Một số kết quả ứng dụng công cụ mô hình trong nghiên cứu môi trường biển (some results of modelling application to research on marine environment

Hội nghị Khoa học Cơng nghệ biển tồn quốc lần thứ V MỘT SỐ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG CÔNG CỤ MƠ HÌNH TRONG NGHIÊN CỨU MƠI TRƯỜNG BIỂN Vũ Duy Vĩnh Viện Tài nguyên Môi trường Biển 246 – Đà Nẵng, Ngơ Quyền, Hải Phịng Email: vinhvd@imer.ac.vn Tóm tắt / Abstract: Với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, công cụ khảo sát, phân tích hỗ trợ cho nghiên cứu mơi trường biển cải thiện đáng kể Bài viết trình bày tóm tắt khả ứng dụng mơ hình tốn học số kết ứng dụng mơ hình tốn nghiên cứu mơi trường biển Viện Tài ngun Mơi trường Biển Đó kết ứng dụng khác mơ hình tốn mơ trình thủy động lực, vận chuyển trầm tích, lan truyền chất gây nhiễm, chất lượng nước sinh thái học Tuy cịn có hạn chế định kết đạt việc ứng dụng mơ hình tốn dần khẳng định đóng góp quan trọng phục vụ nghiên cứu mơi trường biển Together with strong development of science and technology, survey equipments and analyzing tools for marine environment study have been significantly improved This paper presents a recap about ability of applying numerical models and some resuls of the numerical models application on marine environment study in the Institute of Marine Environment and Resources The results include those on hydrodynamics, sediment transport, pollutants spreading, water quality and ecology Although the results are still limited, it is evident that the application of the numerical models significantly contribute to the marine environment study I MỞ ĐẦU Với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, công cụ khảo sát, phân tích hỗ trợ cho nghiên cứu mơi trường biển cải thiện đáng kể Một công cụ mơ hình tốn học Các mơ hình tốn học bắt đầu sử dụng cho nghiên cứu Việt Nam mẻ đầu năm 80 kỷ trước Các mơ hình chủ yếu ứng dụng mốt số quan nghiên cứu Viện Cơ học, Viện Địa Lý, Viện Khí tượng thủy văn Đại học KHTN (ĐHQGHN) Gần hơn, nhu cầu thực tế đòi hỏi nên mơ hình tốn mang tính thương mại đưa vào sử dụng số quan nghiên cứu với lĩnh vực đa dạng chế độ thủy động lực, vận chuyển trầm tích, tràn dầu, chất lượng nước v.v Một số mơ hình tốn học có khả tính tốn ứng dụng mạnh có Việt Nam, MIKE (Viện Khoa học Thủy lợi, Viện Cơ học), Delft3D (Viện Tài Nguyên Môi trường biển, Trường Đại học Thủy Lợi, Trung tâm Hải văn Môi trường), SMS (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên) Mặc dù chưa quan tâm nhiều Việt Nam việc ứng dụng mơ hình tốn học phục vụ nghiên cứu tài nguyên môi trường biển cho kết bước đầu tích cực Tại Viện Tài ngun Mơi trường biển, cơng cụ mơ hình sử dụng năm gần Đặc biệt từ sau năm 2002, số mơ hình chủ yếu sử dụng sau: Mơ hình Delft3d: Đây mơ hình tổng hợp chiều (3D) Viện Thủy lực Delft (WL | Delft Hydraulics) Hà Lan nghiên cứu phát triển Mô hình gồm module như: thủy động lực, chất lượng nước, sinh thái học, trầm tích địa hình đáy, sóng (chính mơ hình sóng SWAN) Với tính ưu điểm mình, Delft3d Tiểu ban: Sinh thái, Môi trường quản lý Biển sử dụng để mô phỏng- dự báo thủy động lực, chất lượng nước, lan truyền chất gây ô nhiễm, vận chuyển trầm tích biến đổi địa hình vùng cửa sơng, vùng ven biển biển khơi [27] Mơ hình SHYFEM (Finite Element Model for Coastal Seas) nghiên cứu phát triển Viện Khoa học biển Venice (Italia) Đây chương trình dựa phương pháp phần tử hữu