mùa cạn 115m
3
/s,
lưu lượng kiệt nhất trung bình 47.2m
3
/s, trong đó lưu lượng kiệt nhất là 0.1m
3
/s; sông Văn Úc
(trạm Trung Trang) có lưu lượng trung bình mùa cạn là 193m
3
/s, lưu lượng kiệt nhất trung bình
63.2m
3
/s, lưu lượng nhỏ nhất 52.5m
3
/s; sông Mới (trạm sông Mới) lưu lượng trung bình mùa cạn
là 82.6m
3
/s, lưu lượng kiệt nhất trung bình 53.0m
3
/s, lưu lượng kiệt nhất là 48.2m3/s; sông Thái
Bình (trạm Cống Rỗ) lưu lượng trung bình mùa cạn là 16.4m
hướng đông bắc 4,5%, hướng nam S 4,5%. Tuy nhiên, sóng hướng bắc chủ yếu dưới 0.2 mét,
trong khi đó theo hướng sóng đông, đông nam lại đa số dao động trong khoảng 0.2-1.0 mét.
Trong đó sóng lớn hơn 1.0 mét chiếm khoảng 13%.
Đặc điểm nhiệt độ nước: Nhiệt độ nước trung bình tháng khu vực nằm trong khoảng
19
o
C đến 31
o
C. Sự biến đổi nhiệt độ nước được thể hiện qua số liệu trung bình tháng từ năm
1993 kéo dài đến năm 2007. Biến trình nhiệt tuân theo quá trình nhiệt nước, đạt các giá trị lớn
rơi vào các: tháng 6 (30.1
o
C), tháng 7 (30
o
C ), tháng 8 (30
o
C). Thấp hơn vào các tháng cuối năm
và đầu năm: tháng 1 (19.4
o
C), tháng 2 (19.4
o
C), tháng 12 (21.2
o
C).
2.5 Đặc điểm môi trƣờng trầm tích trong khu vực
Trầm tích tầng mặt:
Thời kỳ mùa hè: tồn tại có 5 loại chính, với cấp độ hạt thay đổi từ 0.0011 mm, trong đó
hàm lượng cấp hạt 10.5 mm chiếm dưới 5%, cấp hạt từ 0.250.01 mm chiếm 5070%, cấp hạt
nhỏ hơn 0.01 mm chiếm từ 1040%. Các giá trị của đường kính trung bình (M
lúc triều cường mùa mưa là 70100 g/m
3
, mùa kiệt là 2050 g/m
3
. Hàm lượng trầm tích lơ lửng
nước ven bờ các cửa sông Văn Úc, Thái Bình cao gấp hai, ba lần cửa Bạch Đằng. Nhìn chung,
trầm tích lơ lửng từ cửa sông đưa ra khá cao, nhờ thuỷ triều trầm tích lơ lửng được ngưng keo,
bồi tụ duy trì, mở rộng diện tích bãi triều (Nguyễn Văn Cư, 2008 [2]).
CHƢƠNG 3
MÔ HÌNH ECOMSED ĐỐI VỚI BÀI TOÁN MÔ PHỎNG LAN TRUYỀN TRẦM TÍCH
LƠ LỬNG 3.1 Mô hình ECOMSED
Mô hình ECOMSED được phát triển từ những năm 1980 với tên gọi là ECOM đối với
phần tính toán thủy lực - một trong các mô hình thủy động lực áp dụng cho vùng cửa sông, vũng
vịnh và vùng ven bờ. Ngày nay ECOMSED là một mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm
tích 3 chiều, được xây dựng trên mã nguồn FORTRAN. Lưới tính theo phương ngang có thể là
lưới chữ nhật hoặc lưới cong. Theo phương thẳng đứng, mô hình sử dụng lưới cong sigma.
Trong đó modun vận chuyển trầm tích được xây dựng dựa trên các kết quả nghiên cứu và thực
nghiệm của Van Rijn (1984).
