Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN<br />
CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC BIỂN VEN BỜ<br />
TẠI TRUNG TÂM ĐIỆN LỰC DUYÊN HẢI<br />
Nguyễn Thị Kim Yến*, Nguyễn Thị Thơm,<br />
Nguyễn Thị Hồng Nhung, Lương Viên Bội Dinh<br />
Tóm tắt: Trung tâm Điện lực Duyên Hải bao gồm các nhà máy nhiệt điện đáp<br />
ứng nhu cầu điện năng của quốc gia, đặc biệt là khu vực phía Nam. Với nguồn<br />
nhiên liệu chính là than, quá trình hoạt động của các nhà máy nhiệt điện tiềm ẩn<br />
những nguy cơ và các tác động đến môi trường khi có những sự cố xảy ra hoặc các<br />
hệ thống xử lý môi trường không được kiểm soát tốt. Các nhà máy đã sử dụng một<br />
lượng lớn nước biển ở khu vực đê chắn sóng để làm mát tổ máy phát điện, nước<br />
biển sau quá trình làm mát sẽ theo hệ thống kênh dẫn thải ra biển. Kết quả mô<br />
phỏng quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong nước biển ven bờ khu vực Trung tâm<br />
Điện lực Duyên Hải nhằm đánh giá hiện trạng môi trường nước biển ven bờ và làm<br />
cơ sở cho việc mô phỏng quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong nước biển ven bờ,<br />
phục vụ dự báo và đề xuất các biện pháp quản lý môi trường tốt hơn.<br />
Từ khóa: Trung tâm Điện lực Duyên Hải; Nước biển ven bờ; Mô hình MIKE21.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Trung tâm Điện lực Duyên Hải được xây dựng tại ấp Mù U, xã Dân Thành và một<br />
phần của ấp Cồn Trứng, xã Trường Long Hoà, thị xã Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh. Các dự án<br />
tại Trung tâm Điện lực Duyên Hải thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) bao gồm<br />
Nhà máy Nhiệt điện (NMNĐ) Duyên Hải 1, Duyên Hải 2, Duyên Hải 3, Duyên Hải 3 mở<br />
rộng và Cảng biển Trung tâm Điện lực Duyên Hải. [1,2,4]<br />
Việc vận hành NMNĐ Duyên Hải 1 (tháng 1/2016) và Duyên Hải 3 (tháng 3/2017) đã<br />
góp phần quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, đặc biệt là khu vực<br />
phía Nam và miền Tây Nam bộ. Tuy nhiên, quá trình vận hành các nhà máy nhiệt điện<br />
than có các ảnh hưởng nhất định đến chất lượng nước biển ven bờ và khu vực lân cận. [3,5]<br />
Việc mô phỏng quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong nước biển ven bờ với mô hình<br />
MIKE nhằm đánh giá hiện trạng cũng như đưa ra cái nhìn tổng quan về ảnh hưởng, tác<br />
động do các hoạt động của các nhà máy đến môi trường nước biển ven bờ và đời sống, sản<br />
xuất của người dân trong vùng là vô cùng cần thiết.<br />
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br />
Để đánh giá hiện trạng và dự báo diễn biến chất lượng nước biển ven bờ, cụ thể là phân<br />
tán nhiệt cùng nồng độ mặn do xả thải nước làm mát của 2 NMNĐ Duyên Hải 1, Duyên<br />
Hải 3 hiện tại và 4 NMNĐ Duyên Hải 1, 2, 3 và 3 mở rộng trong tương lai, nhóm thực<br />
