Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 168-178

168
Mô phỏng lan truyền dầu trong sự cố tràn dầu
trên vịnh Bắc Bộ bằng mô hình số trị
Nguyễn Quốc Trinh
1
, Nguyễn Minh Huấn
2,
*, Phùng Đăng Hiếu
3
, Dư Văn Toán
3

1
Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, 4 Đặng Thái Thân, Hà Nội, Việt Nam
2
Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN,
334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam
3
Viện Nghiên cứu Quản lý Biển và Hải đảo, 125 Trung Kính, Hà Nội, Việt Nam

Nhận ngày 01 tháng 4 năm 2013
Chấp nhận xuất bản ngày 29 tháng 4 năm 2013
Tóm tắt. Tràn dầu là một trong những sự cố gây tác động môi trường nghiêm trọng nhất, dầu tràn
có thể gây ô nhiễm tại những khu vực rộng lớn, gây thiệt hại cả về kinh tế và môi trường. Vì vậy,
vấn đề nghiên cứu tính toán mô phỏng quá trình lan truyền dầu sau khi xảy ra các sự cố tràn dầu
trên biển để đề ra các phương án ứng cứu thích hợp là rất cần thiết. Một mô hình tràn dầu được
chúng tôi nghiên cứu và phát triển, trong mô hình này, dầu được phân chia làm hai lớp: lớp dầu
trên mặt và lớp dầu dưới mặt. Quá trình trao đổi dầu giữa lớp mặt và lớp dưới mặt cũng như quá
trình trao đổi dầu giữa lớp dưới mặt và đáy biển được mô phỏng chi tiết. Mô hình tràn dầu đã được

quá trình hoà tan, lắng đọng và trao đổi dầu
giữa các lớp nước, các mô hình loại này yêu
cầu cần phải có phân bố vận tốc dòng chảy 3
N.Q. Trinh và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 168-178

169
chiều do đó yêu cầu kỹ thuật lập trình phức tạp,
bộ nhớ máy tính lớn và thời gian tính toán dài.
Để khắc phục một phần các yếu điểm của
hai loại mô hình nêu trên, chúng tôi nghiên cứu
và phát triển một mô hình mô phỏng quá trình
tràn dầu, trong mô hình này dầu được phân chia
làm hai lớp: lớp dầu trên mặt và lớp dầu dưới
mặt. Lớp dầu dưới mặt được xem là có độ dày
10m. Quá trình trao đổi dầu giữa lớp mặt và lớp
dưới mặt cũng như quá trình trao đổi dầu giữa
lớp dưới mặt và đáy biển được mô phỏng chi
tiết. Ngoài ra, các quá trình khác ảnh hưởng tới
quá trình lan truyền dầu như gió, nhiệt độ và
dòng chảy cũng được tính đến thông qua kết
quả của các hệ thống mô hình khác.
Mô hình tràn dầu đã được áp dụng để mô
phỏng một số kịch bản lan truyền dầu trên vịnh
Bắc Bộ do vịnh Bắc Bộ là khu vực có nhiều hệ
thống cảng biển của Việt Nam và Trung Quốc,
tuyến hàng hải chính ở giữa vịnh với các nhánh
rẽ về phía các cảng. Bên cạnh đó, thời tiết ở
vịnh bị ảnh hưởng gió mùa mạnh, hiện tượng
sương mù thời kỳ giao mùa lớn và dày đặc làm
giảm tầm nhìn đáng kể, hiện tượng áp thấp

quát cho chuyển động và loang của dầu tràn
trên mặt nước được viết dưới dạng phương
trình bình lưu - khuyếch tán như sau:
   
 
y,xDSCSCCCv
y
C
K
yx
C
K
x
Cv
y
Cu
xt
C
s
dsessvb
s
y
s
x
ssss
s







(1)

ở đây: x, y và t là biến không gian và thời
gian; C
s
là mật độ dầu trên một đơn vị bề mặt
nước; C
v
là mật độ thể tích dầu dạng lơ lửng
trong lớp nước có dầu hòa tan; u
s
và v
s
là thành
phần vận tốc theo trục x và y; K
x

và K
y
là hệ số
khuếch tán dầu theo các trục x và y;  là hệ số
thể hiện xác suất để dầu hòa tan trong nước nổi
lên mặt nước; v
b
là tốc độ nổi của dầu trong lớp
nước lơ lửng;  là hệ số mô tả tốc độ dầu tại bề
mặt được phân tán hoà tan trong cột nước; S
d

x
y
HvC
x
HuC
t
HC
























và hoá học khá phức tạp xảy ra khi vết dầu di
chuyển được mô tả chi tiết dưới đây.
a. Quá trình bình lưu
Bình lưu là quá trình cơ học xảy ra do tổng
hợp các ảnh hưởng của dòng chảy bề mặt và lực
kéo của gió. Vận tốc trôi của dầu tại bề mặt
được xem là tổng tác động của vận tốc gió và
dòng chảy trung bình như sau
 
ccwwss
VVvuV

,
(3)
ở đây: V
w
là vận tốc gió tại độ cao 10m trên
mặt nước; V
c
là vận tốc dòng chảy trung bình;

w
là hệ số trôi của gió, thường được chọn bằng
0,3;

c
là hệ số trôi của dòng chảy, thường được
chọn bằng 1,1 (Stolzenbach và cs, 1977) [2].

b. Khuếch tán ngang

25.0
2
14.1 gVtR 
(4)
Pha thứ hai: trọng lực và lực nhớt giữ vai
trò chủ đạo

 
167.0
5.05.12
/98.0

tgVR 
(5)
Pha thứ ba: sức căng mặt ngoài và lực nhớt
giữ vai trò chủ đạo

  
25.0
232
/6.1
w
tR


(6)
Pha cuối, cân bằng

 
5.0

1
e
-k(t2-t1)
(8)
trong đó: V
1
và V
2
là thể tích của dầu trên
bãi biển trong thời gian t1 và t2 (tính bằng
ngày); k = (-ln(1/2))/ là hệ số suy giảm; với 
là chu kỳ bán phân rã. Giá trị của hệ số suy
giảm k thay đổi từ 0.001 - 0.01 đối với đầm lầy
tới 0.99 đối với bờ biển đá trong điều kiện sóng
nhẹ.
e. Quá trình bốc hơi
Quá trình bốc hơi dầu là quá trình làm mất
dầu nhiều nhất. Phần thể tích dầu bị bốc hơi
được xác định theo Mackey và cs (1980) [5]
như sau :
(9)
1
lnln
1







là hệ số trao đổi vật chất,
m/s; A là diện tích vết dầu m
2
; ν là thể tích phân
tử, m3/mol; R = 82.06 x 10
-6
là hằng số khí, atm
m3/(mol K); T là nhiệt độ tuyệt đối của dầu, có
thể lấy bằng nhiệt độ nước biển; V
o
là thể tích
dầu tràn ban đầu, m
3
;
Áp suất hơi ban đầu P
o
tính bằng atm tại
nhiệt độ T
e
được tính như sau
ln P
o
= 10.6 (1 – T
o
/T
e
) (11)
trong đó T
o
là nhiệt độ sôi ban đầu của dầu, tính

, tuỳ thuộc vào
thành phần dầu. Với dầu đốt, giá trị này nằm
trong khoảng 200.10
-6
m
3
/mol.
f. Các quá trình hòa tan và lắng đọng
Các quá trình hòa tan, bao gồm hòa tan của
dầu trong nước do quá trình nhũ tương hóa và
quá trình lắng đọng dầu được xác định theo các
công thức thực nghiệm (Cohen và cs (1980))
[6].
g. Ảnh hưởng của sóng tới quá trình hoà
tan dầu
Sóng có ảnh hưởng rất mạnh tới quá trình
lan truyền dầu. Sóng tạo ra dòng chảy ven, cùng
các dòng chảy có nguồn gốc khác vận chuyển
dầu dưới dạng bình lưu. Sóng vỡ, nhất là sóng
bạc đầu ảnh hưởng rất mạnh tới quá trình nhũ
tương hoá và hoà tan của dầu trong nước. Sóng
vỡ ven bờ chỉ giới hạn trong một khoảng hẹp
nên có thể bỏ qua ảnh hưởng của nó tới quá
trình lan truyền dầu. Việc mô phỏng sóng bạc
đầu trên toàn miền tính khá phức tạp nên trong
nghiên cứu này tạm thời chưa tính đến ảnh
hưởng của sóng vỡ tới quá trình lan truyền dầu.
2.2. Mô hình dòng chảy hai chiều
N.Q. Trinh và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 168-178