Sơ đồ khối mô hình ECOMSED
3.2 Cơ sở hình thành mô hình ECOMSED
Mô tả thủy động lực: ECOM được mô tả như là một mô hình thủy động lực ba chiều, phụ
thuộc vào thời gian được phát triển bởi Blumberg (1980) và Mellor (1987). Nó là một thành
phần trong mô hình ECOMSED với một lịch sử lâu dài sau những ứng dụng thành công đối với
khu vực ven biển, vùng nước cửa sông và đại dương. Hệ phương trình thủy động lực mô tả trong
ECOM dựa trên phương trình chuyển động và phương trình bảo toàn nhiệt muối khi chấp nhận
đáng kể. Nổi cộm lên là một số vấn đề như: xây dựng các điều kiện biên mở tổng quát, mô tả
chất đánh dấu, mô phỏng ứng suất trượt tại đáy tốt hơn thông qua một mô hình con trong lớp
biên đáy vật lý, tính đến các tương tác giữa sóng gió bề mặt, mô phỏng quá trình vận chuyển
trầm tích không kết keo và hòa tan và ràng buộc khả năng đánh dấu. Mở ra khả năng ứng dụng
mô hình ECOMSED trong hoạt động nghiên cứu vận chuyển bùn cát tại nhiều khu vực như:
sông Pawtuxet ở Rhode Island (Ziegler 1994), hồ chứa Watts Bar tại Tennessee (Nisbet, 1995),
vịnh Lavaca ở Texas (HydroQual 1998), vịnh Tannery ở Michigan (Cannelton Industries, 1998)
và vịnh Green ở Wisconsin (Shrestha và cộng sự, 2000). Tiếp đến, thành phần SED ngày nay đã
được cấu hình để chạy kết hợp với mô hình thủy động lực học và mô hình sóng (nếu mô tả bao
gồm sóng). Mô hình SED sử dụng cấu trúc lưới và phạm vi miền tính từ mô hình thủy động lực
học ECOM. Quá trình động lực trầm tích vốn có trong mô hình bao gồm quá trình tái lơ lửng
trầm tích, vận chuyển và lắng đọng trầm tích kết keo (kết dính) và không kết keo (không kết
dính). Trầm tích kết keo, như đã đề cập ở đây, đại diện cho các lớp trầm tích hạt mịn và chất thải
với kích thước đường kính hạt nhỏ hơn 75m (kiểu loại như đất sét và phù sa). Trong khi lớp
trầm tích không kết keo lại là những thô hạt với kích thước đường kính từ 75m đến 500m
(kiểu loại cát mịn và cát trung). Cát không mịn và sỏi thô với kích thước đường kính hạt lớn hơn
500m như vận chuyển tại đáy sẽ không được xem xét trong mô hình ECOMSED bởi vì các
trầm tích hạt thô thông thường bao gồm một phần nhỏ tại đáy trong hệ thống cửa sông và trên đại
dương. Sự ảnh hưởng của thành phàn này là không đáng kể đối với kết quả đầu ra của mô hình.
Cả hai quá trình tái lơ lửng và cơ chế lắng đọng phụ thuộc vào ứng suất trượt tại lớp tương tác
giữa nước và trầm tích. Quá trình tính toán ứng suất trượt phía dưới là một phần không thể tách
rời của quá trình mô phỏng vận chuyển trầm tích.
3.3 Mô hình thủy động lực
Các phương trình chuyển động:
W
0V
Z
P
g
z
''
( , , , ) ( , , , )
o
atn o
z
P x y z t P g g x y z t dz
Phương trình bảo toàn nhiệt, mặn:
W
H
V K F
t z z z
o
q q q U V g q q
V q K K K F
t z z z z z z B l
2 2 2
22
2
1
3
1
1
W
qM
2
2
1
l
WE
L
Trong đó: q
2
/2 động năng rối.
l - chiều ngang quy mô rối
3.4 Mô hình sóng
Phương trình bảo toàn động lượng [9,10]
1 1 1 2
11
21
1 2 1 2
1
w
w
h T hT
M
Hai thành phần động lượng
1
00
,
cos
Ff
M g d df
Cf
2
00
1 2 2 1
00
, sin cos
2
g
T T F f d df
22
2
00
, sin
2
g
T F f d df
đó: k = 1, k = 2 đặc trưng cho 2 loại vật chất: đối với kết dính (d50<75μm) và không kết dính
(75μm<d50<500 μm).
C
k
là nồng độ vật chất loại k; A
H
, K
H
là hệ số khuyếch tán ngang và nhớt rối [9,10,11].
