Luận văn thạc sĩ 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 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. Trong những năm gần đây, khu vực đầm thuỷ triều đang đứng trước nguy cơ ô nhiễm nguồn nước. Đầm...

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

Hà Nội - 2012

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin dành những lời đầu tiên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới các thầy, cô giáo trong khoa Khí tượng, Thủy văn - Hải dương học (trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội) và các nhà khoa học tại viện Hải dương học đã tận tình giúp đỡ, truyền thụ, trao đổi kiến thức chuyên môn cùng tác giả trong thời gian qua Luận văn này được hoàn thành ngoài sự nỗ lực làm việc của bản thân còn có công rất lớn của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Minh Huấn, người đã không ngừng đôn đốc, động viên và truyền thụ kiến thức Tác giả xin được gửi lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy

Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn tới ThS Nguyễn Chí Công và tất cả các cán bộ nghiên cứu phòng Vật Lý Biển nói riêng, Viện Hải Dương học – nơi tác giả đang công tác nói chung, đã giúp đỡ nhiệt tình về các nguồn số liệu sử dụng Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến dự án “Nghiên cứu khả năng tự làm sạch, đề xuất các giải pháp nhằm bảo vệ và cải thiện chất lượng môi trường đầm Thủy Triều - vịnh Cam Ranh” do PGS.TS Bùi Hồng Long và ThS Nguyễn Hữu Huân đồng chủ nhiệm, đã cho phép sử dụng nguồn số liệu phục vụ cho luận văn Suốt quá trình học tập và nghiên cứu luận văn, tác giả đã được sự giúp đỡ từ

dự án chống biến đổi khí hậu CLIMEEViet, hợp tác nghiên cứu giữa Viện Hải Dương học với chính phủ Đan Mạch, mà đứng đầu là PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâm Tác giả xin trân trọng cảm ơn dự án đã tài trợ về mặt kinh phí, thiết bị hỗ trợ nghiên cứu và nguồn số liệu tham khảo vô cùng quí giá

Qua đây, tác giả cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ thân tình của bạn bè, thân hữu trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Khoa học tự nhiên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH SỐ TRỊ 4

1.1TỔNGQUANTÌNHHÌNHNGHIÊNCỨU 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

1.2MIKE21HD 8

1.2.1 Cơ sở toán học 8

1.2.2 Phương pháp số 12

1.3MÔĐUNECOLAB 16

1.3.1 Cơ sở lý thuyết 16

1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) 17

1.3.3 Các hợp phần của Nitơ 21

1.3.4 Hợp phần của Photpho 23

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU 24

2.1TỔNGQUANVỀĐIỀUKIỆNTỰNHIÊN 24

2.1.1 Vị trí địa lí 24

2.1.2 Đặc điểm gió 25

2.1.3 Đặc điểm thủy, hải văn 26

2.1.4 Đặc điểm nhiệt - muối 27

2.1.5 Đặc điểm dòng chảy 28

2.1.6 Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước 29

2.2ĐẶCĐIỂMKINHTẾ-XÃHỘI 29

2.3HIỆNTRẠNGMÔITRƯỜNGVỊNHCAMRANH 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 32

3.1THIẾTLẬPCÁCTHÔNGTINĐẦUVÀOCHOMÔHÌNH 32

3.1.1 Thu thập số liệu 32

3.1.2 Địa hình đáy 36

3.1.3 Thiết lập lưới tính 36

3.1.4 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu 38

3.2HIỆUCHỈNHMÔHÌNH 41

3.3 MỘTSỐKẾTQUẢTÍNHTOÁN 44

3.3.1 Kết quả tính toán cho mùa khô 44

3.3.2 Kết quả tính toán cho mùa mưa 73

3.4 ĐÁNHGIÁTÁCĐỘNGCỦACÁCYẾUTỐÔNHIỄM 105

KẾTLUẬN 123

KIẾNNGHỊ 124

TÀILIỆUTHAMKHẢO 125

1

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, khu vực đầm thuỷ triều đang đứng trước nguy

cơ ô nhiễm nguồn nước Đầm Thủy Triều nằm trong vịnh Cam Ranh, thuộc địa bàn huyện Cam Lâm và thành phố Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa Nơi đây phong phú

và đa dạng về số lượng cũng như trữ lượng thủy sản Trong tương lai, đầm Thủy Triều còn là mắt xích quan trọng trong việc phát triển du lịch của tỉnh Khánh Hòa khi vịnh Cam Ranh đã được tỉnh này quy hoạch thành trung tâm du lịch biển tầm cỡ quốc gia và quốc tế đến năm 2025

Theo nhận định của người dân nơi đây, trong vòng gần chục năm nay, tôm,

cá và các loại nghêu, ốc trên đầm thường chết hàng loạt, thậm chí “sống dai” như loài sá sùng biển (gọi là trùn biển) cũng phải chết trắng đầy đầm, môi trường trong đầm ngày trở nên ngột ngạt, đục ngàu, nước trong đầm có mùi hôi thối nồng nặc theo thời gian đã làm cho hệ sinh thái đầm bị biến dạng, nguồn lợi thủy sản cứ thế không còn nữa Do vậy, việc đánh khai thác các nguồn lợi trên đầm đã không còn hiệu quả, đời sống nhân dân lại khốn khó

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

2

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

ô nhiễm Trong đó có thể nêu một số chỉ số đang được công nhận như: Chỉ số ô nhiễm dinh dưỡng (NPI) dựa vào các thông số NH4+, NO3-, NO2-, tổng P, pH, chlorophyll, độ dẫn điện và độ đục Chỉ số ô nhiễm hữu cơ (OPI) dựa vào các thông

số BOD, COD, nhiệt độ và DO Với nguồn số liệu có được từ một số đề tài được thực hiện tại Viện Hải dương học như đề tài cấp Cơ sở phòng Vật lý biển, phòng Thủy địa hóa, đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ, Các Dự án hợp tác quốc tế, tác giả sử dụng gói phần mềm MIKE 21 HD, ECO Lab để mô phỏng quá trình lan truyền một số vật chất có thể gây ô nhiễm từ các nguồn thải của khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư trong 2 mùa: mùa mưa và mùa khô Trong khuôn khổ của luận văn, mục tiêu của học viên là có thể tính toán, mô phỏng, đưa ra được bức tranh về quá trình động lực và quá trình truyền tải các vật chất gồm BOD, DO,