hiện đã ứng dụng mô hình hai chiều của MIKE21 cùng mô hình lan truyền chất MIKE<br />
21FM nhằm đánh giá hiện trạng môi trường cũng như diễn biến về chất lượng nước biển<br />
ven bờ trong khu vực và làm cơ sở cho dự báo các tác động có thể có trong tương lai khi<br />
tất cả các nhà máy hoạt động đủ công suất.<br />
2.1. Cơ sở lý thuyết<br />
Mô hình MIKE21 là mô hình chất lượng nước dự báo lan truyền ô nhiễm nhiệt, độ<br />
mặn, dầu trong nước biển.<br />
Mô hình MIKE21FM là một hệ thống mô hình toán học phổ biến cho việc mô phỏng<br />
thuỷ động lực của các dòng chảy đồng nhất thẳng đứng và cho việc mô phỏng chuyển<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 65, 02 - 2020 233<br />
Thông tin khoa học công nghệ<br />
<br />
động của dòng chảy. Hệ thống lập mô hình có khả năng sử dụng cả lưới tính toán đường<br />
thẳng cũng như đường cong. Chúng được xây dựng để tính toán chất lước nước trong<br />
sông, biển và hồ chứa.<br />
MIKE21FM được sử dụng cho các ứng dụng tương tự như MIKE21 chuẩn, cụ thể là<br />
việc mô phỏng dòng chảy bề mặt tự do 2 chiều và di chuyển của chất lượng nước trong hồ,<br />
cửa sông, vịnh và các khu vực bờ biển mà ở đó việc phân tầng có thể bị bỏ qua.<br />
- Phạm vi ứng dụng của mô hình bao gồm:<br />
Mô phỏng thủy lực 2 chiều;<br />
Mô phỏng tải khuếch tán (tính toán theo vật lý);<br />
Mô phỏng chất lượng nước (các phản ứng hóa học);<br />
Mô phỏng vận chuyển bùn cát.<br />
- Cơ sở tính toán của mô hình mô phỏng:<br />
+ Phương trình thủy lực cơ bản: Mô hình dòng chảy dựa trên các mối quan hệ bảo toàn<br />
các đại lượng vật lý, bao gồm bảo toàn khối lượng, bảo toàn động lượng và bảo toàn năng<br />
lượng. Biểu diễn các quá trình, các yếu tố đặc trưng của một khối chất lỏng nhỏ chuyển<br />
động, ta được hệ các phương cơ bản hay hệ phương trình Navier - Stockes.<br />
1<br />
= − + + + − ⃗∇ (1)<br />
1<br />
= − + + + − ⃗∇ (2)<br />
<br />
=− (3)<br />
∇⃗ = 0 (4)<br />
Trong đó:<br />
<br />
u : Vector vận tốc; : Trọng lượng riêng của nước;<br />
t: Thời gian; g: 9,81 m/s2;<br />
f: Hệ số coriolis; u,v: Thành phần vận tốc theo phương x, y;<br />
o: Trọng lượng riêng trung bình của nước; P: Áp suất.<br />
Thành phần áp suất trong lòng chất lỏng được thân ra làm hai phần chính: Barotropic -<br />
áp suất không khí theo vị trí địa lý và Baroclinic - áp suất nội tại trong lòng chất lỏng.<br />
P = pe + pI<br />
pe = g0 + pa.<br />
pi = gz dz<br />
Trong đó: là cao độ mực nước;<br />
pa là áp suất không khí;<br />
: - 0.<br />
Điều kiện biên bậc hai (quadratic) sử dụng cho thành phần sức cản ma sát trên bề mặt<br />
và dưới đáy của dòng chảy.<br />
u<br />
s x a ver K S a u a u a2 v a2 (5)<br />
z z <br />
v<br />
s y a ver K S a v a u a2 v a2 (6)<br />
z z <br />