3.6 Tiêu chuẩn ổn định của mô hình
Trong mô hình ECOMSED, độ phân giải được làm trơn xác định bởi công thức sau (Asselin,
1972):
11
2
2
n n n n n
ss
F F F F F
1/2
22
1 1 1
t
t
C
xy
= 2C + Umax
Với vận tốc góc của trái đất và là vĩ độ.
3.7 Hiệu chỉnh mô hình và phân tích số liệu
Hiệu chỉnh, đánh giá độ chính xác của mô hình là công việc cần thiết và quan trọng trong
việc áp dụng mô hình toán của khu vực. Kết quả đầu ra của mô hình sẽ được so sánh với số liệu
quan trắc để đánh giá sự sai khác giữa tính toán và thực tế. Đây là một trong những chỉ tiêu quan
trọng để đánh giá độ tin cậy của mô hình. Trong báo cáo, hiệu chỉnh mô hình có sử dụng kết hợp
các phương pháp đánh giá sai số sau:
Sai số trung bình ME (Mean Error) hay BIAS
1
1
N
ii
i
ME BIAS F O
N
(72)
N
i
ii
i
FO
RMSE
N
(75)
3.8 Triển khai mô hình thủy động lực và sóng
Thông tin phần thiết lập Thủy động lực:
- Hướng mô hình: trục OX hợp với hướng Bắc một góc 90
0
, trục OY trùng với hướng Bắc.
Diện tích miền tích: khoảng 48km theo chiều đông bắc - tây nam và 53km theo chiều tây
bắc- đông nam, với diện tích mặt nước khoảng 1624km
2
- Phân lớp và lưới: hai lớp (mặt + đáy), sử dụng lưới cong trực giao. Số điểm tính:
297x485 điểm tính. Kích thước ô lưới: biến đổi từ 25.4m đến 318.5m
- Địa hình: khu cửa sông ven biển UTM-VN 2000 tỷ lệ 1:50000 và 1:25000 Cục Bản đồ
(2005), bổ xung các số liệu đo sâu đã hiệu chỉnh của các Đề tài, Dự án của Viện Tài
nguyên và Môi trường biển; khu vực phía biển tham khảo từ GEBCO-1/8.
- Số liệu gió: 3/2009; 8/2009 tần xuất 6h/lần (theo các obs quan trắc: 1h, 7h, 13h, 19h) tại
Hòn Dấu.
- Thủy triều: biên gần bờ O
1
, K
1
(MHDC)
- Số liệu hải văn: dòng chảy 3/2009; 8/2009 thuộc Đề tài: ĐT500 cấp TP. Hải Phòng
(IMER, 2009) và Đề tài: Công trình hồ chứa thượng nguồn đến diễn biến hình thái và tài
nguyên môi trường vùng cửa sông ven biển Đồng bằng Bắc Bộ (IMER, 2009-2011).
- Ngày lấy số liệu hiệu chỉnh: 30/8/2009 tại trạm B
3
và ngày 18-19/3/2009 tại trạm B
2
(ĐT500)
Để đánh giá và hiệu chỉnh cho mô hình thuỷ động lực khu vực của sông ven biển Hải
Phòng, chúng tôi đã sử dụng kết quả tính toán mực nước của mô hình tại Hòn Dáu so sánh với
mực nước trong Bảng thủy triều trong tháng 8 và tháng 3 (năm 2009).
Sau lần hiệu chỉnh cuối, các kết quả so sánh được đưa ra trên các hình 36 và hình 37 với
các hệ số tương quan tương ứng lần lượt là 0.98141 (8/2012) và 0.97148 (3/2012). Trong tháng
8: sai số căn phương trung bình bình phương RMSE = 0.14139 và sai số MAE = 0.13769 là gần
nhau, như vậy kết quả tính toán từ mô hình thủy động lực là chấp nhận được. Phân tích qua sai
số BIAS (ME) = -0.0101 mang giá trị âm, cho thấy xu thế trung bình các giá trị mực nước tính
toán từ mô hình thấp hơn các giá trị quan trắc tại trạm Hòn Dấu.
