Mô hình toán phục vụ đánh giá sức tải môi trường khu vực vịnh Hạ Long - Bái Tử Long

Chia sẻ: Nhi Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trên cơ sở ứng dụng mô hình tổng hợp 3 chiều (Delft3D) với kịch bản được thiết lập khác nhau của mô hình TĐL, CLN, vận chuyển trầm tích và mô hình sinh thái ở khu vực vịnh Hạ Long (VHL)-Bái Tử Long (BTL), những kết quả nhận được đã có đóng góp quan trọng cho việc đánh giá sức tải môi trường ở khu vực này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô hình toán phục vụ đánh giá sức tải môi trường khu vực vịnh Hạ Long - Bái Tử Long

Tuyển tập Tài nguyên và Môi trường biển, tập 17. 2012. ISSB 978-604-913-106-6 MÔ HÌNH TOÁN PHỤC VỤ ĐÁNH GIÁ SỨC TẢI MÔI TRƯỜNG KHU VỰC VỊNH HẠ LONG- BÁI TỬ LONG VŨ DUY VĨNH, TRẦN ĐỨC THẠNH, CAO THỊ THU TRANG Viện Tài nguyên và Môi trường biển, 246 Đà Nẵng Ngô Quyền, Hải Phòng Email: vinhvd@imer.ac.vn 1. MỞ ĐẦU Khái niệm sức tải môi trường lần đầu tiên được các nhà khoa học Mỹ sử dụng khi xác định mật độ chăn thả gia súc phù hợp tại cao nguyên Kaibad vào đầu thế kỷ 20 [6]. Đến nay, việc đánh giá sức tải đã được áp dụng vào nhiều lĩnh vực trong đó có tài nguyên và môi trường biển. Đối tượng đánh giá sức tải môi trường không chỉ là một vài yếu tố liên quan trực tiếp mà tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau có tác động qua lại chịu ảnh hưởng lẫn nhau [3]. Vì vậy cần có những đánh giá tổng hợp, có tính hệ thống và mang tính định lượng. Trong các thủy vực cũng như các hệ sinh thái luôn diễn ra sự tương tác của rất nhiều yếu tố khác nhau [10] cần tính đến trong việc đánh giá sức tải môi trường mà để tổng hợp chúng thì chỉ có thể sử dụng các mô hình toán (MHT) học [3, 7]. Những ứng dụng mô hình đầu tiên có thể kể đến là các kết quả của mô hình thủy động lực (TĐL) để đánh giá các điều kiện TĐL, giới hạn hoạt động và di chuyển của các khối nước, trao đổi nước [1, 9, 18]. Ngoài mô hình TĐL, các mô hình chất lượng nước (CLN)- sinh thái học được sử dụng để để nghiên cứu biến đổi, chuyển hóa của các nhóm chất dinh dưỡng, hữu cơ hòa tan trong môi trường nước [6, 7, 8, 13]. Những kết quả của mô hình theo hướng này không chỉ cung cấp sự hiểu biết về diễn biến của các quá trình chuyển hóa vật chất trong thủy vực mà còn có thể đưa ra những đánh giá định lượng về khả năng tiếp nhận thêm các chất gây ô nhiễm vào khu vực nghiên cứu [2, 9, 13]. Đóng góp khác của MHT cho đánh giá sức tải môi trường cũng đã được thực hiện là tính toán vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình của thủy vực [11, 14]. Khu vực nghiên cứu nằm ở vùng biển ven bờ phía Đông Bắc của Việt Nam, giới hạn trong khoảng 106°58'-107°22' kinh Đông và 20°45'-21015 vĩ Bắc, thuộc tỉnh Quảng Ninh cách thủ đô Hà Nội khoảng 150km về phía Đông – Đông Bắc. Đây là vùng biển giàu tài nguyên thiên nhiên và tiềm năng để phát triển kinh tế xã hội nhưng cũng đã và đang phải đối mặt với những thách thức về môi trường biển. Chính vì vậy, vấn đề đánh giá giới hạn tiếp nhận chất gây ô nhiễm hay sức tải môi trường ở khu vực này rất có ý nghĩa thực tiễn, đặc biệt là các kết quả mang tính định lượng. Trên cơ sở ứng dụng mô hình tổng hợp 3 chiều (Delft3D) với kịch bản được thiết lập khác nhau của mô hình TĐL, CLN, vận chuyển trầm tích và mô hình sinh thái ở khu vực vịnh Hạ Long (VHL)-Bái Tử Long (BTL), những kết quả nhận được đã có đóng góp quan trọng cho việc đánh giá sức tải môi trường ở khu vực này. 2. TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Tài liệu