Thành phần ma sát tại đáy được xác định theo dạng bậc hai (quadratic) như sau:<br />
<br />
<br />
234 N. T. K. Yến, …, L. V. B. Dinh, “Mô hình hóa và mô phỏng … điện lực Duyên Hải.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
u<br />
b x 0 ver K bq 0 u u 2 v 2 (7)<br />
z z H<br />
v<br />
b y 0 ver K bq 0 v u 2 v 2 (8)<br />
z z H<br />
Thành phần ma sát đáy được xác định theo dạng tuyến tính (linear) như sau:<br />
= và = (9)<br />
sx , sy , bx , by: Thành phần lực ma sát bề mặt do gió và lực cản đáy;<br />
Ks: Hệ số ma sát của gió;<br />
ua,va: Vận tốc gió theo phương ngang;<br />
a: Trọng lượng riêng của không khí;<br />
H: Độ sâu dòng chảy;<br />
Kbq: Hệ số ma sát đáy theo phương pháp toàn phương;<br />
Kbl: Hệ số ma sát đáy theo phương pháp tuyến tính = r/H hoặc = rH.<br />
+ Phương trình lan truyền chất cơ bản: Tính toán sự biến đổi nồng độ trong khối nước<br />
được mô tả trong phương trình sau:<br />
= − ∇ + ∇( ∇ )+ + + (10)<br />
Trong đó:<br />
c: Nồng độ;<br />
Dhor, Dver: Hệ số khuếch tán theo phương ngang và đứng;<br />
Pc: Quá trình sinh - lý - hóa;<br />
Sc: Nguồn và phần truyền vào từ bên ngoài.<br />
Phương trình biến đổi nồng độ trên là phương trình tổng quát cho mô hình lan truyền<br />
chất về sau với các mô đun khác nhau như tính toán xâm nhập mặn với các thành phần<br />
sinh hoá bằng không do mặn được coi là chất bền không có phải ứng hoá học hoặc vi<br />
sinh,… còn đối với bùn cát cũng như chất lượng nước thành phần này khác không do có<br />
quá trình lắng đọng hoặc phản ứng hoá sinh,...<br />
Phương trình trên là nền tảng cho các dạng mô hình 1D, 1D+, 2D, 2D+, 3D khi lần lượt<br />
giảm hoặc coi giá trị theo phương nào đó không đổi (trung bình theo các phương đó).<br />
Ta có thể khai triển phương trình trên theo dạng như sau:<br />
+ + + = + + (11)<br />
Trong đó:<br />
C: Nồng độ chất khuếch tán.<br />
u, v, w: Vận tốc tức thời theo phương x, y, z.<br />
Dx, Dy, Dz: Hệ số khuếch tán phân tử theo toạc độ x, y, z.<br />
Thay nồng độ và vận tốc tức thời bằng tổng giá trị trung bình theo thời gian và giá trị<br />
biến động như sau:<br />
= ̅ + và ⃗ = + ′ (12)<br />
Phương trình lan truyền chất 3 chiều được viết lại như sau:<br />
+ + + = + + (13)<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 65, 02 - 2020 235<br />
Thông tin khoa học công nghệ<br />
học<br />
<br />
Trong đó, các giá tr trịị Kx, Ky, Kz llàà hhệệ số khuếch tán theo ph phương<br />
ương x, y, z [1, 2]2].<br />
Mô hình MIKE11, MIKE21FM ccũng ũng nh như<br />
ư một<br />
một số mô hhình ình thương<br />
thương mạimại khác nh nhưư<br />
DUFLOW, HECRAS,… đđều ều lấy các phphương<br />
ương tr<br />
trình<br />
ình cơ<br />
cơ bản<br />
bản tr<br />
trên<br />
ên làm nnềnền tảng toán học mô<br />
phỏng ddòng<br />
phỏng òng chảy<br />
chảy thủy lực, lan truyền chất rắng nh nhưư bùn cát ccũng<br />