hạn để giải phương trình thủy động lực cho vùng đầm phá, vùng cửa sơng ven biển Bộ chương trình dùng để mơ đặc điểm thủy động lực, lan truyền chất gây ô nhiễm, chất lượng nước vận chuyển trầm tích [26] Mơ hình COHERENS (COupled Hydrodynamical Ecological model for REgioNal Shelf seas) mơ hình số chiều xây dựng thời gian từ 1990 đến 1999 nhóm nhà khoa học đa quốc gia (Bỉ, Anh, Hà Lan) thuộc tổ chức nghiên cứu tiếng Châu Âu giới Mơ hình tập trung giải tốn kết hợp thủy động lực với trình sinh học, ô nhiễm vùng nước ven bờ biển nông ven thềm lục địa [9] II MỘT SỐ KẾT QUẢ ỨNG DỤNG CƠNG CỤ MƠ HÌNH Ở VIỆN TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG BIỂN 2.1 Mơ đặc điểm thủy động lực Chế độ thủy động lực thủy vực yếu tố quan trọng tác động đến hầu hết trình diễn Chính xét đến nghiên cứu tài nguyên môi trường vận chuyển trầm tích, bồi tụ -xói lở, biến động đường bờ, lan truyền chất gây ô nhiễm vùng cửa sông ven biển Trước kia, để đánh giá đặc trưng thủy động lực, người ta dựa kết phân tích từ số liệu khảo sát đo đạc Tuy nhiên hạn chế thời gian số lượng khảo sát nên việc đánh giá điều kiện thủy động lực thông qua số liệu khảo sát gặp nhiều khó khăn Trong đó, cơng cụ mơ hình áp dụng cho kết phân bố không gian, biến động theo thời gian yếu tố thủy động lực Với lợi ích vậy, mơ hình thủy động lực áp dụng cho số khu vực vịnh Bái Tử Long, khu vực vịnh Hạ Long - Bái Tử Long, ven biển Cát Bà - Hạ Long, khu vực cửa sông ven biển Hải Phịng, vùng ven bờ châu thổ sơng Hồng [1, 4, 9] (b) (a) Hình Phân bố trường dòng chảy khu vực vịnh Hạ Long – Bái Tử Long (pha triều lên-mùa mưa; a- triều lên; b- triều xuống)[9] Trên hình ví dụ kết mơ trường dịng chảy khu vực vịnh Hạ Long – Bái Tử Long vai trò dao động mực nước đến biến động theo thời gian trường dòng chảy ảnh hưởng địa hình đến phân bố khơng gian trường dịng chảy khu vực Khả trao đổi nước thủy vực khu vực khác có ý nghĩa quan trọng việc đánh giá khả tự làm sạch, sức tải môi trường vùng ven Hội nghị Khoa học Công nghệ biển toàn quốc lần thứ V biển, khả tính tốn định lượng từ mơ hình thủy động lực [9] 2.2 Mơ đặc điểm vận chuyển trầm tích Nằm khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp từ dòng vật chất từ hệ thống sơng Hồng sơng Thái Bình, vùng bờ châu thổ sông Hồng chịu tác động khác dòng bùn cát từ lục địa đưa Những tác động vừa có tác dụng tích cực tăng cường bồi đắp cho vùng châu thổ tạo đất đai bảo vệ bờ biển…, vừa có tác dụng tiêu cực gây bồi lấp luồng vào cảng, làm đục nước khu du lịch ven biển Dưới tác động trình thủy động lực, vận chuyển trầm tích đóng vai trị quan trọng q trình gây tác động Để tìm hiểu chế vận chuyển trầm tích từ kết đo đạc khảo sát gặp nhiều khó khăn hạn chế, để hiểu rõ chế vận chuyển trầm tích vùng biển việc áp dụng mơ hình tốn điều cần thiết có ý nghĩa (a) (b) Hình Phân bố hàm lượng trầm tích lơ lửng (kg/m3) tầng mặt khu vực ven bờ châu thổ sông Hồng (nước lớn - mùa mưa, trước đập Hịa Bình)[11] Những kết ứng dụng mơ hình tốn để mơ vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực ven biển Hải Phòng, vùng ven biển Cát Bà - Hạ Long, vùng biển vịnh Hạ Long – Bái Tử Long, vùng cửa ven bờ châu thổ sông Hồng cho thấy vai trò quan trọng dòng bùn từ lục địa dao động mực nước triều đến phân bố theo không gian biến động theo thời gian trầm tích lơ lửng mơi trường nước Dịng trầm tích cung cấp cho khu vực chủ yếu tập trung vào mùa mưa, vào mùa khô lượng