Trong tháng 3: hệ số tương quan Rvalue = 0.97148 gần 1 lên thể hiện khá tốt mối tương
quan giữa mực nước tính toán từ mô hình khi so sánh với mực nước quan trắc tại Hòn Dấu. Sai
số căn phương trung bình bình phương RMSE = 0.15897 và sai số MAE = 0.15172 gần nhau chỉ
ra phương sai nhỏ, do đó đây là kết quả chấp nhận được trong mô hình thủy lực. Mặt khác sai số
BIAS (ME) = 0.15471 dương, trái với xu thế phân tích trong tháng 8, xu thế này cho thấy trung
bình các giá trị mực nước tính toán từ mô hình cao hơn các giá trị quan trắc tại Hòn Dấu.
3.9 Triển khai mô hình lan truyển trầm tích
Mô hình vận chuyển và lan truyền trầm tích lơ lửng được xây dựng trên cơ sở các kết quả
tính toán từ mô hình thuỷ động lực. Thông tin thiết lập tính trầm tích: hàm lượng TTS tại sông
Cấm và Văn Úc sử dụng chuỗi trung bình ngày, các sông còn lại dung đặc trưng trung bình. Tiêu
dòng chảy sông vẫn khá mạnh khi mực nước dâng lớn nhất nên dòng chảy ở tầng mặt vào thời
điểm đó vẫn có giá trị tương đối lớn và có hướng chảy ra phía ngoài - hướng nam - đông nam và
tây nam.
Mùa mưa - pha triều xuống: Sự kết hợp giữa dòng chảy sông và dòng triều được thể hiện
rõ nét vào pha triều xuống tạo ra dòng chảy tổng hợp với vận tốc khá lớn so với các pha triều
khác. Hướng dòng chảy định hướng theo hướng của các các của sông ra phía biển, và chủ yếu là
hướng đông nam, tây nam và nam. Giá trị vận tốc dòng chảy biến đổi trong khoảng từ 0.2-
0.8m/s. Một số nơi do lòng dẫn hẹp như khu cửa Lạch Huyện, cửa Nam Triệu vận tốc dòng chảy
tầng mặt có thể đạt đến giá trị 0.8-1.0m/s. Trường dòng chảy trong pha triều này có hướng tương
đối đồng nhất giữa tầng mặt và đáy do sự đồng hướng chảy của dòng chảy sông và dòng triều.
Đặc điểm nổi bật ở cửa sông Văn Úc là bị chi phối mạnh mẽ bởi dòng chảy lũ từ trong sông.
Thành phần này có mặt và chiếm hầu như toàn bộ luồng lạch chính và một phần biển nông trước
"ngưỡng" cửa sông. Tốc độ dòng chảy lũ rất cao, lấn át dòng triều vốn tồn tại không phụ thuộc
vào chế độ mùa. Nước lũ chảy mạnh, đẩy khối nước mặn về phía trước đỉnh bar. Tốc độ dòng
chảy tổng hợp ở lòng dẫn cửa sông đặc biệt mạnh khi triều rút xuống thấp, có thể đạt và vượt tốc
độ 1m/s. Do độ dốc mặt nước trong sông lớn khi triều thấp và nước chảy trong lòng dẫn có thiết
diện nhỏ hẹp gây hiện tượng xói sâu lòng dẫn ở ngưỡng cửa sông, phá vỡ các bar chắn cửa sông.
Mùa mưa - nước ròng: Ở thời điểm nước ròng, khối nước từ sông có điều kiện phát triển ạnh mẽ
ra phía biển, tuy nhiên do giới hạn vốn có của lưu lượng nước sông nên dòng chảy có hướng ra
phía biển chỉ tồn tại trong phạm vi khoảng 10-20km từ bờ ra phía ngoài. Điều này cũng có thể
ảnh hưởng đến giới hạn phát tán vật chất từ lục địa ra vùng ven biển do thời điểm nước ròng chỉ
tồn tại trong thời gian khoảng 1-2 giờ và sau đó lại xuất hiện sự di chuyển của khối nước biển
hướng vào lục địa. Vận tốc của trường dòng chảy ở vùng ven biển Hải Phòng trong trường hợp
này chỉ biến đổi trong khoảng 0.1m/s đến 0.4m/s và có xu hướng giảm dần từ bờ ra phía ngoài.