ũng như<br />
như các ch ất tr<br />
chất trơ<br />
ơ như<br />
mặnặn vvàà các ch<br />
chất<br />
ất không bền nh nhưư BOD, DO, SS,...<br />
Bên cạnh<br />
cạnh mô hhình<br />
ình lan truy<br />
truyền<br />
ền chất 2 chiều, phầ phầnn mô phphỏng<br />
ỏng sử dụng kết quả tính toán<br />
sóng khu vvực ực biển Đông do Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam thực hiện bằng mô hhình ình<br />
MIKE21SW tính sóng bi biển<br />
ển Đông.<br />
2.2. KKịch<br />
ịch bản tính toán<br />
KB1 - Kịch<br />
Kịch bản hiện trạng: NMNĐ DH1 (2 tổ máy), DH3 (1/2 tổ máy) đđãã được ợc xây<br />
3<br />
dựng<br />
ựng vvàà đưa vào vậnvận hhành.<br />
ành. Lưu lư lượng<br />
ợng lấy vvàoào mỗi<br />
mỗi nhà<br />
nhà máy là 56 m /s, nhi nhiệt là 30oC,<br />
ệt độ là<br />
nhiệt độ xả ra theo số liệu đo đạc tại cửa xả.<br />
nhiệt<br />
KB2.1 - Kịch ịch bản phát triển: NMNĐ DH1 (2 tổ máy), DH3 (2 tổ máy) vvàà DH3MR (1<br />
tổ<br />
ổ máy) đđãã được<br />
được xây dựng vvàà đưa vào vvận ận hhành.<br />
ành. Lưu lưlượng<br />
ng llấy<br />
ấy vvào<br />
ào mỗi<br />
mỗi nh<br />
nhàà máy là 56<br />
m3/s, nhiệt là 30oC, nhi<br />
nhiệt độ là nhiệt<br />
ệt độ xả ra theo số liệu đo đạc tại cửa xả.<br />
KB2.2 - Kịch ịch bản phát triển: NMNĐ DH1 (2 tổ máy), DH2 (2 tổ máy), DH3 (2 tổ máy)<br />
và DH3MR (1 ttổổ máy) ho hoàn<br />
àn thành và đưa vào vvận ận hành.<br />
hành. Lưu lư lượng<br />
ợng lấy vvào<br />
ào m ỗi nhà<br />
mỗi nhà máy<br />
là 56 m3/s, riêng nhà máy DH3MR là 26 m3/s, nhiệt là 30oC, nhi<br />
nhiệt độ là nhiệt<br />
ệt độ xả ra theo ssố ố liệu<br />
đo đđạc<br />
ạc tại cửa xả [7].<br />
2.3. Th<br />
Thờiời gian, địa điểm<br />
Mỗi kịch bản đều đđư<br />
Mỗi ượcợc mô phỏng lan truyền theo 2 m mùa:<br />
ùa: Mùa mưa và mùa khô.<br />
Mẫu nước<br />
Mẫu n ớc biển ven bờ khu vực TTĐLDH đđược ợc lấy với tần suất 6 lần/ng<br />
lần/ngày<br />
ày (c<br />
(cứ<br />
ứ mỗi 4<br />
giờờ lấy 1 mẫu) trong 7 ng ngày<br />
ày liên ttục.<br />
ục. V<br />
Vịị lấy lấy mẫu có tọa độ nh nhưư sau:<br />
+ Vịị trí xả thải NMNĐ DH1 vvàà DH3 (1060105,1(1060105,1 - 614669,2)<br />
614669,2);<br />
+ Cách điểm<br />
điểm xả 500<br />
500--1.000m<br />
1.000m vvềề bên<br />
bên trái ((1061310,0<br />
1061310,0 - 615339,9)<br />
615339,9);<br />
+ Cách điểm<br />
điểm xả 500<br />
500--1.00 0m về<br />
1.000m về bên<br />
bên ph<br />
phải<br />
ải (1059733,6 - 614344,2)<br />
614344,2).<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
3. KẾT<br />
KẾT QUẢ V<br />
VÀ<br />
À THẢO<br />
THẢO LUẬN<br />
Kết<br />
ết quả mô phỏng lan truyền nhiệt, độ mặn vvàà phân bố<br />
bố llượng<br />
ợng dầu ứng với 3 kịch bản<br />
của<br />
ủa mô hhình<br />
ình hiện<br />
hiện trạng vvào<br />
ào 2 mùa khô và mưa đư<br />
được<br />
ợc tổng hợp nh<br />
như<br />