NO3-, PO4+, NH3+ Một kịch bản mô phỏng sự lan truyền các vật chất ô nhiễm với giả thiết có sự gia tăng cực đại nồng độ các chất gây ô nhiễm từ số liệu thực đo tại cống xả thải và công suất tính tại thời điểm khảo sát từ các nguồn thải của khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư để có thể đánh giá mức độ lan truyền và ảnh hưởng của các vật chất này tới chất lượng nước các bãi tắm khu vực Cam Ranh

3

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn góp phần bổ sung thêm các thông tin khoa học về những nghiên cứu, đánh giá vai trò và sự tác động của các từ các nguồn thải của khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản và khu dân cư tác động ngược lại đối với các khu vực nuôi trồng thủy sản, du lịch sinh thái và các bãi tắm

4

CHƯƠNG 1 MÔ HÌNH SỐ TRỊ

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới

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

5

Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model) được nâng cấp từ mô hình trước đó là QUAL2E (hay Q2E (Brown và Barnwell 1987)) Đây là mô hình mô phỏng chất lượng nước suối và sông một chiều có sự tham gia của quá trình xáo trộn rối và bên Một đặc điểm linh hoạt của mô hình này

là có thể chạy được trong môi trường Visual basic hoặc trong môi trường Excel Mô hình có những đặc điểm sau: có thể tính toán trên từng phân đoạn của sông và các nhánh sông Mô hình tính toán chu trình Nitơ Thông qua các chu trình chuyển hóa nitơ để biểu diễn các hợp chất cacbon (loại ôxy hóa nhanh và chậm), các loại cacbon hữu cơ không sống (các phân tử cacbon, nitơ, phôtpho trong các hợp chất hóa học) Các quá trình thiếu hụt ôxy gần tới giá trị không do các quá trình ôxy hóa, trong đó quá trình khử nitơ như là bước tương tác đầu tiên Tính toán thông lượng trao đổi ôxy hòa tan và các dinh dưỡng giữa trầm tích và nước

DELFT 3D của Viện nghiên cứu thuỷ lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa

mô hình thuỷ lực 3 chiều với mô hình chất lượng nước Ưu điểm của mô hình này là việc kết hợp giữa các module tính toán phức tạp để đưa ra những kết quả tính mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia

SMS của Trung tâm nghiên cứu và phát triển kỹ thuật của quân đội Mỹ xây dựng cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 1, 2 chiều với mô hình chất lượng nước, trong đó module RMA4 là mô hình số trị vận chuyển các yếu tố chất lượng nước phân bố đồng nhất theo độ sâu Nó có thể tính toán sự tập trung của 6 thành phần bảo toàn hoặc không bảo toàn được tính toán theo lưới 1 chiều hoặc 2 chiều

ECOHAM (phiên bản 1 và 2) là mô hình số 3D kết hợp giữa module thủy lực với module sinh thái được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Trường đại học Hamburg (Đức) Mô hình chủ yếu tính toán dựa trên chu trình của các hợp phần của Nitơ và Photpho trong đó có tính đến cả thực vật và động vật phù du trong nước biển

ECOSMO (ECOSystem MOdel) là mô hình cặp ba chiều thủy động lực –băng biển – sinh địa hóa Mô hình được phát triển dựa trên mô hình thủy động lực HAMSOM (HAMburg shelf Ocean Model) đã được liên kết mô đun động lực - nhiệt động lực biển - băng (Schrum và Backhaus, 1999) và môđun sinh học

6

(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 tâm Trong đó những nghiên cứu, điều tra, tính toán ô nhiễm môi trường các vũng

7

vịnh và khu vực ven biển - khu vực tập trung chủ yếu các hoạt động kinh tế của con người đã, đang được tiến hành Chương trình hợp tác với Cơ quan hợp tác Quốc tế Nhật Bản - JICA (1995 – 1998) của Viện Tài nguyên và Môi trường biển – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã bước đầu sử dụng phương pháp tính dòng vật chất bổ sung (Flux) và quỹ nguồn (Budget) chạy trên phần mềm chuyên dụng CABARET of LOICZ (Mỹ) để đánh giá mức độ tích tụ và khuếch tán vật chất tại một số điểm thuộc vịnh Hạ Long Sau đó, phương pháp nghiên cứu này còn được sử dụng tính toán mức độ dinh dưỡng của hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (Thừa Thiên Huế) Tuy nhiên, phương pháp này chưa tính toán đến quá trình khuếch tán vật chất trong không gian và chỉ giới hạn tại một số điểm nhất định

Hoàng Dương Tùng (2004), trong phạm vi luận án tiến sĩ, đã sử dụng phần mềm DELFT 3D - WAQ đánh giá khả năng chịu tải ô nhiễm của Hồ Tây với mục đích xây dựng căn cứ khoa học trong việc xây dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển

Hồ Tây Nội dung đã xem xét đến khả năng biến động các yếu tố DO, BOD, COD,

NH4+, NO3-, PO4- theo không gian 2 chiều và thời gian

Trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ Thủy sản, Trần Lưu Khanh và các cộng sự cũng đã tiến hành nghiên cứu sức chịu tải và khả năng tự làm sạch tại khu vực nuôi

cá lồng bè ở Phất Cờ (Quảng Ninh) và Tùng Gấu (Hải Phòng) dựa trên quá trình chuyển hóa các hợp chất dinh dưỡng, hữu cơ cũng như chế độ thủy động lực tại thủy vực nghiên cứu