trong đó q
x
, q
y
tương ứng là lưu lượng dòng
chảy trên 1 đơn vị chiều rộng, tính từ đáy lên
đến mặt và vuông góc với x, y; η - dao động
mặt nước so với mực chuẩn (mực “0”); t - thời
gian; d - độ sâu; g - là gia tốc trọng trường; f –
tham số Coriolis; ν
th
– hệ số nhớt rối ngang; n -
độ nhám thuỷ lực; U
w
, V
w
- thành phần vận tốc
gió theo trục x và y; và C
z
- hệ số ma sát gió.
Theo số liệu thực nghiệm, hệ số ma sát gió
có thay đổi trong khoảng lớn từ 3.10
4
đến 5.10
-3

và là hàm phụ thuộc vào tốc độ gió. Garrat
(1977) [7] đã tổng hợp rất nhiều kết quả nghiên
cứu về hệ số ma sát gió trên các đại dương và

(1982) [8] cũng chỉ ra rằng công thức (19) với
a = 0,8 và b = 0,065 phù hợp với tất cả các số
trong toàn bộ phạm vi vận tốc gió, thậm chí còn
sử dụng được cho cả gió trong bão.
Trong thực tế, hệ số ma sát gió không chỉ
phụ thuộc vào tốc độ gió mà còn phụ thuộc
những điều kiện ổn định khí quyển gần bề mặt,
độ sâu nước v.v. Tuy nhiên, trong những điều
kiện nghiên cứu ở đây có thể cho rằng những
ảnh hưởng này là không đáng kể và do vậy giá
trị của hệ số ma sát gió tính theo biểu thức (19)
với các hệ số do Wu (1982) [8] đề nghị đã được
lựa chọn.
Trên thực tế, hệ số nhớt rối ngang ν
th
có thể
được xác định theo độ sâu nước và vận tốc
dòng chảy. Tuy nhiên, sẽ bị mất thêm nhiều
thời gian tính mà kết quả thay đổi không đáng
kể, nên trong khi thực hiện tính toán chúng tôi
lấy giá trị ν
th
= 0,1 m
2
/s. Giá trị này nói chung
nhỏ hơn giá trị hệ số nhớt rối ngang ở vùng gần
bờ, nhưng thích hợp cho việc sử dụng mô hình
tích phân dòng chảy theo độ sâu.
2.3. Mô hình khí tượng – HRM
Mô hình dự báo thời tiết HRM được phát

của áp suất bề mặt p
s
, nhiệt độ T, hơi nước q
v
,
lượng nước mây q
c
, lượng băng mây q
i
, các
thành phần gió ngang u,v và một vài thông số
bề mặt đất. Ngoài ra mô hình còn cho ra các kết
quả chẩn đoán với các biến tốc độ thẳng đứng
ω, địa thế vị Φ, độ phủ mây clc, độ khuyếch tán
tkvm/h. Các biến này có trong hệ phương trình
của mô hình.
3. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
Tại các điểm trên biên ngoài khơi, giá trị
mực nước được dựa trên hằng số điều hòa trên
biên của 08 sóng chính O1, K1,M2, S2, P1, Q1,
K2 và N2. Tại các biên trên mặt là trường gió
sản phẩm gió từ mô hình HRM. Gradient của
nồng độ dầu được cho bằng 0 tại các biên hở
ngoài khơi. Điều kiện biên trượt được áp dụng
cho tất cả biên cứng. Điều kiện ban đầu là độ
dày của lớp dầu tại điểm tràn dầu được tính
theo số lượng dầu thoát ra khỏi tàu ngay sau khi
có sự cố.
4. Sơ đồ sai phân và lời giải số trị
Hệ phương trình được rời rạc hoá bằng một

174
Số liệu khí tượng làm đầu vào là kết quả dự
báo của mô hình khi tượng HRM với trường gió
bao phủ toàn bộ vịnh Bắc bộ với thời gian giữa
các trường số liệu là 3 giờ.
Số liệu hải văn làm đầu vào là bộ hằng số
điều hòa của 08 sóng chính O1, K1,M2, S2, P1,
Q1, K2 và N2.
Số liệu dầu tràn
Vị trí xảy ra sự cố giả định được xác định
cho khu vực với các vị trí nằm trên tuyến hàng
hải quốc tế. Hàm lượng dầu tràn ra khi có sự cố
được xác định dựa trên những cơ sở và dữ liệu
đã có bằng 0,7% tải trọng dầu của con tàu. Khu
vực này có mật độ tàu hoạt động và neo đậu
khá phức tạp cho nên nhóm tác giả đã lựa chọn
lượng dầu tràn ra trên 10 điểm là 500 tấn với
thời gian tràn liên tục trong 10 giờ.

