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 " pot

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 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 4 1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới 4 1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước 6 1.2 MIKE 21 HD 8 1.2.1 Cơ sở toán học 8 1.2.2 Phương pháp số 12 1.3 MÔĐUN ECOLAB 16 1.3.1 Cơ sở lý thuyết 16 1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) 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 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 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 2.2 ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - XÃ HỘI 29 2.3 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG VỊNH CAM RANH 31 2.3.1 Các nguồn thải 31 2.3.2 Chất lượng nước vịnh Cam Ranh 32 CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ 32 3.1 THIẾT LẬP CÁC THÔNG TIN ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH 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 3.2 HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH 41 3.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 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 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ Ô NHIỄM 105 KẾT LUẬN 123 KIẾN NGHỊ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, khu vực đầm thu 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 trnh vận hành nhà máy, khối nước thải từ nhà máy sau khi được xử lí s 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 trnh thu động lực (dòng chảy, gió, quá trnh 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. V vậy, các quá trnh động lực ở khu vực này đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố, truyền tải, pha loãng, và làm sạch vùng đầm thu 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 hnh tính toán để có thể tính toán và mô phỏng các quá trnh vật l (dòng chảy) và các mô hnh sinh hoá diễn ra trong khu 2 vực đầm có sự tác động của khối nước thải. Các kết quả tính toán từ mô hnh kết hợp với số liệu khảo sát có thể mô phỏng một cách liên tục về các quá trnh động lực và quá trnh 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 l phản ứng linh hoạt hơn, hiệu quả hơn và cũng ít tốn km 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 l 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 k thuật đánh giá mức độ ô nhiễm nước dựa vào giá trị của các thông số chọn lọc. Các k 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 NH 4 + , NO 3 - , NO 2 - , 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 trnh động lực và quá trình truyền tải các vật chất gồm BOD, DO, NO 3 - , PO 4 + , NH 3 + . 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 hnh tính toán cũng khác nhau. Có thể liệt kê một số mô hnh thường được áp dụng để đánh giá chất lượng nước trên thế giới. Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô hnh được xây dựng dựa trên mô hnh trước đó (WASP – được xây dựng bởi Di Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 1988). Mô hnh này được sử dụng để mô tả và dự báo chất lượng nước giúp các nhà quản l đưa ra những quyết định, giải pháp đối phó với các hiện tượng ô nhiễm do tự nhiên và con người. Mô hnh này cho php 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 hnh 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 hnh 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 hnh trước đó là QUAL2E (hay Q2E (Brown và Barnwell 1987)). Đây là mô hnh 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 hnh tính toán chu trnh Nitơ. Thông qua các chu trnh 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 trnh 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 thu lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa mô hình thu 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 k thuật của quân đội M xây dựng cho phép kết hợp giữa mô hình thu lực 1, 2 chiều với mô hình chất lượng nước, trong đó module RMA4 là mô hnh 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 hnh 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 [...]... 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. .. trong của vịnh Cam Ranh có chiều dài hơn 19km, chiều ngang chỗ rộng nhất khoảng 7km, thong với phần ngoài qua eo Sộp rộng 1,4km Bao chung quanh khu vực vịnh Cam Ranh có 11 xã/phường thuộc thành phố Cam Ranh (các phường Cam Phúc Bắc, Cam Phúc Nam, Cam Phú, Cam Thuận, Cam Linh, Cam Lợi, Ba Ngòi, các xã Cam Nghĩa, Cam Thịnh Đông, Cam Bình, Cam Lập) và 5 xã thuộc huyện Cam Lâm (xã Cam Hòa, Cam Hải Đông, Cam. .. 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... Quá trình Nitrat hóa (g/m3/ngày), Y1: hệ số bổ sung cho ôxy Đây là một quá trình khác ảnh hưởng tới cân bằng ôxy khi ôxy được sử dụng trong quá trình Nitrat hóa từ amoniac sang nitrite (1.29b) Quá trình phân hủy BOD (g/m3/ngày) Sự phân hủy các vật chất hữu cơ là một nguyên nhân khác làm suy giảm ôxy Quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố nhiệt độ, nồng độ ôxy và nộng độ vật chất hữu cơ 18 (1.29c) Quá. .. 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... 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... 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... Quá trình quang hợp (g O2/m2/ngày) Các sản phẩm ôxy từ quá trình quang hợp được mô tả thông qua mối liên hệ giữa giá trị năng suất cực đại vào giữa trưa và biến đổi theo thời gian trong ngày ( (1.29d) Quá trình hô hấp của sinh vật (g O2/m2/ngày) Sự suy giảm nồng độ ôxy bởi quá trình hô hấp của sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng thông qua biểu thức phụ thuộc nhiệt độ (1.29e) Nhu cầu ôxy cho phân hủy vật chất. .. (1.31a) Quá trình Nitrat hóa chuyển từ ammonium sang dạng nitrat Phương trình biểu diễn quá trình này có dạng: (1.31b) Quá trình hấp thụ ammonium bởi thực vật Công thức biễu diễn phương trình này có dạng (1.31c) Lượng ammoniac hấp thụ bởi vi khuẩn Quá trình này được mô tả bằng công thức sau: 21 (1.31d) Quá trình hô hấp của sinh vật dị dưỡng, được mô tả bằng biểu thức: (1.31e) Giải thích các ký hiệu: . 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. 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