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


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)...................................................18
1.3.3 Các hợp phần của Nitơ...............................................................................................21
1.3.4 Hợp phần của Photpho...............................................................................................24
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...............................................................................................................26
2.1.3 Đặc điểm thủy, hải văn...............................................................................................26
2.1.4 Đặc điểm nhiệt - muối................................................................................................28
2.1.5 Đặc điểm dòng chảy...................................................................................................29
2.1.6 Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước...............................................................30
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 MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ...................................................................33
3.1 THIẾT LẬP CÁC THÔNG TIN ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH..........................................33
3.1.1 Thu thập số liệu..........................................................................................................33

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
1


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

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.

4


Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model)


(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

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
7


các vật chất từ các cửa sông, các quá 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
quá trình sinh học để nghiên cứu quá trình tự làm sạch của môi trường biển khu vực
vịnh Cam Ranh với nguồn thải là các nhà máy và các khu công nghiệp. Đề tài sử
dụng mô hình ECOSMO để tính toán, mô phỏng quá trình lan truyền một số thành
phần vật chất gây ô nhiễm, các quá trình sinh hóa từ đó có những đánh giá về quá
trình tự làm sạch vịnh. Bên cạnh đó còn có các công trình nghiên cứu về môi trường
khu vực này nhưng thường tập trung phân tích hiện trạng môi trường và chưa có
nhiều kết quả nghiên cứu dựa trên các mô hình số trị để có thể mô phỏng quá trình
lan truyền các vật chất gây ô nhiễm vịnh từ các cửa sông dựa trên mối liên hệ với
quá trình động lực. Ngoài 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 mô toàn 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 Hòa định hướng đến năm 2020 thì đầm Thủy Triều
ngày càng đóng vai trò quan trọng đến chất lượng môi trường nước toàn vịnh Cam
Ranh. Vì thế, tính toán lan truyền vật chất ô 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


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

9


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 bình theo độ sâu. Ví dụ,
và

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

(1.4)
Thành phần ứng suất bên Tij (i,j = x,y) bao gồm cả ma sát nhớt, ma sát rối và


là trung bình theo độ sâu của đại lượng vô hướng, F C là nhóm khuếch tán theo

phương ngang của đại lượng vô hướng, kp là tốc độ suy giảm tuyến tính của đại
lượng vô 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

(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 toán 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

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 trình nước nông
Dạng tổng quát của hệ các phương trình nước nông có thể được viết dưới
dạng:
(1.16)

12


với U là các biến bảo toàn, F là hàm véctơ thông lượng và S là véctơ của các nhóm
nguồn.
Trong tọa độ Đề-các, hệ các phương trình nước nông 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)

,

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

13



Các phương trình dạng tổng quát được viết:
(
(1.22)
Trong mô phỏng 2D, có hai phương pháp giải cho tích phân theo thời gian
đối với hệ phương trình nước nông 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), 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 trình
động lượng điều này hướng đến điều kiện biên trượt hoàn toàn dọc theo biên đất.
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 toán. Công

(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
16


Sc: Nguồn sinh và nguồn mất
Pc: Các quá 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 toán 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 quá trình nội tại và các quá trình bình lưu - khuếch tán.

(1.27)
Thành phần bình lưu - khuếch tán được xấp xỉ bằng công thức
(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 môđun AD.

Một lợi thế chính của phương pháp này là liên kết được phương pháp giải

(1.29a)
Giá trị Cs được tính thông qua biểu thức thực nghiệm sau:
18


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

Quá trình Nitrat hóa (g/m3/ngày), Y1: hệ số bổ sung cho ôxy. Đây là một
quá trình khác ảnh hưởng tới cân bằng ôxy khi ôxy được sử dụng trong quá 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 ôxy. Quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố
nhiệt độ, nồng độ ôxy và nộng độ vật chất hữu cơ.
(1.29c)
Quá trình quang hợp (g O2/m2/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/m2/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
lượng ôxy và nhiệt độ (g/m3/ngày). Lưu ý rằng các vật chất hữu cơ trầm tích trong

19


H

Độ sâu nước (m)

V

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

HS_nitr

Nồng độ bán bão hòa Nitrat hóa (mg O2/l)

Y1

Nhân tố bổ sung cho ôxy

20