Các kết quả ước tính cho thấy, thủy vực Bến Bèo có hệ số lưu thông ô nhiễm nhỏ, nguy cơ ô nhiễm dễ xảy ra. Khả năng giải phóng các chất ô nhiễm kim loại nặng đạt gần một nửa so với nồng độ ô nhiễm ban đầu sau khoảng 5 ngày đối với hệ số b trung bình và nhỏ và sau khoảng 10 ngày đối với hệ số b lớn.
VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 90-95 Original Article An Evaluation of Pollution Flushing for Ben Beo Basin (Cat Ba Island, Hai Phong): Using the Estimation of Pollution Flushing Trinh Thi Le Ha* VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Received 16 September 2020 Revised 25 Janurary 2021; Accepted 29 Janurary 2021 Abstracts: The results suggest that pollution exchange coefficient of Ben Beo are small, the basin may be at risk from water quality problems The number of days required to achieve of 50% reduction in concentration for the mean tidal range: about days using low and average values of b and 10 days using high value of b The pollution flushing for maximum tidal range is strong The number of days required to achieve a given percent dilution of the initial concentration is about to days for wide range of b values However, model offers a reasonable approximation to heavy metal pollution Keyword: Pollution exchange coefficient, pollution flushing. Corresponding author E-mail address: lehatrinh112010@gmail.com https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4697 90 T T L Ha / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 90-95 91 Đánh giá khả giải phóng nhiễm thủy vực Bến Bèo (Cát Bà, Hải Phịng): kết ước tính Trịnh Thị Lê Hà* Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 16 tháng năm 2020 Chỉnh sửa ngày 25 tháng 01 năm 2021; Chấp nhận đăng ngày 29 tháng 01 năm 2021 Tóm tắt: Các kết ước tính cho thấy, thủy vực Bến Bèo có hệ số lưu thơng nhiễm nhỏ, nguy nhiễm dễ xảy Khả giải phóng chất ô nhiễm kim loại nặng đạt gần nửa so với nồng độ ô nhiễm ban đầu sau khoảng ngày hệ số b trung bình nhỏ sau khoảng 10 ngày hệ số b lớn Với biên độ triều đạt cực đại, khả giải phóng nhiễm cấp độ b diễn nhanh mạnh Khả ước tính mơ hình áp dụng cho tất chất nhiễm có tính chất bền vững khác ngồi kim loại nặng Từ khóa: Dịng nhiễm quay trở lại, hệ số lưu thơng nhiễm, giải phóng nhiễm Mở đầu* Các vịnh nhỏ ven bờ có diện tích 10 km2 thường sử dụng làm bến tàu, bến cá, cảng du lịch nơi trú ngụ tàu thuyền có bão Với số vịnh có điều kiện tự nhiên thuận lợi khai thác để phục vụ cho hoạt động nuôi trồng hải sản, tham quan du lịch, dựng nhà nổi, Nói chung, quy mô sử dụng vũng vịnh chủ yếu cấp địa phương, thông tin khoa học môi trường, sinh thái đặc trưng thủy động lực học vịnh cịn trọng Khác với vịnh lớn, vịnh nhỏ đa số thủy vực tương đối kín, khả lưu thơng nước ln đóng vai trị quan trọng việc kiểm sốt mơi trường Việc ước tính thông số liên quan đến động lực nước, trình cân tự nhiên nguồn thơng tin khoa học góp phần nâng cao * Tác giả liên hệ Địa email: lehatrinh112010@gmail.com