Trong một số nghiên cứu thuộc chương trình cấp Nhà nước và cấp Bộ, các

đề tài đã triển khai theo hướng: đánh giá nguồn thải (như ô nhiễm biển do sông tải

ra, thuộc đề tài KT.03.07 - 1996), đánh giá tổn thất môi trường do các hoạt động kinh tế gây ra với vùng ven biển Tuy nhiên, những nghiên cứu này chưa thể hiện được mức độ chi tiết cao trong thủy vực nhỏ và số các biến môi trường còn hạn chế, đồng thời còn mang tính chất vĩ mô cho khu vực nghiên cứu

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

8

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

1.2.1 Cơ sở toán học

Mô hình MIKE 21 HD là gói công cụ trong bộ phần mềm DHI được xây dựng bởi Viện Thủy Lực Hà Lan, đây là mô hình tính toán dòng chảy hai chiều trong một lớp chất lỏng đồng nhất theo phương thẳng đứng

Các phương trình nước nông

Các phương trình động lượng và liên tục tích phân trên toàn bộ cột nước h

= η+d trong các phương trình nước nông được viết lại như sau:

độ địa lý); tương ứng là các thành phần ứng suất theo phương

x và y tại mặt và tại đáy; g là gia tốc trọng trường; là mật độ nước; , , và

là các thành phần tenxơ ứng suất bức xạ; là nhớt rối theo phương thẳng đứng; là áp suất khí quyển; là mật độ quy ước của nước; S là cường độ lưu 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:

10

(1.4) Thành phần ứng suất bên Tij (i,j = x,y) bao gồm cả ma sát nhớt, ma sát rối và chênh lệch bình lưu Chúng được xác định bằng sử dụng công thức nhớt rối dựa trên những biến đổi vận tốc trung bình theo độ sâu

(1.5)

Phương trình truyền tải nhiệt độ và độ muối

Các phương trình truyền tải nhiệt - muối tích phân trên toàn bộ cột nước được viết dưới dạng:

(1.6) (1.7) trong đó, và tương ứng là nhiệt độ và độ muối trung bình theo độ sâu, FT và Fs

tương ứng là các hệ số khuếch tán ngang nhiệt độ và độ muối, là nhóm nguồn liên qua tới quá trình trao đổi nhiệt với khí quyển

Phương trình truyền tải cho đại lượng vô hướng (scalar quantity)

Các phương trình truyền tải đại lượng vô hướng tích phân theo độ sâu có dạng:

(1.8)

với là trung bình theo độ sâu của đại lượng vô hướng, FC 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

11

(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:

(1.14)

Hệ số cản cũng có thể là những giá trị không đổi hoặc phụ thuộc vào tốc

độ gió Công thức bán thực nghiệm được đề xuất bởi Wu (1980, 1984) để xác định giá trị của hệ số cản:

(1.15)

a Rời rạc hóa miền không gian

Miền tính được rời rạc hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn Theo phương pháp này, miền tính toán được chia nhỏ thành các phần tử liên tục không 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:

(1.20)

Ở đây Ui và Si tương ứng là các giá trị trung bình của U và S trên toàn bộ phần tử thứ i và được đặt tại tâm của phần tử, NS là số cạnh của phần tử, nj véctơ pháp tuyến ngoài đơn vị tại cạnh thứ j và Гj là chiều dài của giao diện thứ j

Trong trường hợp 2D phép xấp xỉ Riemann được sử dụng để tính toán các thông lượng đối lưu tại mặt phân cách của các phần tử Sử dụng phép giải Roe để ước lượng cho các biến phụ thuộc phía bên trái và bên phải của của giao diện Độ chính xác bậc hai theo không gian đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật tái cấu trúc gradient tuyến tính Các giá trị gradient trung bình được ước lượng thông qua phép giải của Jawahar và Kamath, 2000

14

Phương trình truyền tải

Các phương trình truyền tải xuất hiện trong mô hình nhiệt – muối, mô hình rối và mô hình truyền tải Tất cả các phương trình này đều có dạng chung Trong trường hợp 2D, các phương trình truyền tải có dạng tổng quát như phương trình (1.16) trong đó

((1.21)

a Tích phân theo thời gian

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

15

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 thức tính toán được xây dựng lại bởi sự giảm thông lượng động lượng tới giá trị không và chỉ tính toán tới thông lượng khối lượng

Độ sâu của mỗi phần tử biến đổi và các phần tử được sắp xếp thành các loại khô, bán khô, ướt Khi đó bề mặt các phần tử được kiểm tra để xác định các điều kiện biên ướt

Bề mặt của một phần tử được xác định là ngập nếu thỏa mãn hai tiêu chuẩn: thứ nhất, độ sâu nước tại một cạnh của bề mặt phải nhỏ hơn độ sâu tới hạn khô hdry, và độ sâu nước ở cạnh khác của bề mặt lớn hơn độ sâu độ sâu tới hạn ngập

hflood Thứ hai, độ sâu tổng cộng của nước tĩnh tại cạnh có độ sâu nhỏ hơn hdry và mực nước bề mặt tại cạnh khác đều phải lớn hơn giá trị 0

Một phần tử được gọi là khô nếu độ sâu nước nhỏ hơn độ sâu giới hạn khô

hdry, và không một cạnh nào bị ngập Phần tử này bị loại ra khỏi miền tính toán

Một phần tử xem như là ngập một phần nếu nếu độ sâu nước lớn hơn hdry

và nhỏ hơn độ sâu giới hạn ướt, hoặc khi độ sâu nhỏ hơn hdry và một trong số các cạnh khác là biên ngập nước Trong trường hợp này thông lượng động lượng bằng không và chỉ có thông lượng khối lượng được tính

Một phần tử được gọi là ướt nếu độ sâu nước lớn hơn hwet Trong trường hợp này cả hai thành phần thông lượng khối lượng và thông lượng động lượng được tính

Độ sâu ướt hwet phải lớn hơn độ sâu khô giới hạn hdry và độ sâu giới hạn ngập hflood, được xác định theo điều kiện hdry < hflood < hwet