Hình 1. Bản đồ vị trí sự cố tràn dầu giả định trên khu
vực vịnh Bắc Bộ.
a1 Trường gió dự báo sau 12 giờ.
a2 Trường dòng chảy- mực nước dự
báo sau 12 giờ.
a3 Trường dầu dự báo sau 12 giờ.
Hình 2. Bản đồ các trường gió, dòng chảy mực nước và dầu dự báo từ 0 giờ ngày 01/10/2010.
N.Q. Trinh và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 168-178
b1. Trường gió dự báo sau 24 giờ.
b2. Trường dòng chảy - mực nước
dự báo sau 24 giờ.
b3. Trường dầu dự báo sau 24 giờ
Hình 6. Bản đồ các trường gió, dòng chảy mực nước và dầu dự báo từ 0 giờ ngày 07/10/2010.
b1. Trường gió dự báo sau 24 giờ
b2. Trường dòng chảy - mực nước
dự báo sau 24 giờ
b3. Trường dầu dự báo sau 24 giờ
Hình 7. Bản đồ các trường gió, dòng chảy mực nước và dầu dự báo từ 0 giờ ngày 08/10/2010.
c1. Trường gió dự báo sau 72 giờ
c2. Trường dòng chảy - mực nước
dự báo sau 72 giờ
c3. Trường dầu dự báo sau 72 giờ
Hình 8. Bản đồ các trường gió, dòng chảy mực nước và dầu dự báo từ 0 giờ ngày 10/10/2010.
N.Q. Trinh và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 168-178

177
a. Tháng 1 b. Tháng 2

đến vùng ven biển vịnh Bắc Bộ của nước ta là
thấp.
Để có thể áp dụng tính toán phục vụ thực tế,
mô hình này cần phải được kiểm chứng với các
số liệu đo đạc hiện trường của các sự cố đã xảy
ra trong quá khứ. Tuy nhiên, các số liệu dạng
này ở Việt Nam rất khan hiếm nên việc kiểm
chứng mô hình hiện tại chưa thực hiện được.
Trong tương lai, dự kiến sẽ tiến hành thu thập
các số liệu trong nước và nước ngoài để kiểm
chứng đánh giá và hiệu chỉnh mô hình.
Tài liệu tham khảo
[1] Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Biển. Sổ tra cứu
các đặc trưng khí tượng thuỷ văn vùng thềm lục
địa Việt Nam, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội,
2000.
[2] Stolzenbach, K. D., O. S. Madsen, E. E. Adams,
A. M. Pollak and C. K. Cooper, 1977: Review and
evaluation of basic techniques for predicting the
behaviour of surface oil slicks. Rep.
Massachusetts Inst. Technol., Dep. Civil Engng.
N°. 222, 315 pp. [unpubl. Manuscript]
[3] Fischer, H.B., E.J. List, R.C.Y. Koh, J. Imberger,
and N.H. Brooks Mixing in inland and coastal
water, Academic Press, 1979
[4] Yapa, P.D., Oil Spill Processes and Model
Development. Journal of Advanced Marine
Technology , 1994, 11, 1-22.
[5] Mackay, D., I.A. Buist, R. Mascarenhas and S.
Paterson (1980) Oil spill processes and models.

Faculty of Hydro-Meteorology and Oceanography, VNU University of Science,
No 334 Nguyen Trai Str., Hanoi, Vietnam
3
Institute for Marine and Island Research and Management, No 125 Trung Kinh Str., Hanoi, Vietnam

Oil spill is one of the most serious problems that have severe impact on the environment. Oil spill
can contaminate large areas, cause great damage in terms of both economy and environment. So the
simulation of the oil spread after the incident occurs on the sea to set out appropriate rescue plans is
necessary. An oil spill modeling has been researched and developed, in this model the oil is divided
into two layers: surface layer and below surface layer. Exchange processes between the surface layer
and the below surface layer of the oil as well as the exchange of oil between the layers below the
surface and the seabed is modeled in detail. Oil spill model was applied to simulate some test
scenarios of oil spread in the Gulf of Tonkin.
Keywords: oil spill, two layers oil spill model, the Gulf of Tonkin.