Các tài liệu cần thiết đã được sử dụng bao gồm các tài liệu thu thập và khảo sát về địa hình, khí tượng, thủy văn hải, CLN, sinh thái trong khuôn khổ đề tài: Nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường và đề xuất các giải pháp quản lý, bảo vệ môi trường VHL-BTL. Ngoài ra, các tài liệu về phương pháp ứng dụng mô hình và tài liệu liên quan khác cũng đã được sử dụng. Trên cơ sở những tài liệu này, các MHT học được thiết lập theo những kịch bản khác nhau cho khu vực này đã được tiến hành. MHT được sử dụng ở đây là các nhóm mô hình TĐL, chất lượng nước, vận chuyển trầm tích và mô hình sinh thái trên cơ sở mô hình 213 Delft3D do Viện thủy lực Delft (Hà Lan) nghiên cứu phát triển. 2.2. Phương pháp Để có số liệu cho các biên mở biển của mô hình TĐL khu vực VHL-BTL, phương pháp NESTHD [4] đã được sử dung. Theo phương pháp này, các kết quả của mô hình với phạm vi lớn hơn (lưới thô) đã được sử dụng làm đầu vào cho các điều kiện biên mở của lưới tính khu vực nghiên cứu (lưới chi tiết). Lưới tính thô của mô hình cũng là hệ lưới cong trực giao với phạm vi vùng tính mở rộng ra tới gần đảo Bạch Long Vĩ (BLV). Miền tính này có kích thước khoảng 129km theo phương đông tây và 122km theo phương bắc nam, diện tích mặt nước khoảng 7905.94km2 được chia thành 130 x 128 điểm tính với các ô lưới có kích thước biến đổi từ 262.75-1357.75m. Theo phương thẳng đứng, lưới tính thô cũng sử dụng hệ tọa độ  với 3 lớp nước với tỷ lệ từ mặt xuống đáy lần lượt là 33%, 34% và 33% độ sâu cột nước. Điều kiên biên của mô hình này là các hằng số điều hòa của các sóng triều chính O1, K1, P1, Q1, M2, S2 trong cơ sở dữ liệu thủy triều Fes2004 [12]. Điều kiện biên nhiệt-muối của mô hình này lấy từ số liệu trung bình tháng trong cơ sở dữ liệu WOA09 [19]. Số liệu gió dùng cho mô hình là số liệu quan trắc với tần suất 6h/lần tại BLV. Lưới tính chi tiết là hệ lưới cong trực giao, có phạm vi vùng tính bao gồm các vùng nước của VHL, vịnh BTL, vịnh Cửa Lục. Miền tính có kích thước khoảng 78 km theo chiều đông tây và 56 km theo chiều bắc nam, với diện tích mặt nước khoảng 1987.4km2 được chia thành 327 x 286 điểm tính, kích thước các ô lưới biến đổi từ 65.25 đến 296.5m (hình 1). Các ô lưới tính theo chiều thẳng đứng sử dụng hệ toạ độ  với 3 lớp nước với tỷ lệ từ mặt xuống đáy lần lượt là 33%, 34% và 33%. Đối với các điều kiện biên sông của mô hình chi tiết, sử dụng số liệu lưu lượng nước, nhiệt độ, độ mặn trung bình của các sông Chanh, sông Kinh Trai, sông Bình Hương, sông Trới, sông Diên Vọng và sông Mông Dương. Ghi chú: vị trí các biên mở Hình 1. Luới tính và vị trí biên mở mô hình thuỷ động lực vịnh Hạ Long- Bái Tử Long Mô hình vận chuyển trầm tích lơ lửng (TTLL) được xây dựng trên cơ sở các kết quả tính toán dự báo của mô hình TĐL, trong đó có phạm vi miền tính. Phạm vi vùng tính của mô hình lan truyền TTLL bao gồm các vùng nước của VHL-BTL, vịnh Cửa Lục, phía tây nam đảo Tuần Châu. Các biên mở sông là những nguồn cung TTLL chủ yếu cho khu vực tính bao gồm: sông Chanh, sông Hốt, khu vực Hùng Thắng, Sông Trới, sông Man, sông Diên Vọng và sông Mông Dương (Cửa Ông). Để đánh giá biến động địa hình ở một số khu vực trong VHLBTL, một số điểm tính của mô hình theo các mặt cắt (từ bờ ra) đã được đưa ra tại các khu vực phía ngoài Tuần Châu, Bãi Cháy, Hòn Gai, Cẩm Phả, Cửa Ông và Mông Dương. 214 Tuyển tập Tài nguyên và Môi trường biển, tập 17. 