16

1.3 MÔĐUN ECOLAB

1.3.1 Cơ sở lý thuyết

Động lực học của bình lưu các biến trạng thái trong ECO Lab có thể được

mô tả bằng các phương trình truyền tải của vật chất không bảo toàn, có dạng:

(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

Sc: Nguồn sinh và nguồn mất

Pc: Các quá trình trong ECO Lab

Phương trình truyền tải có thể được viết lại:

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

Phương pháp giải số được sử dụng trong mô hình ECO Lab là phương pháp Euler, Runge Kutta 4, Runge Kutta 5

1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD)

a Ôxy hòa tan (DO)

DO là lượng ôxy hoà tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật nước (cá, lưỡng thê, thuỷ sinh, côn trùng v.v ) thường được tạo ra do sự hoà tan từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo, Nồng độ ôxy tự do trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ, sự phân huỷ hoá chất, sự quang hợp của tảo và v.v Khi nồng

độ DO thấp, các loài sinh vật nước giảm hoạt động hoặc bị chết Do vậy, DO là một chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của các thuỷ vực

Quá trình cân bằng ôxy được xem xét theo các mức độ phức tạp khác nhau của cân bằng tùy thuộc vào mục đích của người sử dụng Có 4 mức độ khác nhau

mô tả cân bằng khối DO, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, chỉ tập trung vào mức cân bằng bậc 3 Mức cân bằng này giả thiết rằng sự biến đổi của nồng độ ôxy

là tổng hợp của các quá tương tác nước - khí quyển (mặt phân cách), quá trình đạm hóa, nhu cầu ôxy sinh hóa, quá trình quang hợp, quá trình hô hấp, nhu cầu ôxy trầm tích (chỉ ở đáy) Các quá trình đó được mô tả bằng phương trình cân bằng sau:

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

Tốc độ tương tác K2 (1/s) phụ thuộc vào tốc độ gió Wv, tốc độ dòng chảy

V và độ sâu nước:

Quá trình Nitrat hóa (g/m 3 /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/m 3 /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

19

(1.29c)

Quá trình quang hợp (g O 2 /m 2 /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 /m 2 /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

a Nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD)

BOD (Biochemical oxygen Demand - nhu cầu oxy sinh hoá) là lượng oxy

cần thiết để vi sinh vật oxy hoá các chất hữu Trong môi trường nước, khi quá trình oxy hoá sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử dụng oxy hoà tan, vì vậy xác định tổng lượng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là phép đo quan trọng đánh giá ảnh hưởng của một dòng thải đối với nguồn nước BOD có ý nghĩa biểu thị lượng các chất thải hữu cơ trong nước có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật

Dạng cân bằng của nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) được mô tả bằng phương trình:

20

(1.30)

Độ sâu nước (m) Vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu (m/s) Nồng độ bán bão hòa Nitrat hóa (mg O2/l) Nhân tố bổ sung cho ôxy

Sản phẩm quang hợp thực tế (g O2/m2/ngày) Sản phẩm quang hợp cực đại vào buổi trưa (g O2/m2/ngày) Thời điểm trong ngày

Thời gian ngày thực tế Thời điểm mặt trời mọc, mặt trời lặn Tốc độ hô hấp thực tế của thực vật và vi khuẩn (g O2/m2/ngày) Tốc độ hô hấp của thực vật ở 20oC (g O2/m2/ngày)

Hệ số nhiệt độ trong quang hợp Tốc độ hô hấp của động vật và vi khuẩn (dị dưỡng) (g O2/m2/ngày)

Hệ số nhiệt độ trong hô hấp dị dưỡng Hàm hấp thụ ánh sáng

Hệ số hấp thụ ánh sáng (1/m)

Hệ số bổ sung nhiệt độ Nồng độ ôxy thực tế (mg O2/l) Nồng độ ôxy bán bão hòa trong BOD (mg O2/l) Nồng độ ôxy bán bão hòa trong SOD (mg O2/l)

Thành phần amonium thu được từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ

Quá trình này được mô tả bằng công thức

(1.31a)

Quá trình Nitrat hóa chuyển từ ammonium sang dạng nitrat Phương trình

biểu diễn quá trình này có dạng:

Quá trình biến đổi thành phần nitrite sang nitrate, và quá trình này được

biểu diễn bằng công thức toán học:

Hệ số nhiệt độ cho quá trình ôxy hóa Nồng độ bán bão hòa quá trình Nitrat hóa (mg O2/l) Nồng độ của nitrite (mg/l)

23

K5

θ5

Tốc độ riêng chuyển đổi của nitrite sang nitrate ở 20oC (1/ngày)

Hệ số nhiệt độ chuyển đổi từ nitrite sang nitrate

c Hợp phần Nitrate (NO 3 - )

Các nhân tố ảnh hưởng tới quá trình cân bằng khối nitrite được cho bởi

phương trình

(1.33)

Quá trình chuyển đổi từ nitrite sang nitrate Quá trình này được mô tả

thông qua biểu thức:

(1.33a)

Quá trình khử nitơ, được biểu diễn bằng công thức:

(1.33b) trong đó:

K6 là tốc độ khử nitơ (1/ngày)

θ6 là hệ số nhiệt ẩn

1.3.4 Hợp phần của Photpho

BOD chứa đựng photpho Khi BOD bị phân hủy lượng photpho này sẽ

được giải phóng dưới dạng của muối photphat Để xác định sự phấp thụ của các

muối photpho trong các sản phẩm của tảo, phương trình chủ đạo về chuyển đổi gốc

muối có dạng

(1.34)

Lượng photpho từ quá trình phân hủy các vụn hữu cơ Công thức mô tả có

dạng:

UPb

F(N,P)

HS_PO4-

Lượng photpho hấp thụ bởi các loại thực vật (mg P/mg O2)

Lượng photpho hấp thụ bởi vi khuẩn (mg P/mg BOD)

Giới hạn dinh dưỡng trong quá trình quang hợp

Nồng độ bán bão hòa của photpho bị hấp thụ bởi vi khuẩn (mg P/l)