So sánh trường dòng chảy tầng mặt và đáy ta thấy có sự khác biệt rõ rệt: trong khi vận tốc dòng
chảy tầng mặt lớn hơn nhiều so với tầng đáy và hướng ra phía ngoài thì dòng chảy tầng đáy khá
nhỏ và phân tán về hướng, điều này cho thấy khối nước sông đi ra biển chủ yếu trên tầng mặt và
xâm nhập vào khối nước biển từ lớp nước trên. Các trường hợp ở trên ta đều thấy xu hướng dịch
chuyển về phía nam và tây nam bán đảo Đồ Sơn của các khối nước trong các trạng thái biến đổi
biển, đặc biệt là khu vực cửa Văn Úc và Bạch Đằng. Hướng dòng chảy ở vùng phía ngoài các
cửa sông khá đồng nhất và định hướng về phía trong các sông. Cũng giống như vào mùa mưa,
trong mùa khô xu hướng di chuyển của các khối nước ở khu vực nghiên cứu vẫn là về phía nam
và tây nam bán đảo Đồ Sơn nhiều hơn. Mặc dù tải lượng nước từ sông đưa ra trong mùa khô
giảm mạnh nhưng sự tăng cường của dòng chảy tầng mặt do gió đông bắc làm cho xu hướng này
trong mùa khô rõ rệt hơn mùa mưa. Trong đó, đáng chú ý là sự biến đổi mạnh theo mùa của
trường dòng chảy ở cửa sông vùng ven biển Hải Phòng do lưu lượng nước sông và chế độ gió,
cho thấy khả năng phát tán, vận chuyển chất ô nhiễm có thể cũng sẽ biến đổi mạnh theo mùa.
Ảnh hưởng của dao động mực nước có thể làm tăng cường phát tán vật chất từ lục địa ra phía
ngoài vùng ven biển Hải Phòng nhưng cũng làm hạn chế hay mang vật chất trờ lại vùng cửa sông
trong pha triều lên, có thể xuất hiện các vùng front - nơi tập trung của các chất gây ô nhiễm từ
lục địa đưa ra và biển đưa vào. Sự dịch chuyển của các khối nước về phía nam-tây nam có thể
cho thấy sự di chuyển của các chất gây ô nhiễm về phía nam vùng cửa sông ven biển Hải Phòng
nhiều hơn về phía bắc và đông bắc. Mặc dù vẫn còn một số hạn chế nhưng các kết mô phỏng
thuỷ động lực từ mô hình Ecomsed cho khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng đủ tin cậy và là cơ
sở trong việc thiết lập các mô phỏng và dự báo lan truyền chất gây ô nhiễm của khu vực. Nhận
thấy Ecomsed là mô hình 3 chiều về thuỷ động lực, lan truyền chất ô nhiễm và các quá trình liên
quan đến vận chuyển trầm tích, có thể áp dụng rộng rãi cho những vùng cửa sông ven biển, đặc
biệt kể cả những vùng có chế độ động lực phức tạp như vùng cửa sông ven biển Hải Phòng. Tuy
nhiên chưa có điều kiện đi sâu vào đánh giá và so sánh vai trò của các thành phần dòng chảy
khác nhau như dòng chảy gió, dòng nhiệt muối, dòng chảy do nước sông đưa ra đối với dòng
chảy tổng hợp và sự vận chuyển vật chất ở khu vực này. Đây cũng là một hạn chế cần được khắc
phục trong thời gian tới.