ư sau:<br />
3.1. Mô ph<br />
phỏng<br />
ỏng lan truyền nhiệt khu vực nước<br />
nước biển ven bờ<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(a) (b) (c)<br />
Hình 1. Nhi<br />
Nhiệt<br />
ệt độ khu vực cửa xả lớn nhất m<br />
mùa<br />
ùa khô các KB1, KB2.1 và KB2.2<br />
KB2.2..<br />
<br />
<br />
236 N. T. K. Y<br />
Yến,, …<br />
…, L. V. B. Dinh<br />
Dinh,, ““Mô<br />
Mô hình hóa và mô ph<br />
phỏng<br />
ỏng … điện<br />
điện lực Duy<br />
Duyên<br />
ên H<br />
Hải.”<br />
”<br />
Nghiên ccứu<br />
ứu khoa học công nghệ<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(a) (b) (c)<br />
Hình 2. NhiNhiệt<br />
ệt độ khu vực cửa xả lớn nhất m mùa<br />
ùa mưa các KB1, KB2.1 và KB2.2 KB2.2..<br />
Dựaựa trên<br />
trên kết<br />
kết quả mô phỏng phân bố nhiệt khu vực quanh đi điểm<br />
ểm xả từ kịch bản hiện<br />
trạng<br />
ạng KB1 cho tới kịch bản phát triển llàà KB2.1 và KB2.2 cho th thấy:<br />
ấy:<br />
- Phân bbố ố nhiệt quanh họng xả nnư ước<br />
ớc llàm<br />
àm mát ccủa ủa nhà<br />
nhà máy bbắt ắt đầu mở rộng về phía<br />
ngoài do ssự ự gia tăng llượngợng nnưước<br />
ớc thải. Tuy nhi<br />
nhiên,<br />
ên, mức<br />
mức độ lan rộng vvàà xa không llớnớn và phphần<br />
ần<br />
nước mặt vẫn có hiện ttượng<br />
nước ợng áp sát bờ do tác động của gió vvàà sóng. Theo ssự ự mô tả của<br />
hình, phần<br />
phần mở rộng của khu vực tản nhiệt cho nh nhàà máy có vvẻẻ không gia tăng về diện tích<br />
hay nói cách khác là không th thểể lan ra ngo<br />
ngoàiài khơi, do áp llựcực áp sát bờ của ddòngng hhải<br />
ải llưu<br />
ưu ttừ<br />
ừ<br />
Bắc<br />
ắc xuống Nam tr trên<br />
ên bibiển<br />
ển Đông.<br />
- Phân bốbố nhiệt chỉ tập trung sau kkèè phía B Bắc.<br />
ắc.<br />
- Nhi<br />
Nhiệtệt độ trung bbình ình nnưước<br />
ớc biển m mùa<br />
ùa khô (trong th thời<br />
ời điểm từ 12 - 16h hàng ngày<br />
thường cao 30 - 31oC), đi<br />
thường điều<br />
ều này dẫn đến mức nhiệt 35 - 36oC ccủa<br />
này dẫn ủa nước<br />
n ớc biển khu vực kkèè<br />
phía<br />
hía B<br />
Bắcắc mở rộng hhơn ơn rrất<br />
ất nhiều vvàà vẫn<br />
vẫn có xu hhư ướng<br />
ớng quẩn vvàoào trong. Đi<br />
Điều<br />
ều này<br />
này phù hhợpợp với<br />
việc<br />
ệc gia tăng llưượng<br />
ợng nnướcớc llàm<br />
àm mát xxảả ra môi tr trường<br />
ờng nư<br />
nước<br />
ớc ven biển. Với trtrường<br />
ờng hợp nnày,ày, có<br />
thểể thấy việc đặt miệng xả nnước làm làm mát ra bi biển<br />
ển cách bờ 328m llàà chưa đđủ ủ xa.<br />
- Nhiệt<br />
Nhi t độđộ trung bbìnhình nnước biển m mùa<br />
ùa mưa (trong th thời<br />
ời điểm từ 12 - 16h hàng ngày<br />
thường cao 29 - 30oC) th<br />
thường thấp<br />
ấp hơn<br />
hơn mùa khô, đi điều<br />
ều này<br />
này dẫn<br />
dẫn đến mức nhiệt của nnư ớc biển khu<br />
ước<br />
vực<br />
ực kkèè phía BBắc<br />