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU

2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN

Phân bố tập trung dọc bờ tây của vực nước là các khu dân cư, các cơ sở công nghiệp (nhà máy đường, nhà máy đóng tàu, nhà máy chế biến thủy sản,…) các cảng hàng hóa (công suất khoảng 400 lượt tàu/năm) và cảng cá Ba Ngòi Các sự cố

về môi trường thỉnh thoảng xảy ra ở các khu vực lân cận điểm xả thải của nhà máy đường , các ao nuôi thủy sản cũng phát triển chủ yếu theo ven bờ tây và nam

2.1.2 Đặc điểm gió

Hoạt động của gió theo hai hướng chủ yếu trong năm: hướng đông nam và tây nam (thịnh hành trong mùa khô), bắc và đông bắc (thịnh hành trong mùa mưa) tốc độ gió trung bình từ 3,6 đến 5,1 m/s Gió khô nóng tập trung vào một số ngày trong tháng 8 với tính chất làm tăng nhiệt độ, giảm độ ẩm trong không khí Do dặc điểm địa hình chi phối nên làm thay đổi cả tốc độ và hướng gió ở Cam Ranh so với các vùng khác trong vùng biển Khánh Hòa Ở Nha Trang, tần suất gió hướng đông vượt quá 30% trong hầu hết các tháng mùa hạ, ở Cam Ranh vào thời kỳ này tần suất gió tây nam lại lấn át so với gió đông nam

Ngoài ra, vùng Cam Ranh còn chịu sự tác động tổng hợp của hai hệ thống gió mùa và gió đất – biển đã tạo nên những đặc điểm khác biệt trong biến động ngày đêm của gió trong khu vực Vào mùa hè, gió thổi từ đất liền ra biển với tốc độ tương đối nhỏ nhưng vào buổi tối, gió thổi từ biển vào bờ với tốc độ tương đối lớn Vào các buổi chiều, từ tháng XI đến tháng I, gió thổi chủ yếu từ hướng Bắc, từ tháng II đến tháng III gió có hướng đông – đông bắc, từ tháng IV đến tháng V gió lại có hướng đông – đông nam, từ tháng VI đến tháng VIII gió lại có hướng tây – nam, từ tháng IX đến tháng XII gió chuyển dần từ tây nam sang đông nam và cuối cùng ổn định ở hướng nam vào tháng XI đến hết tháng I năm sau

26

2.1.3 Đặc điểm thủy, hải văn

a Đặc điểm thủy văn

Hệ thống sông suối trong khu vực nghiên cứu không nhiều, bắt nguồn chủ yếu từ vùng đồi núi kéo dài thành hình cánh cung từ phía bắc (núi Cù Hin) vòng qua phía tây đến phía nam và đông nam (bán đảo Sộp) Một số lưu vực nằm trên địa phận của các tỉnh lân cận Các sông suối hầu hết đều mang đặc trưng của địa hình khu vực miền trung là ngắn, dốc và nhỏ Đáng chú ý có các hệ thống sông sau đây:

- Sông Trường gồm 2 nhánh có chiều dài nguyên thủy là 11,4km và 17 km

đổ vào khu vực đỉnh đầm Do việc xây đập thủy lợi Cam Ranh Thượng, chiều dài thực tế hiện nay của các nhánh sông này còn lần lượt là 9,8km và 8km hệ thống sông này nhận nước từ một lưu vực rộng 109,2km2 Nước từ một phần lưu vực rộng khoảng 62,3km được giữ lại bởi hồ thủy lợi Cam Ranh Thượng có diện tích 2.400.000 m2, dung tích 22 triệu m2 Ngoài việc cấp nước tưới, một phần nước qua đập tràn được dẫn về Cam Đức dung trong cấp nước sinh hoạt Phần sông phía đông nhận được nước từ lưu vực rộng 46,9km2 trong đó 31,8km2 là sườn phía nam núi

Cù Hin, vùng còn lại là đồng bằng cát

- Sông Cạn (còn được gọi là suối Nước Ngọt) có chiều dài 20km, đổ vào phần phía bắc vịnh Cam Ranh Sông này chỉ có nước vào mùa mưa, lượng nước không lớn

- Sông Trà Dục, còn được gọi là sông Tà Rục, có chiều dài 22km và Suối Hành (dài 19km) đổ vào phía tây nam vịnh ở khu vực gần cảng Ba Ngòi; lưu vực của 2 sông này rộng 186km2 Phía trên đã xây dựng đập Tà Rục để ngăn nước từ phần lưu vực rộng 63,3km2 phía tây sông Tà Dục Dung tích thiết kế của hồ này là 22,65 triệu m3 Ở thượng nguồn Suối Hành cũng có đập Suối Hành đã đi vào sử dụng từ nhiều năm nay Dung tích của hồ là 8 triệu km3

- Đổ vào vịnh Cam ranh ở khu vực Cam Thịnh Đông là 2 sông nhỏ có chiều dài lần lượt là 6 và 7km có diện tích lưu vực 25 km2 Tại khu vực Cam Lập có sông Cạn dài 10km được cung cấp nước từ lưu vực rộng 63,3km2 và sông Trâu (diện tích lưu vực 94,5km2, chủ yếu nằm trong địa phận tỉnh Ninh Thuận) Sông Cạn hầu như chỉ có nước vào mùa mưa Trong lưu vực sông Trâu, vào năm 2005

b Đặc điểm hải văn:

Sóng biển: do Cam Ranh là vịnh kín nên sóng ở khu vực này nhỏ và yếu Đặc trưng của sóng thay đổi theo mùa: vào mùa khô, ở phía bắc của vịnh Cam Ranh

và vùng cửa vịnh, sóng thường nhỏ hơn ở phía nam độ cao của sóng hướng tây nam thường nhỏ hơn nhiều so với hướng đông bắc