4.2 Kết quả mô phỏng trầm tích lơ lửng vào mùa mƣa
Đặc điểm vận chuyển và lan truyền của trầm tích lơ lửng (TSS) có liên quan chặt chẽ đến
chế độ thủy động lực và nguồn cung cấp trầm tích. Vào mùa mưa hàm lượng TSS của các sông
Hải Phòng đều có giá trị lớn hơn 100mg/l. Tuy nhiên giữa các sông khác nhau cũng có sự phân
tán lớn, một số sông thường có hàm lượng trầm tích cao hơn các sông còn lại như sông Cấm và
Văn Úc. Với những đặc điểm đó các kết quả mô phỏng phân bố TSS trong mùa mưa 2009 cho
lục địa ra phía ngoài vùng cửa sông ven biển Hải Phòng thể hiện rõ trong pha triều xuống. Dưới
tác dộng của trường dòng chảy trong pha triều này, dòng trầm tích lơ lửng không chỉ phát triển ra
phía ngoài mà còn có xu hướng dịch chuyển nhiều về phía nam - tây nam theo hướng di chuyển
của các khối nước sông. Khu vực có hàm lượng TSS cao ngoài vùng sát các cửa sông còn xuất
hiện ở vùng ven bờ bán đảo Đồ Sơn (cả phía bắc và phía nam). Trong khi đó các khu vực như
phía nam Cát Hải và Cát Bà hầu như không có hàm lượng TSS cao, điều này cho thấy dòng trầm
tích lơ lửng từ các sông Hải Phòng ít có khả năng ảnh hưởng đến những khu vực đó. Các kết quả
mô phỏng cũng cho thấy ở trong pha triều này sự phát tán của trầm tích lơ lửng trên lớp nước
tầng mặt nhanh hơn so với tầng đáy. Đáng chú ý là khu vực ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn
hàm lượng tầm tích ở lớp nước mặt lớn hơn so với lớp đáy. Mùa mưa - nước ròng: Trong thời
điểm nước ròng, các khối nước sông cũng như dòng trầm tích lơ lửng từ lục địa có điều kiện phát
triển mạnh nhất ra phía ngoài, đặc biệt là phía cửa Nam Triệu và cửa Văn Úc. Một số khu vực
khác cũng xuất hiện trầm tích lơ lửng với hàm lượng tương đối cao là ven bờ phía nam đảo Cát
Hải và ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn. Mặc dù đây là thời điểm có điều kiện thuận lợi để dòng
trầm tích mở rộng ra phía ngoài biển nhất so với các pha triều khác nhưng phạm vi ảnh hưởng
của dòng trầm tích lơ lửng từ lục địa trong điều kiện thời tiết bình thường cũng chủ yếu ở vùng
cửa Nam Triệu, phía tây nam đảo Cát Hải, vùng ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn và phía nam
của Văn Úc. Tương tự như các thời điểm khác, vùng có hàm lượng TSS cao hơn ở tầng mặt
nhiều hơn tầng đáy.
Quan hệ Trầm tích lơ lửng TSS với các yếu tố: mực nước, vận tốc dòng chảy xét tại ba vị
trí B1, B2, B3 (8/2009). Biến đổi theo thời gian của hàm lượng TSS ở vùng cửa sông ven biển
Hải Phòng được phân tích tại 3 khu vực khác nhau là phía tây nam đảo Cát Bà, tây nam đảo Cát
Hải và phía ngoài cửa Văn Úc. Ở khu vực phía tây nam đảo Cát Bà, biến động của hàm lượng
TSS theo thời gian cho thấy ở khu vực này không chịu ảnh hưởng do các nguồn trầm tích từ lục
địa. Hàm lượng TSS ở khu vực này khá nhỏ với giá trị dao động đều nhỏ hơn 20mg/l. Với hàm
lượng TSS nhỏ và ít bị tác động từ vùng cửa sông nên hàm lượng TSS ở khu vực này khá ổn
định theo thời gian. Mặc dù vậy, trong những ngày nước lớn của kỳ triều cường có thấy xuất
hiện các đỉnh hàm lượng TSS khi triều xuống, điều này cho thấy ảnh hưởng dù rất nhỏ từ các cửa
sông. Ở khu vực phía nam và tây nam đảo Cát Hải, do vị trí gần các cửa sông của phía bắc bán
đảo Đồ Sơn hơn nên TSS trong nước giảm dần từ các cửa sông đó cho đến khu vực này còn dao
tác động của gió đông bắc nên dòng TSS có hướng di chuyển chủ yếu về phía tây nam sau khi ra
khỏi các cửa sông với phạm vi rất nhỏ so với mùa mưa. Mùa khô - nước ròng: Thời điểm nước
ròng mặc dù là thời gian dòng TSS trong lục địa có khả năng ảnh hưởng lớn nhất đến vùng ven
biển. Tuy vậy, cũng như trong pha triều xuống, dòng trầm tích lơ lửng chỉ có thể ảnh hưởng rất
hạn chế ở ngay phía ngoài các cửa sông. Khu vực ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn, ven bờ Cát
Hải và Cát Bà trong trường hợp này cũng có TSS rất thấp. Mùa khô - triều lên: thời điểm mùa
khô trong pha triều lên, cơ chế lan truyền và biến đổi của hàm lượng TSS ở vùng cửa sông ven
biển Hải Phòng trong trường hợp triều lên của mùa khô cũng tương tự như trong mùa mưa. Mặc
dù vậy sự suy giảm của nguồn trầm tích lơ lửng và tải lượng nức từ các sông đưa ra làm cho ảnh
hưởng của các khối nước biển có hàm lượng TSS thấp trở lên mạnh mẽ, vùng nước có hàm
lượng TSS sẽ thấp và tiến khá sâu vào các lòng sông trong khu vực nghiên cứu, nhất là các sông
có tải lượng nước thấp như sông Lạch Tray và sông Thái Bình.