https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4697 hiệu công tác quản lý lập kế hoạch Trong điều kiện nguồn kinh phí có hạn, khó tiếp cận với cơng cụ kỹ thuật phức tạp địa phương, Barber Wearing (2004) xây dựng phát triển mơ hình ước tính đơn giản để đánh giá nhanh chế độ động lực nước khả tự làm thủy vực hẹp Dựa giả thiết phù hợp với điều kiện vịnh nhỏ, mơ hình tối ưu hóa phương trình rút gọn Kết thu từ mơ hình so với số liệu thực nghiệm cho thấy khả ứng dụng cao (Hình 1) Cũng vịnh nhỏ ven bờ với diện tích khoảng km2, thủy vực Bến Bèo vịnh nhỏ nằm ven bờ đảo Cát Bà So với vịnh nhỏ đơn khác, thủy vực Bến Bèo vịnh nhỏ nằm lòng vịnh lớn Lan Hạ, nhiên vịnh có cửa riêng thơng biển (Hình 2) Hiện vịnh bến tàu du lịch, hàng ngày có hàng trăm tàu vào mùa 92 T T L Ha / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 90-95 lễ hội, ngồi vịnh cịn nơi tập trung 4.000 lồng bè nuôi cá lồng làng chài nhỏ khoảng 3.000 hộ dân sinh sống Xét điều kiện tự nhiên, vịnh hoàn toàn đáp ứng với giả thiết quan trọng mô hình [1, 2] Để đảm bảo nguyên tắc “bảo tồn chất”, chất ô nhiễm đánh giá chủ yếu kim loại nặng Vì chất khó bị phân hủy mơi trường tự nhiên Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu áp dụng mơ hình số đơn giản Barber Wearing (2004) áp dụng cho vịnh nhỏ có mức độ xáo trộn tốt - Các chất ô nhiễm thời điểm ban đầu có phân bố đồng toàn thủy vực; - Lưu lượng nước xâm nhập vào thủy vực không thay đổi theo thời gian Theo Barber Wearing (2004) tiếp tục mở rộng phát triển thành mơ hình dự báo hệ số lưu thông chất ô nhiễm với thêm số giả thiết thủy triều [4] Quá trình xáo trộn bên thủy vực triều lên triều xuống có khác đáng kể Do đó, phương trình mơ chất lượng nước ứng với khoảng thời gian triều lên thời gian triều xuống khác [3, 4] Khi triều xuống nồng độ chất ô nhiễm (C) thể tích khối nước bên thủy vực (V) thỏa mãn phương trình (1) (3) triều lên (2) (3) 𝑑 𝑑 𝑑 (𝐶𝑉) = 𝐶 𝑉 + 𝑉 𝐶 = 𝑄𝐶 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑 𝑑𝑉 𝑑𝐶 (𝐶𝑉) = 𝐶 + 𝑉 = 𝑏𝑄𝐶 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑉 = 𝑄 + 𝑄𝑓 𝑑𝑡 Hình So sánh kết tính tốn từ mơ hình với kết kiểm tra mơ hình thực nghiệm theo biên độ triều khác Cở sở mơ hình phương pháp thấu kính triều DiLorenzo cộng (1995) xây dựng phát triển thành mơ hình dự báo chất lượng nước đánh giá mức độ nhạy cảm ô nhiễm vịnh triều nhỏ [3] với giả thiết quan trọng sau: - Các chất ô nhiễm không bị phân hủy; - Có xáo trộn tốt chất ô nhiễm chu kỳ triều; - Nồng độ nhiễm khối nước bên ngồi thủy vực 0; - Khơng có phân tầng thẳng đứng ảnh hưởng nhiệt hay mật độ; (1) (2) (3) Trong đó, Q lưu lượng nước qua cửa (Q > triều lên Q < triều xuống) Qf lưu lượng nước xâm nhập vào thủy vực b hệ số dịng nhiễm quay trở lại, giá trị b dao động từ đến Hệ số b biểu thị tỉ lệ lượng ô nhiễm đưa khỏi vịnh triều xuống quay lại vịnh triều lên (sau xáo trộn phần với vùng nước bên ngồi) Sử dụng giả thiết thủy vực có triều điều hịa hình sin với độ lớn khơng đổi, V