Thủy triều: vùng biển Khánh Hòa trải dài theo chiều kinh tuyến, với khoảng 120km và có nhiều vũng vịnh sâu, kín, khúc khuỷu Vì vậy, chế độ thủy triều biến đổi từ vùng này sang vùng khác ở khu vực vịnh Cam Ranh, chế độ triều là bán nhật triều, biên độ triều trung bình 1,5m

Dòng chảy: phân bố dòng chảy trên toàn bộ bề mặt vịnh tương đối phức tạp, phương và chiều của dòng chảy tại các điểm biến đổi khá rõ rệt Theo số liệu khảo sát tháng 8 năm 2003 cho thấy: vận tốc dòng chảy cao nhất tại tầng mặt là 46cm/s ở khu vực trung tâm vịnh, tốc độ dòng chảy dao động trong khoảng 6 – 46cm/s, cao hơn ở khu vực đầm Thủy Triều (tốc độ nhỏ khoảng 4-7cm/s) Tại các eo và khu vực hẹp tốc độ dòng chảy tương đối lớn: mũi Hòn Lương 26cm/s, vùng bở thôn Mỹ Ca 32cm/s Vào pha triều lên, có thể thấy xu thế truyền triều từ đông sang tây, từ nam lên bắc Đặc biệt, giai đoạn khảo sát vào thời kỳ triều cường vì vậy tốc độ và hướng dòng tầng mặt và đáy sai khác rất ít

2.1.4 Đặc điểm nhiệt - muối

Vịnh Cam Ranh là vịnh tương đối nhỏ và độ sâu trung bình tương đối thấp Khả năng trao đổi nước giữa vịnh và Biển Đông tương đối mạnh thông qua cửa lớn phía đông nam Mặt khác, vịnh Cam Ranh không chịu ảnh hưởng bởi khối nước ngọt từ hệ thống cửa sông nên bức tranh phân bố nhiệt muối thể hiện rất đặc trưng của nước biển từ ngoài cửa lớn truyền vào vịnh Trên cơ sở phân tích xu thế

28

biến động theo không gian và thời gian các yếu tố nhiệt - muối cho thấy: Nhiệt độ nước có thể đạt cực đại 32,0°C vào mùa hè, đạt cực tiểu 20,27°C vào mùa đông, độ muối đạt cực đại 34,42‰ vào mùa hè và cực tiểu 29.51‰ vào mùa đông

Phân bố nhiệt độ tầng mặt: nhiệt độ giảm dần từ 32°C ở đỉnh đầm Thủy Triều đến 25°C ở cửa vịnh Nhiệt độ thấp nhất là 24,53°C, cao nhất là 32,33°C, nhiệt độ trung bình của tầng mặt toàn vịnh là 28,21°C Phân bố nhiệt độ tầng đáy: nhiệt độ giảm dần từ đỉnh đầm Thủy Triều ra tới cửa vịnh Cam ranh (từ 31,5°C xuống 21°C) Nhiệt độ thấp nhất là 20,27°C, nhiệt độ cao nhất là 32,16°C, trung bình tầng đáy toàn vịnh là 23,55°C Sự chênh lệch của nhiệt độ trung bình ở tầng đáy so với tầng mặt tương đối cao (5,58°C)

Phân bố độ mặn ở tầng mặt: các đường đồng mức độ mặn có giá trị giảm dần từ cửa vịnh lên phía bắc Biến đổi độ mặn theo không gian tương đối rõ rệt và đều đặn so với nhiệt độ độ mặn thấp là 30,59‰, cao nhất là 34,16‰, mức chênh lệch là 3,57‰, giá trị trung bình tầng mặt là 33,47‰ Phân bố độ mặn ở tầng đáy, các đường đẳng độ mặn cũng có giá trị giảm dần từ cửa vịnh trở vào nhưng mức độ chênh lệch cao hơn một chút Cực tiểu độ mặn là 29,51‰, cực đại là 34,42‰ và độ mặn trung bình 33,85‰ Chênh lệch độ mặn trung bình giữa tầng mặt và tầng đáy

là 0,38‰

2.1.5 Đặc điểm dòng chảy

Dòng chảy vịnh Cam Ranh cũng chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi ba yếu tố chính: Hệ thống gió mùa và gió địa phương, địa hình khu vực vịnh, quá trình truyền triều từ biển vào Tuy nhiên, vịnh tương đối kín chỉ thông qua ra biển khơi bằng một cửa duy nhất, độ sâu và chiều rộng của vịnh không lớn, vịnh trải dài, phần đỉnh vịnh nhỏ hẹp nên dòng chảy ở đây hoàn toàn bị chi phối bởi dòng triều

Vào mùa khô, dòng chảy tầng mặt trừ khu vực đầm Thủy Triều các khu vực khác có độ sâu tương đối lớn D ≈ 20m, do đó tốc độ dòng chảy phân bố tương đối đều Vtb ≈ 0,15m/s, Vmax ≈ 0.27m/s, tốc độ dòng chảy lớn xuất hiện dọc trung tâm của vịnh, vịnh Bình Ba Dải ven bờ phía tây và đầm thủy triều có tốc độ dòng chảy nhỏ hơn Do khu vực có độ sâu lớn tập trung dọc theo trục vịnh nên hướng dòng chảy chỉ có chiều vào và ra Riêng khu vực phía nam của vịnh đã hình thành

29

hoàn lưu xoáy thuận tương đối rõ nét Điều này có thể lý giải do vịnh Cam ranh là một lạch hẹp, sâu nên dòng triều trên các tầng là tương đối đồng nhất Nhìn chung khả năng trao đổi nước trên toàn vịnh vào mùa khô là tương đối tốt, trừ dải ven bờ phía tây đầm Thủy Triều (nơi có độ sâu nhỏ)