2012. ISSB 978-604-913-106-6 Mô hình CLN và sinh thái học được thiết lập trên cơ sở các kết quả của mô hình TĐL. Các kết quả đó gồm: phạm vi miền tính, các vị trí biên cứng và biên mở, trường dòng chảy, độ sâu, trường nhiệt muối...v.v. Các thông số tính toán của mô hình CLN bao gồm: NO3, NH4, PO4, Si2O3, BOD, COD, năng suất sơ cấp do thực vật nổi (TVN). Các nhóm mô hình này được thiết lập và chạy với những kịch bản khác nhau, bao gồm: Hiện trạng (đặc trưng mùa): mùa mưa (tháng 9 năm 2008); mùa khô tháng 12 năm 2008). Các kịch bản này sử dụng các số liệu đo đạc tính toán thực tế ở khu vực nghiên cứu trong thời gian tính toán. Các kịch bản dự báo theo sự gia tăng tải lượng thải của các nhóm chất dinh dưỡng, hữu cơ và TTLL. Nhằm đánh giá ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản đến biến đổi địa hình đáy khu vực nghiên cứu chúng tối đã thiết lập thêm các trường hợp tính: có khai thác khoáng sản và không có khai thác khoáng sản và so sánh hai trường hợp này. Điều kiện ban đầu cho lần chạy đầu tiên sử dụng các giá trị trung bình mùa của nhiệt độ, và các giá trị 0 cho độ mặn, mực nước và các nhóm dinh dưỡng, hữu cơ, TTLL. Sau lần chạy đầy tiên, điều kiên ban đầu của mô hiình sử dụng kết quả của trường nhiệt độ, độ muối và mực nước sau 30 ngày tính. Hiệu chỉnh và kiểm chứng độ tin cậy của mô hình Để đánh giá và hiệu chỉnh cho mô hình TĐL khu vực nghiên cứu, đã tiến hành phân tích và so sánh kết quả tính của mô hình với một số quan trắc về mực nước, dòng chảy, chất lượng nước trong thời gian tính toán. Đối với mực nước, sau lần hiệu chỉnh cuối, các kết quả tính toán cho thấy sai số bình phương trung bình giữa mực nước quan trắc và tính toán đều có giá trị nhỏ hơn 0.2m. Sai số này có thể chấp nhận được trong điều kiện địa hình khu vực tính phức tạp và biên độ dao động mực nước lớn như ở khu vực VHL-BTL. Dao động mực nước tính toán của mô hình với mực nước trong bảng thủy triều và quan trắc cũng cho thấy có sự phù hợp về pha triều và độ lớn. So sánh kết quả tính của mô hình và quan trắc dòng chảy, hàm lượng một số chất dinh dưỡng, hữu cơ trong khu vực nghiên cứu cũng cho thấy sự phù hợp. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Điều kiện thủy động lực và khả năng trao đổi nước Điều kiện TĐL có vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển, phát tán, hòa tan các chất gây ô nhiễm. Nó cũng là cơ sở để tính toán, đánh giá phân bố và biến động theo không gian và thời gian của các nhóm chất gây ô nhiễm. Đối với khu vực VHL-BTL, kết quả mô phỏng điều kiện TĐL ở đây cho thấy chế độ dòng chảy của khu vực này liên quan chặt chẽ đến dao động của thuỷ triều và dòng chảy tổng hợp thể hiện tính chất của dòng triều. Trường dòng chảy trong khu vực có vận tốc nhỏ khi mực nước đạt các cực trị và vận tốc lớn hơn trong các pha triều lên hoặc xuống. Trong pha triều xuống, vận tốc dòng chảy cực đại thường lớn hơn trong pha triều lên do sự kết hợp của dòng triều và dòng chảy từ sông đưa ra. Trường dòng chảy khu vực VHL-BTL có các hướng chủ đạo liên quan đến pha triều là hướng Bắc - Đông Bắc và Tây Bắc (triều lên) và hướng Nam - Tây Nam và Đông Nam (triều xuống). Tính chất dòng chảy tổng hợp giữa mùa mưa và mùa khô không có sự khác biệt nhiều do dòng triều quyết định tính chất của dòng chảy tổng hợp. Chính do tính chất dòng chảy tổng hợp biến động theo pha triều lên trong pha triều xuống, các chất gây ô nhiễm được dòng nước đưa mạng từ bờ ra phía ngoài (hình 2-a). Ngược lại trong pha triều lên, một phần nó lại bị đẩy trở lại vùng ven bờ (hình 2-b). Điều này khá quan trọng khí muốn giảm ảnh hưởng của