xác định sau: 𝑉 = 𝑉𝑚 + 𝑉𝑡 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡) (4) Trong đó, Vm thể tích trung bình thủy vực, Vt phần dao động thể tích triều, t thời gian ꞷ tần số góc triều, xác định ω=2π/T với T chu kỳ triều Thời điểm bắt đầu mô (t = 0) ứng với thời kỳ nước cao Kết hợp phương trình (1) (3), tích phân theo thời gian triều xuống lần thứ dẫn đến: 𝐶 ∫𝐶 𝑒(1) lại có 𝑑𝐶 𝐶 𝜋⁄𝜔 = −𝑄𝑓 ∫0 𝑑𝑡 𝑉𝑚 +𝑉𝑡 𝑐𝑜𝑠(ꞷ𝑡) (5) T T L Ha / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 90-95 𝜋⁄ 𝜔 ∫0 𝑑𝑡 𝑉𝑚 +𝑉𝑡 𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡) = 𝜋 (6) −𝑉 𝜔√𝑉𝑚 𝑡 Suy ra, giải phương trình (5) thu được: Áp dụng phương pháp lặp, giải phương trình (12) với điều kiện ban đầu t = để suy nồng độ ô nhiễm sau n chu kỳ triều theo C0: 𝑉𝑚 −𝑉𝑡 𝑛(1−𝑏) 𝐶𝑒(1) = 𝐶0 𝑒𝑥𝑝 { −𝜋𝑄𝑓 −𝑉 𝜔√𝑉𝑚 𝑡 } (7) Trong đó, C0 nồng độ ô nhiễm thời điểm t = Ce(1) nồng độ ô nhiễm sau kỳ triều xuống lần thứ Vì thủy vực xét giả thiết có chế độ triều điều hịa lên xuống với độ lớn khơng đổi nên phương trình (7) viết lại dạng tổng quát sau (để xét cho kỳ triều xuống thứ n bất kỳ) 𝐶𝑒(𝑛) = 𝐶𝑓(𝑛−1) 𝑒𝑥𝑝 { −𝜋𝑄𝑓 −𝑉 𝜔√𝑉𝑚 𝑡 } (8) Trong đó, Ce(n) nồng độ chất ô nhiễm cuối kỳ triều xuống thứ n Cf(n-1) nồng độ chất ô nhiễm cuối kỳ triều lên trước Khi triều xuống, thể tích khối nước thủy vực ứng với Vm – Vt triều lên Vm + Vt, đó, kết hợp phương trình (2), (3) (4), lấy tích phân dẫn đến: 𝐶𝑓(1) 𝑑𝐶 ∫𝐶 𝑒(1) 𝐶 𝑉 +𝑉 𝑑𝑉 = (𝑏 − 1) ∫𝑉 𝑚−𝑉 𝑡 𝑚 𝑡 𝑉 2𝜋⁄𝜔 𝑏𝑄𝑓 ∫𝜋⁄𝜔 𝑑𝑡 𝑉𝑚 +𝑉𝑡 𝑐𝑜𝑠(ꞷ𝑡) (9) Trong đó, Cf(1) nồng độ ô nhiễm cuối kỳ triều lên thứ Giải phương trình (9) thu được: 𝐶𝑓(1) = 𝐶𝑒(1) [ −𝜋𝑏𝑄𝑓 𝑉𝑚 −𝑉𝑡 1−𝑏 𝑒𝑥𝑝 { ] } 𝑉𝑚 +𝑉𝑡 −𝑉 𝜔√𝑉𝑚 𝑡 93 𝐶𝑓(𝑛) = 𝐶0 [ 𝑉𝑚 +𝑉𝑡 ] 𝑒𝑥𝑝 { −𝜋𝑄𝑓 𝑛(1+𝑏) −𝑉 𝜔√𝑉𝑚 𝑡 } Theo Falconer and Yu (1991), hệ số lưu thông ô nhiễm (E) hàm phụ thuộc vào lượng nước cũ (chứa chất ô nhiễm) đưa khỏi vịnh chu kỳ triều thay nước (không chứa chất nhiễm) [5] Do đó, hệ số biểu diễn theo công thức tổng quát sau: 𝐶𝑓(𝑛) 1⁄𝑛 𝐸 =1−( 𝐶0 ) (14) Thay Cf(n) từ phương trình (13) vào phương trình (14) thu được: 𝑉 −𝑉 (1−𝑏) 𝐸 = − [𝑉𝑚+𝑉𝑡] 𝑚 𝑡 𝑒𝑥𝑝 { −𝜋𝑄𝑓 (1+𝑏) −𝑉 𝜔√𝑉𝑚 𝑡 } 𝑉𝑚 −𝑉𝑡 1−𝑏 𝑉𝑚 +𝑉𝑡 ] 𝑒𝑥𝑝 { −𝜋𝑏𝑄𝑓 −𝑉 𝜔√𝑉𝑚 𝑡 } Nằm khoảng tọa độ từ 200 43' 11,79" đến 200 45' 0,36" vĩ độ bắc 1070 2' 59,73" đến 1070 4' 12,12" kinh độ đông, Bến Bèo vịnh tương đối nhỏ có nhiều hoạt động khai thác sử dụng, điển hình hoạt động nuôi trồng thủy hải sản hoạt động tàu thuyền du lịch, đánh bắt (Hình 2) (10) (11) Thay Ce(n) từ phương trình (8) vào phương trình (11) dẫn đến phương trình biểu diễn nồng độ ô nhiễm sau n chu kỳ triều là: 𝐶𝑓(𝑛) = 𝐶𝑓(𝑛−1) [ 𝑉𝑚−𝑉𝑡 1−𝑏 𝑉𝑚+𝑉𝑡 ] −𝜋𝑄𝑓 (1+𝑏) 𝑒𝑥𝑝 { −𝑉 𝜔√𝑉𝑚 𝑡 } (12) (15) Kết nghiên cứu thảo luận Tương tự phương trình tổng qt cho nồng độ chất nhiễm cuối kỳ triều lên thứ n 𝐶𝑓(𝑛) = 𝐶𝑒(𝑛) [ (13) Hình Vị trí khu vực vịnh Bến Bèo ven đảo Cát Bà ảnh vệ tinh 94 T T L Ha / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 90-95 Độ sâu vịnh khơng lớn, trung bình khoảng 7,5 m, triều độ sâu giảm cách đáng kể Thủy triều khu vực theo chế độ nhật triều với biên độ trung