Vào mùa mưa, dòng chảy tầng mặt có tốc độ lớn tại khu vực trung tâm vịnh dao động trong khoảng Vtb ≈ 0,25m/s, Vmax ≈ 0.50m/s và có xuất hiện xoáy thuận phía nam tương đối rõ nét Khả năng trao đổi nước trên toàn vịnh là khá tốt Theo đánh giá của các đề tài khác, thời kỳ này ngoài tác động của dòng chảy thì còn

có tác động đáng kể của sóng mặt giúp quá trình trao đổi nước được tốt hơn

Sự phân bố của dòng chảy tại vịnh Cam Ranh cho thấy dòng triều có vai trò quyết định trong quá trình trao đổi nước của vịnh Trong vịnh Cam Ranh có dòng chảy đồng nhất cà về hướng và cường độ, hướng dòng chảy tập trung theo xu thế chảy vào – ra Khu vực phía nam vịnh hình thành tương đối rõ nét hoàn lưu xoáy thuận Phần phía đông trao đổi nước tốt hơn bờ tây Nhìn chung đây là vịnh có

sự trao đổi nước với biển lớn rất tốt

2.1.6 Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước

Vịnh Cam Ranh có dòng chảy chịu tác động của thủy triều là chủ yếu do

đó trao đổi nước, khả năng tự làm sạch, khả năng chống tai biến thiên nhiên phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ triều cũng như dao động mực nước Vì vịnh trao đổi với biển lớn thông qua 1 cửa nên chịu ảnh hưởng của chế độ triều trong khu vực biển Khánh Hòa Thủy triều trong khu vực biển Khánh Hòa mang tính chất nhật triều không đều Các kết quả nghiên cứu và tính toán từ số liệu mực nước tại trạm Cầu

Đá Nha Trang cho thấy rằng, giá trị của chỉ số Vaderstok là 2.6 Kết quả thống kê cùng chỉ ra rằng: mực nước cao nhất là 235cm, mực nước thấp nhất là 4cm, mực nước trung bình là 124cm Biên độ dao động mực nước lớn nhất trong năm là 222cm, trung bình là 212cm

2.2 ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - XÃ HỘI

Thành phố Cam Ranh gồm 9 phường và 18 xã Tổng dân số thành phố ước đạt 500.224 người, với mật độ dân số đạt 400 người/km2 Dân cư chủ yếu là dân tộc Kinh, phân bố không đồng đều, tập trung đông ở tất cả các phường và một số xã

30

như Cam Đức, Cam Bình, Cam Thành Bắc, Cam Hải Tây,… nơi nằm ven các trục giao thông, cảng biển hoặc là địa bàn thuận lợi cho hình thành, phát triển đô thị và các khu công nghiệp, địch vụ, du lịch

Thành phố Cam Ranh có nhịp độ phát triển các ngành kinh tế khá cao, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp, dịch vụ và du lịch Khu vực mang các đặc điểm địa sinh thái của vùng ven biển Nam Trung Bộ, vì thế tài nguyên ven biển tạo các sinh kế chính cho cộng đồng bên cạnh hoạt động nông nghiệp (lúa và hoa màu)

ở các vùng đồng bằng nhỏ hẹp ven biển là hoạt động đánh bắt, nuôi trồng thủy hải sản, khai thác khoáng sản và công nghiệp chế biến

Nền kinh cơ cấu kinh tế chính của thành phố Cam Ranh là: công nghiệp, nông nghiệp, du lịch, dịch vụ Các ngành công nghiệp chủ yếu là: Chế biển thực phẩm, đường, chế biến thức ăn thủy sản, chế biến các sản phẩm lâm nghiệp,…; Công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, thủy sản đông lạnh, muối; Công nghiệp cơ khí, hóa chất (Nhà máy sữa chữa ôtô, tàu thuyền, chất tẩy rửa…) Hoạt động sản xuất nông nghiệp cũng đóng vai trò lớn trong tỷ trọng kinh tế của thành phố nhưng cũng góp phần làm suy giảm chất lượng môi trường Kinh tế thủy sản cũng là một thế mạnh của Khánh Hòa nói chung và của Cam Ranh nói riêng Sản lượng thủy sản ước đạt 21.103 tấn, nuôi trồng đạt 3.602 tấn, trong đó tôm hùm trên 600 tấn, rong sụn trên 2.165 tấn, nhuyễn thể 200 tấn, cá biển 20 tấn,… Tuy nhiên với phương thức khai thác vẫn còn lạc hậu, các nguồn lợi tài nguyên và môi trường biển luôn bị

đe dọa và ngày càng cạn kiệt Kinh tế du lịch cũng là một trong những ngành mũi nhọn của thành phố và tỉnh Nhưng đây cũng là một lĩnh vực có nhiều sức ép đối với các vấn đề tài nguyên, môi trường, xã hội cho các nhà quản lý, các nhà khoa học cũng như toàn thể cộng đồng Ngành giao thông vận tải biển đã và đang được chú ý, đầu tư và phát triển ở Cam Ranh song vẫn chưa phát huy hết tiềm năng, công suất cảng Ba Ngòi Cam Ranh hiện chỉ tiếp nhận hơn 1 lượt tàu/ngày là chưa đáng kể đối với nền kinh tế của tỉnh Trong tương lai khi chuyển cảng hàng hóa từ Nha Trang về Cam Ranh, áp lực tàu thuyền ra vào sẽ tăng lên, bên cạnh đó áp lực của các vấn đề

về môi trường cũng sẽ tăng lên Hệ thống cảng Ba Ngòi đang thực hiện nhiệm vụ trung chuyển hàng hóa với trọng tải tương đối lớn, nơi neo đậu của các tàu khách du

31

lịch trong nước Dọc theo bờ biển Cam Ranh là khu vực ra vào của các tàu cá công suất cỡ nhỏ và còn là khu vực dân sinh dọc theo bờ vịnh Đó cũng là những đểm nóng có khả năng làm ô nhiễm vùng vịnh

2.3 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG VỊNH CAM RANH

2.3.1 Các nguồn thải

Cam Ranh hướng tới một thành phố du lịch, công nghiệp và dịch vụ Vì vậy, trong nội thành phần lớn là các xí nghiệp có quy mô vừa và nhỏ, có khu công nghiệp hỗ trợ cho phát triển kinh tế ở thành phố Nha Trang (chỉ tập trung phát triển

du lịch) Hệ thống nước thải từ các xí nghiệp đổ ra sông với hệ thống cống thải nước sinh hoạt chưa qua xử lí trực tiếp hay gián tiếp đổ ra biển Hệ thống nước thải