chất ô nhiễm đến môi trường nước thì có thể chọn thời điểm xả thải hợp lý. 215 (a) (b) Hình 2. Trường dòng chảy khu vực vịnh Hạ Long - Bái Tử Long (a-triều lên; - triều xuống) Khả năng trao đổi nước là một trong những đặc điểm TĐL quan trọng ảnh hưởng lớn đến các quá trình biến đổi chất gây ô nhiễm trong thuỷ vực cũng như khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm. Việc tính toán khả năng trao đổi nước được thực hiện qua đánh giá lưu lượng nước vào (ra) và thể tích nước của thủy vực. Những yếu tố này rất khó xác định hay đánh giá từ số liệu khảo sát vì thể tích, diện tích mặt cắt không chế khu vực trao đổi nước và vận tốc dòng chảy luôn biến động theo thời gian theo dao động của thủy triều. Tuy nhiên khi ứng dụng MHT thì 216 Tuyển tập Tài nguyên và Môi trường biển, tập 17. 2012. ISSB 978-604-913-106-6 vấn đề này lại được giải quyết một cách khá dễ dàng do trong MHT việc tính toán này được thực hiện bằng phương pháp tích phân. Bảng 1. Lượng nước và tỷ lệ nước trao đổi trung bình ngày tại Vịnh Hạ Long –Bái Tử Long Lượng nước trao đổi (triệu m3) Khu vực Tỷ lệ nước trao đổi Diện tích Thể tích** (tr. m2) (tr. m3) Mùa mưa Mùa khô vào ra vào ra 90,0 90,3 114,2 109,2 Mùa mưa Mùa khô vào vào ra ra Bãi Cháy 22,4 128,9 Cẩm Phả 117,0 1003,3 1304,0 1360,5 1591,8 1643,1 1,3 1,356 1,586 1,638 Giữa Vịnh BTL 183,1 2207,1 2670,9 2688,3 3256,9 3263,1 1,21 1,28 1,476 1,479 Giữa Vịnh HL 275,8 2652,0 1850,4 1877,3 2286,0 2300,7 0,698 0,708 0,862 0,868 Vịnh Hạ Long 361,6 2927,2 1760,6 1882,2 2219,8 2289,2 0,601 0,643 0,758 0,782 Vịnh BTL 359,6 3755,1 2442,7 2434,2 2963,3 2933,7 Vịnh Cửa Lục 22,9 125,1 Vịnh HL-BTL * 721,1 6682,3 27,7 70,4 45,0 70,0 4203,3 4316,4 5183,1 5222,8 0,698 0,701 0,886 0,848 0,65 0,648 0,789 0,781 0,222 0,563 0,36 0,559 0,63 0,65 0,78 0,78 Ghi chú: * giới hạn bởi bờ và các mặt cắt HL1, HL5, HL6, BTL1, BTL1, BTL2, BTL3, 4SL4; ** tính trung bình khi dao động mực nước biến đổi từ 0-4m Đối với khu vực VHL, để tính toán trao đổi nước, đã chia khu vực này thành các miền nhỏ ứng với mỗi khu vực nhỏ khác nhau. Các miền nhỏ này bao gồm Bãi Cháy, Cẩm Phả, khu vực giữa VHL, giữa Vịnh BTL, cả VHL, cả Vịnh BTL và toàn bộ khu vực VHL-BTL. Tỷ lệ nước trao đổi được tính bằng tỷ số giữa lượng nước trao đổi (vào hoặc ra trên thể tích vực nước). Các kết quả tính toán (bảng 1) cho thấy tỷ lệ nước vào (hoặc ra) so với thể tích thủy vực ở VHL trong một ngày đêm dao động trong khoảng từ 60 - 78%, khu vực Vịnh BTL tỷ lệ này khoảng 65-79%. Tỷ lệ nước vào (ra) so với thể tích toàn bộ VHL-BTL dao động trong khoảng 63-78% trong một ngày đêm. Khu vực ven bờ Cẩm Phả và giữa VHL có tỷ lệ trao đổi nước với xung quanh lớn hơn các khu vực khác. Trong khi đó, tỷ lệ nước vào (ra) so với thể tích khối nước ở vịnh Cửa Lục với giá trị biến đổi từ 22 đến 56% trong một ngày đêm, khá thấp so với các khu vực khác. Nhìn trên tổng thể toàn khu vực VHL-BTL, trao đổi nước mùa khô tốt hơn và cân bằng vào ra với tỷ lệ đều 78%, trao đổi nước mùa mưa kém hơn hẳn với tỷ lệ vào 63% và ra 65% với sự đóng góp của khối nước sông. Tuy nhiên, nhìn vào từng tiểu khu vực thì thấy bức tranh trao đổi nước không đồng nhất và thay đổi phức tạp giữa các tiểu khu vực và theo mùa. Nói chung, ở tất cả các tiểu khu vực trao đổi nước mùa mưa đều kém hơn mùa khô và cân bằng ra lớn hơn cân bằng vào, trừ vịnh BTL ít chịu ảnh hưởng của sông, cân bằng này là tương đương. Vào mùa khô có hiện tượng dồn nước cục bộ ở VHL, đặc biệt là tại Bãi Cháy do hiện tượng 217