bình 1,8 m biên độ cực đại m Mỗi tháng có hai kỳ nước cường, kỳ kéo dài tới gần 10 ngày nên giá trị biên độ cực đại đưa vào xem xét [2] Với hệ số dịng nhiễm quay trở lại tương ứng với ba cấp độ lớn (0,7), trung bình (0,5) nhỏ (0,2), hiệu suất trao đổi nước thủy vực không lớn thể hệ số lưu thông ô nhiễm dao động khoảng từ 0,07 đến 0,18 biên độ triều trung bình từ 0,11 đến 0,28 biên độ triều cực đại (Bảng 1) Với giá trị hệ số này, thủy vực có nhiều nguy đối mặt với vấn đề ô nhiễm không kim loại nặng mà chất ô nhiễm dinh dưỡng Xét khả giải phóng nhiễm, phạm vi biên độ triều trung bình, sau khoảng đến 10 ngày nồng độ ô nhiễm thủy vực giảm đến khoảng nửa so với nồng độ ban đầu Ở cấp độ dịng nhiễm quay lại trung bình nhỏ, nồng độ nhiễm giảm tới 70% đến 80% sau ngày thứ 10 80% đến 90% sau ngày thứ 15 Ở cấp độ dịng nhiễm quay trở lại lớn, thời gian cần để đạt định mức bị kéo dài (Hình 3) nồng độ lại kim loại thủy vực sau 1-15 ngày thực dễ dàng biết giá trị nồng độ ban đầu chúng Chẳng hạn nồng độ ban đầu Pb thủy vực 0,1 mg/l sau khoảng đến 10 ngày (tùy cấp độ dòng quay trở lại) nồng độ Pb thủy vực lại 0,05 mg/l Như vậy, với giá trị nồng độ Pb lại đem so sánh với quy chuẩn quốc gia (QCVN 10MT:2015/BTNMT), vùng nước nghiên cứu đạt chuẩn an tồn cho hoạt động ni trồng thủy sản thời gian cần để đạt tới giới hạn cho phép 5-10 ngày Trong phạm vi biên độ triều cực đại, khả giải phóng nhiễm thủy vực nâng cao, sau khoảng ngày nồng độ ô nhiễm giảm từ 30% đến 60 % tùy cấp độ quay trở lại dịng nhiễm Sau ngày nồng độ ô nhiễm cấp độ b nhỏ giảm tới 80%, cấp độ b trung bình 64% cấp độ b lớn 46% (Hình 4) Hình Khả giải phóng nhiễm thủy vực xét với biên độ triều cực đại Hình Khả giải phóng nhiễm thủy vực xét với biên độ triều trung bình Theo đó, với chất nhiễm kim loại nặng, thủy vực xét cần ngày để giải phóng khoảng 50% nồng độ nhiễm ban đầu khỏi thủy vực nhiều 10 ngày Điều có nghĩa, việc xác định Kết cho thấy, biên độ triều hệ số dịng nhiễm quay trở lại có ý nghĩa chi phối lớn đến khả giải phóng ô nhiễm thủy vực Vào thời kỳ triều cường giai đoạn vịnh có hội làm cao Các kim loại dễ bị đưa khỏi vịnh thời gian ngắn, lại khoảng 50% đến thấp 20% nồng độ ban đầu lưu lại vịnh sau ngày tùy vào lượng dịng nhiễm quay trở lại nhiều hay Ngược lại vào kỳ triều khả giải phóng chất nhiễm kim loại bị hạn chế Đối với thủy vực xét, kỳ triều thời kỳ rủi ro cao, với hệ số lưu thông ô nhiễm nhỏ, thủy vực dễ có nguy nhiễm xảy T T L Ha / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 90-95 Riêng hệ số dịng nhiễm quay trở lại, thơng số khó đo đạc Trong điều kiện lý tưởng, hệ số ước tính mặt lý thuyết (Sanford nnk, 1992) Trong điều kiện khơng thể xác định, người dùng lấy giá trị trung bình, tức b = 0,5 95 Với thủy vực xét, cấp độ b lớn nhỏ giá trị trung bình biến thiên giá trị sau ngày đầu không nhiều, sau ngày đến 10 ngày bắt đầu có chênh lệch lớn tăng dần không 20% Điều cho phép việc sử dụng lúc cấp độ dịng tham khảo Bảng Hệ số lưu thông ô