ắc cải thiện hhơn ơn so với<br />
với m<br />
mùa<br />
ùa khô, tuy nhiên do lư lượng<br />
ợng nnư<br />
ước<br />
ớc làm<br />
làm mát xxảả ra tăng<br />
100% ở kịchkịch bản<br />
bản phát triển đầy đủ, dẫn tới vvùng nhiệt độ cao 35 - 36oC phân bbốố sau kkèè<br />
ùng có nhiệt<br />
phía BBắcắc vẫn duy tr trìì khá rrộng<br />
ộng so với các kịch bản tr trước<br />
ớc [7].<br />
3.2. Mô ph phỏng<br />
ỏng phân bố độ mặn n nưước<br />
ớc biển<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(a) (b) (c)<br />
Hình 3. Độ<br />
ộ mặn khu vực cửa xả lớn nhất m<br />
mùa<br />
ùa khô các KB1, KB2.1 và KB2.2<br />
KB2.2.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
(a) (b) (c)<br />
Hình 4. Độ<br />
ộ mặn khu vực cửa xả lớn nhất m<br />
mùa<br />
ùa mưa các KB1, KB2.1 và KB2.2<br />
KB2.2..<br />
<br />
<br />
Tạp<br />
ạp chí Nghiên ccứu<br />
ứu KH&CN quân<br />
uân sự,<br />
sự, Số 65, 02 - 2020<br />
2020 237<br />
Thông tin khoa học công nghệ<br />
học<br />
<br />
Dựaựa trên<br />
trên kết<br />
kết quả mô phỏng phân bố độ mặn nnư ước<br />
ớc biển khu vực quanh điểm xả từ kịch<br />
bản<br />
ản hiện trạng KB1 cho ttới ới kịch bản phát triển llàà KB2.1 và KB2.2 cho th thấy:<br />
ấy:<br />
- Khu vvựcực độ mặn giảm quanh miệng xả nnư ước<br />
ớc làm<br />
làm mát máy ccủa ủa nh<br />
nhàà máy bbắt<br />
ắt đầu mở<br />
rộng<br />
ộng về phía ngo ngoàiài do ssựự gia tăng llưượng<br />
ợng nư nước<br />
ớc thải. Tuy nhi<br />
nhiên,<br />
ên, m<br />
mức<br />
ức độ lan rộng vvàà xa<br />
không llớn<br />
ớn vàvà phần<br />
phần nnước ớc mặt vẫn có hihiện<br />
ện ttượng<br />
ợng áp sát bờ do tác động của áp lực áp sát bờ<br />
của<br />
ủa ddòng<br />
òng hhải<br />
ải lưu<br />
lưu ttừ<br />
ừ Bắc xuống Nam tr trên<br />
ên bi<br />
biển<br />
ển Đông.<br />
- Khu vvựcực giảm độ mặn chỉ tập trung sau kkèè phía Bắc. Bắc.<br />
-Đ Độ<br />
ộ mặn trung bbình ình nnư ớc biển mùa<br />
ước mùa khô và mùa mưa không có thay đđổi ổi lớn điều nnàyày<br />
dẫn<br />
ẫn đến mức thay đổ đổii đđộ<br />
ộ mặn nư<br />
nước<br />
ớc biển khu vực kkèè phía B Bắc<br />
ắc mở rộng có ccùng<br />
ùng xu hư<br />
hướngớng<br />
và đđều<br />
ều quẩn vvàoào trong bbờ. ờ. Điều nnày<br />
ày phù vvớiới với việc gia tăng llư<br />
ượng<br />
ợng nước<br />
n ớc llàm<br />
àm mát xxảả ra<br />
môi trư<br />
trường<br />
ờng nưnướcớc ven biển. Với tr trư<br />
ường<br />
ờng hợp nnày,ày, có thể<br />
thể thấy việc đặt miệng xả nnước ớc llàm<br />
àm<br />
mát ra bibiển<br />
ển cách bờ 328m 328m là chưa đđủ ủ xa để độ mặn nhanh chóng trở lại mức của môi<br />
trường xung quanh.<br />
trường<br />
- Khi lưlượng<br />
ợng n nư<br />
ướcớc llàm<br />
àm mát xxảả ra tăng 100% ở kịch bản phát triển đầy đủ, dẫn tới vvùng ùng<br />
có đđộộ mặn thấp bằng độ mặn tại cửa xả