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

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


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

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 thu 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

của các thông số chọn lọc. Các k 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 NH
4
+
, NO
3
-
, NO
2
-
, 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 trnh động lực và quá trình truyền tải các vật chất gồm BOD, DO,
NO
3
-
, PO
4
+
, NH
3
+
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 hnh tính toán cũng khác nhau. Có thể liệt kê một số mô
hnh thường được áp dụng để đánh giá chất lượng nước trên thế giới.
Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô
hnh được xây dựng dựa trên mô hnh trước đó (WASP – được xây dựng bởi Di
Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 1988). Mô hnh này được
sử dụng để mô tả và dự báo chất lượng nước giúp các nhà quản l đưa ra những
quyết định, giải pháp đối phó với các hiện tượng ô nhiễm do tự nhiên và con người.
Mô hnh này cho php 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 hnh 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 hnh 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

nước, trong đó module RMA4 là mô hnh 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 hnh 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 trnh dinh dưỡng vĩ mô và động vật phù du như là mô hnh
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 hnh 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 hnh 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

đích xây dựng căn cứ khoa học trong việc xây dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển
Hồ Tây. Nội dung đã xem xt đến khả năng biến động các yếu tố DO, BOD, COD,
NH
4
+
, NO
3
-
, PO
4
-
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 trnh 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 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

8


9 (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 mật độ nước; , , và
là các thành phần tenxơ ứng suất bức xạ; là nhớt rối theo phương thẳng
đứng; là áp suất khí quyển; 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
môi trường xung quanh.
Biến số có đường gạch ngang biểu thị giá trị trung bnh theo độ sâu. Ví dụ,
và là các thành phần vận tốc trung bnh theo độ sâu được xác định bởi:

dạng:

(1.8)
với là trung bnh theo độ sâu của đại lượng vô hướng, F
C
là nhóm khuếch tán theo
phương ngang của đại lượng vô hướng, k
p
là tốc độ suy giảm tuyến tính của đại
lượng vô hướng, C
s
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

11
(1.9)
trong đó, c
f

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 toán hai chiều là vận tốc trung bnh theo độ sâu và hệ số ma
sát đáy có thể được xác định từ hệ số Chezy, C, hoặc hệ số Manning, M


, w
a
và w
b
là các hệ số thực nghiệm và w
10
là tốc độ gió tại độ cao
10m trên mực nước biển. Giá trị mặc định của các nhân tố thực nghiệm là
c
a
=1.255x10
-3
, c
b
=2.425x10
-3
, w
a
=7m/s và w
b
=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 không gian
Miền tính được rời rạc hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Theo
phương pháp này, miền tính toán được chia nhỏ thành các phần tử liên tục không
chồng nhau. Trong không gian hai chiều, vùng tính toán có thể được rời rạc hóa
thành từng phần tử dạng đa giác, tứ giác hoặc tam giác.
Các phương trnh nước nông
Dạng tổng quát của hệ các phương trnh nước nông có thể được viết dưới

(1.19)
trong đó, A
i
là diện tích của phần tử thứ i, Ω là tích phân biến xác định trên A
i
, Г
i
là
biên của phần tử thứ i và ds tích phân biến dọc theo biên. n là vctơ pháp tuyến đơn
vị hướng ra ngoài 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 trnh 1.19 được viết lại,

(1.20)
Ở đây U
i
và S
i
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, n
j
vctơ
pháp tuyến ngoài đơn vị tại cạnh thứ j và Г
j
là chiều dài của giao diện thứ j.
Trong trường hợp 2D phép xấp xỉ Riemann được sử dụng để tính toán các
thông 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 k thuật tái cấu trúc
gradient tuyến tính. Các giá trị gradient trung bnh được ước lượng thông qua phép

(1.24)
b. Các điều kiện biên
Biên kín
Dọc theo các biên kín (biên đất liền), thông lượng trao đổi qua các biên
này thường được áp đặt là giá trị 0 cho tất cả các biên. Đối với các phương trnh
động lượng điều này hướng đến điều kiện biên trượt hoàn toàn dọc theo biên đất.

15

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 trnh 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 toán. Công
thức tính toán được xây dựng lại bởi sự giảm thông lượng động lượng tới giá trị
không và chỉ tính toán tới thông 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 h
dry
, và độ sâu nước ở cạnh khác của bề mặt lớn hơn độ sâu độ sâu tới hạn ngập

, được xác định theo điều kiện h
dry
< h
flood
< h
wet
.

16

1.3 MÔĐUN ECOLAB
1.3.1 Cơ sở lý thuyết
Động lực học của bnh lưu các biến trạng thái trong ECO Lab có thể được
mô tả bằng các phương trnh truyền tải của vật chất không bảo toàn, có dạng:

(1.25)
trong đó:
c: Nồng độ của biến trạng thái ECO Lab
u, v: Các thành phần vận tốc dòng chảy
D
x
, D
y
: Các hệ số khuếch tán theo phương x và y
S
c
: Nguồn sinh và nguồn mất
P
c
: Các quá trình trong ECO Lab

thành phần bnh lưu - khuếch tán có thể được giải một cách riêng lẻ.
Phương pháp giải số được sử dụng trong mô hnh ECO Lab là phương
pháp Euler, Runge Kutta 4, Runge Kutta 5.

1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD)
a. Ôxy hòa tan (DO)
DO là lượng ôxy hoà tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh
vật nước (cá, lưỡng thê, thu sinh, côn trùng v.v ) thường được tạo ra do sự hoà
tan từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo, Nồng độ ôxy tự do trong nước phụ
thuộc vào nhiệt độ, sự phân hu 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 thu vực.
Quá trình cân bằng ôxy 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), quá trnh đạm
hóa, nhu cầu ôxy sinh hóa, quá trình quang hợp, quá trình hô hấp, nhu cầu ôxy trầm
tích (chỉ ở đáy). Các quá trnh đó được mô tả bằng phương trnh cân bằng sau: 18
(1.29)
trong đó:
Quá trình trao đổi ôxy giữa ôxy hòa tan trong nước và khí quyển
(g/m
3

một nguyên nhân khác làm suy giảm ôxy. Quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố
nhiệt độ, nồng độ ôxy và nộng độ vật chất hữu cơ.
19

(1.29c)
Quá trình quang hợp (g O
2
/m
2
/ngày). Các sản phẩm ôxy từ quá trình
quang hợp được mô tả thông 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 O
2
/m
2
/ngày). Sự suy giảm nồng độ ôxy
bởi quá trình hô 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


H
V
HS_nitr
Y
1

Photosynthes
P
max

τ
α
t
up
, t
down

respiration
R
1

θ
1

R
2

θ
2

2
/m
2
/ngày)
Tốc độ hô hấp của thực vật ở 20
o
C (g O
2
/m
2
/ngày)
Hệ số nhiệt độ trong quang hợp
Tốc độ hô hấp của động vật và vi khuẩn (dị dưỡng) (g O
2
/m
2
/ngày)
Hệ số nhiệt độ trong hô hấp dị dưỡng
Hàm hấp thụ ánh sáng
Hệ số hấp thụ ánh sáng (1/m)

Trích đoạn Thu thập số liệu Điều kiện biên và điều kiện ban đầu HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH Kết quả tính toán cho mùa khô Kết quả tính toán cho mùa mưa

---