nhiễm thủy vực Bến Bèo Biên độ triều (m) 1,8 m 3m Hệ số dịng nhiễm quay trở lại (b) 0,7 0,5 0,2 0,7 0,5 0,2 Hệ số lưu thông ô nhiễm (E) 0,07 0,11 0,18 0,11 0,18 0,28 Kết luận Thủy vực xét có hệ số lưu thơng nhiễm nhỏ dẫn đến mức độ nhạy cảm ô nhiễm cao Các nguy ô nhiễm nước dễ xảy khơng có hoạt động kiểm sốt khai thác vùng nước vịnh Trong điều kiện động lực thủy vực, khả giải phóng chất nhiễm kim loại nặng diễn mạnh (giảm khoảng 70% đến 90% so với nồng độ ban đầu) sau khoảng 10 đến 15 ngày Trung bình sau đến 10 ngày, nồng độ nhiễm ban đầu có dấu hiệu giảm xuống tới gần nửa đến 50% Riêng vào kỳ triều cường, khả giải phóng ô nhiễm sau khoảng thời gian gia tăng, giúp cho môi trường nước làm nhanh Dựa vào kết thu được, đánh giá nhanh thời gian thủy vực cần để đạt tiêu chuẩn chất lượng nước (theo quy chuẩn quốc gia) yếu tố kim loại nặng biết nồng độ ban đầu chúng Ngoài ra, dựa vào thông tin dự báo lực tự làm thủy vực, nhà quản lý đưa định phù hợp thời gian dãn cách hoạt động sử dụng thời gian cần cho nước ngưng nghỉ xảy cố mơi trường Với vịnh có điều kiện tương tự vịnh Bến Bèo, đặc biệt vịnh nhỏ lại quanh đảo Cát Bà áp dụng mơ hình Mặc dù mơ hình có hạn chế chưa xét tới phân hủy tự nhiên chất ô nhiễm với chất ô nhiễm kim loại nặng hạn chế bỏ qua chúng chất khó bị phân hủy Lời cảm ơn Bài báo hoàn thành hỗ trợ đề tài KC09.14/16-20 Tác giả chân thành cảm ơn hỗ trợ Tài liệu tham khảo [1] T T L Ha, D V Bo, Estimation of Nutrient Loadings from Cage-culture Practices in Ben Beo, Cat Ba Island, Hai Phong, VNU Journal of Science, Vol 32, 2016, pp 77-82 (in Vietnamese) [2] T T Ha, Model of Estimating the Aquaculture Carrying Capacity for Shallow-Water Tidal Embayments Model Application to Ben Beo Bay, Cat Ba Island, Hai Phong VNU Journal of Science, Vol 34, 2018, pp 90-97 (in Vietnamese) [3] V C Lakhan, Advances in Coastal Modeing, Elsevier Science, Boston, 2003 [4] R W Barber, M J Wearing, A Simplified Model for Predicting the Pollution Exchange Coefficient of Small Tidal Embayments, Water, Air, and Soil Pollution: Focus, Vol 4, 2004, pp 87-100, https://doi.org/10.1023/B:WAFO.0000044789.67 230.3e [5] R A Falconer, G P Yu, Effects of Depth, Bed Slope and Scaling on Tidal Currents and Exchange in a Laboratory Model Harbour, Proc Inst Civil Eng, Vol, 91, pp 2015, pp 561-576, https://doi.org/10.1680/iicep.1991.15630 ... 2021 Tóm tắt: Các kết ước tính cho thấy, thủy vực Bến Bèo có hệ số lưu thơng ô nhiễm nhỏ, nguy ô nhiễm dễ xảy Khả giải phóng chất nhiễm kim loại nặng đạt gần nửa so với nồng độ ô nhiễm ban đầu... Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 90-95 91 Đánh giá khả giải phóng nhiễm thủy vực Bến Bèo (Cát Bà, Hải Phòng): kết ước tính Trịnh Thị Lê Hà* Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại... 0,11 0,18 0,28 Kết luận Thủy vực xét có hệ số lưu thông ô nhiễm nhỏ dẫn đến mức độ nhạy cảm ô nhiễm cao Các nguy ô nhiễm nước dễ xảy khơng có hoạt động kiểm soát khai thác vùng nước vịnh Trong