đổ vào các con sông chảy ra cửa sông với cường độ và khối lượng lớn hơn nhiều vào thời kỳ mùa mưa Hệ thống nước thải thành phố được chia thành ba vùng chính: Vùng thứ nhất nằm phía bắc thành phố (khu đô thị mới) Vùng này chỉ có một cống thải Nước thải hiện nay khả năng lớn là thải trực tiếp ra vịnh qua hệ thống sông vì trong bản đồ qui hoạch đô thị mới chưa thấy có vị trí của nhà máy xử lý nước thải cho khu đô thị Vùng thứ hai là vùng trung tâm thành phố Do địa hình và lịch sử, cống thải không tập trung mà được chia thành nhiều nhánh đổ ra vịnh dọc theo bờ phía tây và hầu như là không qua xử lý Vùng phía tây nam là khu vực dân cư, du lịch và cảng vụ, khu chế biến thực phẩm, đóng tàu Nước thải chủ yếu là nhà máy đóng tàu, chế biến thực phẩm, cảng cá, nước thải sinh hoạt,… các nguồn nước thải này đều thải trực tiếp ra vịnh làm ảnh hưởng đến chính các khu vực trên và khu vực xung quanh

Bên cạnh đó, mỗi ngày vịnh Cam Ranh phải chịu hơn 10 tấn rác thải từ các lồng nuôi hải sản và vùng nuôi trồng hải sản ở khu vực quanh vịnh và khu vực đầm Thủy Triều Ngoài ra, vịnh còn hứng chịu một lượng lớn chất thải từ nhà máy đường Cam Ranh, dù đã qua xử lý song vẫn không triệt để nên vẫn gây tai biến môi trường cục bộ ở khu vực xung quanh nhà máy Tất cả những tác động tổng hợp trên

đã làm môi trường vịnh ngày càng thêm ô nhiễm và đã có những dấu hiệu ban đầu cho thấy sức tải môi trường của vịnh bắt đầu tới hạn

32

2.3.2 Chất lượng nước vịnh Cam Ranh

Trong những năm gần đây, chất lượng môi trường vịnh Cam Ranh trên diện rộng tuy vẫn còn khá tốt nhưng đang diễn ra với xu thế xấu đi, đã xuất hiện nhiều tai biến môi trường cục bộ ảnh hưởng trực tiếp tới hoạt động nuôi trồng thủy sản Hiện nay đã xuất hiện nhiều nguy cơ khai thác quá mức, ô nhiễm gây ảnh hưởng đến suy giảm hệ sinh thái, đe dọa đa dạng sinh học Kết luận này được đưa ra trên cơ sở khảo sát, phân tích, tổng hợp một cách khoa học, có kế thừa liên tục từ năm 2000 đến nay Nhiều đánh giá cho thấy hiện tượng ô nhiễm xảy ra vào mùa mưa, tổng lượng vật chất có 2 yếu tố vật lơ lửng và Fe có nguy cơ ảnh hưởng lớn đến chất lượng môi trường và trầm tích vịnh Cam Ranh Chất thải hiện nay vào môi trường vịnh là từ khu vực dân cư, nuôi trồng thủy sản và hoạt động công nghiệp Trong tương lai gần hai khu công nghiệp Nam và Bắc Cam Ranh có thể đi vào hoạt động sẽ gia tăng nguy cơ rủi ro ô nhiễm môi trường cho toàn vịnh Nước thải từ nhà máy đường và khu dân cư nếu không được bổ sung thêm nhà máy xử lý chất thải tập trung có xử lý qua giai đoạn hồ sinh học thì nguy cơ tác động đến môi trường vịnh là rất lớn Các khu vực có thể xảy ra tai biến cục bộ trong tương lai gần có thể dẫn đến tình trạng ưu dưỡng là: khu vực đầm Thủy Triều, khu vực nam đầm Thủy Triều, khu vực lân cận nhà máy đóng tàu, khu vực bờ Tây Nam vịnh Cam Ranh (Phạm Văn Thơm - 2008)

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ

3.1 THIẾT LẬP CÁC THÔNG TIN ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH

3.1.1 Thu thập số liệu

Khu vực vịnh Cam Ranh đã được tiến hành nhiều chuyến khảo sát thực địa và thu được những nguồn số liệu phong phú về các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau Tuy nhiên, việc thu thập số liệu về các yếu tố động lực, môi trường cũng gặp những khó khăn nhất định Trong những năm gần đây, các đề tài nghiên cứu cấp cơ

sở, cấp tỉnh, cấp Viện Khoa học và Công Nghệ Việt Nam, Các dự án quốc tế đã và đang được tiến hành trên khu vực này

33

Hình 3.1: Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu

Để phục vụ cho luận văn, tác giả đã thu thập và chọn lọc những chuỗi số liệu phù hợp phục vụ cho luận văn Các nguồn số liệu đã sử dụng dựa trên các bộ số liệu

- Số liệu tổng hợp: Đề tài “Điều tra đánh giá tài nguyên môi trường các vũng vịnh trọng điểm ven bờ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường” do GS.TS Mai Trọng Nhuận làm chủ nhiệm, năm 2008

- Số liệu các yếu tố mực nước, khí tượng, thủy văn và môi trường: Đề tài

“Nghiên cứu khả năng tự làm sạch, đề xuất các giải pháp nhằm bảo vệ và cải thiện chất lượng môi trường đầm Thủy Triều - vịnh Cam Ranh” do PGS.TS Bùi Hồng Long và ThS Nguyễn Hữu Huân đồng chủ nhiệm

35

Hình 3.3: Sơ đồ trạm khảo sát mùa mưa (tháng 10/2011)

Hình 3.4: Sơ đồ các nguồn phát thải trong vịnh Cam Ranh