Quan hệ Trầm tích lơ lửng TSS với các yếu tố: đối với thành phần mực nước, vận tốc
dòng chảy xét tại vị trí B2 (3/2009). Ở khu vực phía tây nam đảo Cát Bà, biến động của hàm
lượng TSS theo thời gian cho thấy ở khu vực này tuy không chịu ảnh hưởng do các nguồn trầm
tích từ lục địa nhưng có giá trị khá nhỏ so với mùa mưa. Hàm lượng TSS ở khu vực này khá nhỏ
với giá trị dao động đều nhỏ hơn 10mg/l. Với hàm lượng TSS nhỏ, ít bị tác động từ vùng cửa
sông nên TSS ở khu vực này khá ổn định theo thời gian. Giá trị ở tầng mặt tương đối nhỏ so với
tầng đáy. Trong khi đó, tại khu vực phía nam và tây nam đảo Cát Hải, do vị trí gần các cửa sông
của phía bắc bán đảo Đồ Sơn hơn nên TSS trong nước giảm dần từ các cửa sông đó cho đến khu
vực này còn dao động trong khoảng 5-30mg/l. Biến thiên theo thời gian của hàm lượng TSS phụ
thuộc chặt chẽ vào dao động mực nước và thể hiện vai trò của dòng trầm tích từ lục địa. Giá trị
hàm lượng TSS thường đạt cực đại khi nước ròng và giảm dần khi thủy triều tăng lên đến khi
cực tiểu hàm lượng vào gần các thời điểm nước lớn. Cũng như mùa mưa, chênh lệch về hàm
lượng TSS giữa tầng mặt (hay sự phân tầng) vào những ngày triều cường thường khá nhỏ và
tương đối lớn vào những ngày nước kém. Biến thiên của hàm lượng TSS cũng mạnh hơn vào
những ngày triều cường. Sự chênh lệch hàm lượng tầng mặt và đáy tuy không lớn nhưng cũng
thể hiện xu hướng lớn hơn một chút ở tầng mặt (chủ yếu vào những ngày nước kém). Khu vực
ven biển phía ngoài cửa sông Văn Úc chịu nhiều tác động do nguồn trầm tích lơ lửng của sông
References
Tiếng Việt
1. Phạm Hải An, 2010. Báo cáo tài liệu khí tượng thủy văn, thủy triều, mực nước biển khu
vực Hải Phòng / Dự án SEOA: Các giải pháp về xung đột môi trường ở các đô thị ven
biển. Cơ quan chủ trì: Viện Tài nguyên và môi trường biển
2. Nguyễn Văn Cư, 2008. Nghiên cứu quá trình động lực học, dự báo vận chuyển bồi lắng
bùn cát tại Lạch Huyện Nam Đồ Sơn trước và sau khi xây dựng cảng nước sâu và giải
pháp khắc phục.
3. Trần Đức Thạnh, 2001. Đánh giá mức độ ô nhiễm do nguồn thải lục địa, đề xuất giải
pháp kiểm soát, quản lý ô nhiễm vùng biển ven bờ phía bắc.
4. Trần Đức Thạnh, 2003. Điều tra hiện trạng môi trường sông Rế, sông Giá và đề xuất các
giải pháp bảo vệ.
5. Trần Đức Thạnh, 2006. Điều tra đánh giá tình trạng ô nhiễm suy thoái môi trường khu
vực cửa sông Cấm - Bạch Đằng, đề xuất các giải pháp bảo vệ.
6. Trần Đức Thạnh, 2010. Nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường và đề xuất các giải pháp
phát triển bền vững khu vực Vịnh Hạ Long - Vịnh Bái Tử Long
Copyright: Tài liệu đại học ©