bùn cát cung cấp nên hàm lượng trầm tích lơ lửng nhỏ Những nơi xa nguồn cung cấp trầm tích từ cửa sơng chính, vùng có hàm lượng trầm tích lơ lửng cao nhỏ sát ven bờ, biến động khu vực phía ngồi có độ sâu lớn (hình 2) Lượng vận chuyển trầm tích qua mặt cắt tính tốn dự báo dựa mơ hình tốn [6, 11] 4.3 Mơ hình chất lượng nước sinh thái Với ưu điểm lớn so với phương pháp khác, mơ hình chất lượng nước sinh thái ứng dụng nhiều vùng bờ, đặc biệt vùng ven biển khu vực Quảng Ninh – Hải Phịng, nơi có di sản thiên nhiên giới vịnh Hạ Long, khu dự trữ sinh giới Cát Bà Đối tượng mơ tính tốn từ mơ hình tốn khả lan truyền theo Tiểu ban: Sinh thái, Môi trường quản lý Biển không gian biến động theo thời gian số nhóm chất gây nhiễm hữu cơ, dinh dưỡng kim loại nặng Mặc dù nhiều nguyên nhân khác thiếu số liệu đầu vào, khơng có điều kiện để tiến hành thí nghiệm đánh giá hệ số, tham số mơ hình chất lượng nước, kết tính tốn dự báo chất lượng nước (hình 3) khu vực ven biển Cát Bà – Hạ Long, khu vực vịnh Hạ Long – Bái Tử Long cho kết bước đầu có ý nghĩa bán định lượng, giúp đánh giá – dự báo ảnh hưởng nguồn gây ô nhiễm đến chất lượng nước khu vực nghiên cứu dự báo theo vài kịch Một số mơ hình chất lượng nước có đóng góp định việc đánh giá sức tải môi trường khu vực ven biển Cát Bà, khu vực vịnh Hạ Long – Bái Tử Long [1, 2, 4, 8, 10] (b) (a) Hình Phân bố COD (a) BOD (b) khu vực ven biển Cát Bà - Hạ Long thời điểm nước lớn (mùa mưa 2007)[2] (b) (a) Hình Phân bố tảo khác (non-diatoms) khu vực ven biển Cát Bà - Hạ Long thời điểm nước lớn (mùa mưa 2007)[8] Những tác động tiêu cực người làm suy giảm chất lượng mơi trường nước mà cịn có ảnh hưởng định đến sinh vật Một biểu thể qua hình thành suất sơ cấp thủy vực Để đánh giá ảnh hưởng đó, mơ hình sinh thái ứng dụng khu vực ven biển Cát Bà-Hạ Long vịnh Hạ LongBái Tử Long để mô dự báo hình thành suất sơ cấp khu vực số kịch khác [2, 8] Những kết bước đầu mở Hội nghị Khoa học Công nghệ biển toàn quốc lần thứ V hướng ứng dụng mơ hình tốn nghiên cứu mơi trường biển cách có hệ thống từ yếu tố (thủy động lực) đến diễn biến ô nhiễm (chất lượng nước) sinh học (sự hình thành suất sơ cấp) Chlorophyll-a concentration (mg/m3) 10-Jan-2009 06:00:00 2.335 x 10 Chlorophyll-a concentration (mg/m3) 10-Jan-2009 19:00:00 12x 10 2.335 2.33 11 2.33 2.325 10 2.325 12 2.32 distance (m)  distance (m)  10 2.315 2.31 2.305 2.32 2.305 2.3 2.295 2.295 7.1 7.2 7.3 distance (m)  7.4 7.5 x 10 2.31 2.3 2.29 6.9 2.315 2.29 36.9 7.1 7.2 7.3 distance (m)  7.4 7.5 x 10 Hình Phân bố Chlorophyll-a khu vực vịnh hạ Long –Bái Tử Long kỳ triều cường, mùa khơ, năm 2008 (a- nước lớn; b- nước rịng) [2] 2.4 Mô dự báo lan truyền dầu xảy cố tràn dầu Với vị trí địa lý thuận lợi, vùng bờ tây vịnh Bắc Bộ có tuyến đường hàng hải quan trọng từ tỉnh phía bắc tỉnh phía nam quốc tế Cùng với phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu vận chuyển hàng hóa đường thủy ngày tăng từ làm xuất nhiều nguy xảy cố tràn dầu, thảm họa môi trường sinh thái Để hạn chế ảnh hưởng tiêu cực cố tràn dầu gây ứng cứu kịp thời phương pháp hiệu việc ứng dụng mơ hình tốn cung cấp thơng tin cần thiết giúp xây dựng phương án ứng cứu (a) (b) Hình Biến đổi vệt dầu tan nước (kg/m3) cửa sông Bạch Đằng xảy cố lúc triều lên -mùa mưa (a- sau cố 6h; b- sau cố 11h) [7] Kết mơ hình tràn dầu cung cấp thơng tin vị trí, phạm vi xu hướng di chuyển vệt dầu loang mặt biển mà cịn mặt nước Mơ hình tràn dầu cịn cơng cụ giúp dự báo khu vực bị ảnh hưởng cố tràn dầu gây Cho đến nay, số mơ hình tràn đầu thiết lập để mô lan truyền dầu xảy cố tràn dầu giả định số khu vực vịnh Hạ Long, vịnh Bái Tử Long, khu Tiểu ban: Sinh thái, Môi trường quản lý Biển vực ven biển Hải Phòng [5, 7, 10] Các kết mơ hình cung cấp đầy đủ xu hướng di chuyển theo không gian, biến đổi theo thời gian vệt dầu, hàm lượng dầu nước, lượng dầu mặt lượng dầu bám đáy khu vực giả định xảy cố tràn dầu (hình 6) Tuy nhiên, để áp dụng mơ hình tràn dầu cách hiệu cần xây dựng sở liệu vùng nhạy cảm dễ xảy cố tràn dầu, sở trường hợp xảy cố, cần thơng báo vị trí, lượng dầu tràn ra, điều kiện khí tượng sau thời gian ngắn có thể, mơ hình cho ta kết phân bố theo không gian biến đổi theo thời gian vệt dầu, góp phần đưa phương án ứng cứu nhanh 2.5 Một số ứng dụng khác Ngoài ứng dụng trên, số ứng dụng khác mơ hình tốn học thực phục vụ dự báo tác động làm thay đổi điều kiện thủy động lực, vận chuyển bùn cát chất lượng nước hoạt động tác động đổ thải, nạo vét, khai thác cát, công trình bờ v.v Từ kết phân tích dự báo đó, góp phần đưa đề xuất hạn chế, giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực hoạt động Hình Phân bố trầm tích lơ lửng khu vực ven bờ Tiên lãng mùa mưa (nước ròng, tầng mặt; a- ; b- dự kiến có sân bay)[12] Trên hình ví dụ dự báo ảnh hưởng tuyến đê quai ven bờ Tiên Lãng (nơi dự kiến làm sân bay quốc tế) đến điều kiện thủy động lực vận chuyển trầm tích khu vực [12] Theo đó, hình thành tuyến đê này, dịng trầm tích từ cửa Văn Úc Thái Bình tăng cường dịch chuyển lẩn lượt phía đơng bắc tây nam III KẾT LUẬN Mặc dù cịn có nhiều hạn chế việc ứng dụng mơ hình tốn học vùng cửa sông ven biển Viện Tài nguyên Môi trường biển cung cấp thông tin cách định lượng đặc điểm thủy động lực, trao đổi nước, lan truyền biến đổi chất gây ô nhiễm, hình thành suất sơ cấp số khu vực trọng điểm theo kịch khác Ngồi ứng dụng mơ hình tốn bước đầu tiếp cận dự báo tác động người biến đổi khí hậu đến mơi trường nước, hình thành suất sơ cấp khu vực Các ứng dụng mơ hình tốn học vùng cửa sông ven biển thực Viện Tài ngun Mơi trường biển nói riêng Việt Nam nói chung có thành cơng bước đầu để cung cấp nhiều thơng tin hữu ích phục vụ nghiên cứu tài nguyên mơi trường biển cần thiết phải khắc phục hạn chế tồn thiếu số liệu đầu vào tin cậy, hạn chế kinh nghiệm xử lý số liệu lựa chọn tham số Hội nghị Khoa học Cơng nghệ biển tồn quốc lần thứ V TÀI LIỆU THAM KHẢO Đỗ Trọng Bình, 2003 Ứng dụng mơ hình MIKE21 đánh giá dự báo thuỷ động lực chất lượng nước Vịnh Hạ Long, Việt Nam Tuyển tập Tài nguyên môi trường biển, tập IX Đỗ Trọng Bình nnk, 2009 Nghiên cứu, đánh giá tác động trình chuyển hố vật chất hình thành suất sơ cấp ảnh hưởng tới sức tải môi trường khu vực vịnh Hạ Long Bái Tử Long Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài “Nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường đề xuất giải pháp quản lý bảo vệ môi trường vịnh Hạ Long –Bái Tử Long” Luytens, P J., Jones, J., Proctor, R., Tabor, A., Tett, P., Wild-Allen, K., 1999 COHERENS - A Coupled Hydrodynamical Ecological Model for Regional and Shelf Seas MUMM Internal Report, Management Unit of the Mathematical Models of the North Sea Brussels Vũ Duy Vĩnh, 2005 Mơ hình tốn nghiên cứu thuỷ động lực chất lượng nước khu vực Vịnh Bái Tử Long Tuyển tập tài nguyên môi trường biển, tập XII, trang 33-51 Nxb KH&KT, Hà Nội Vũ Duy Vĩnh, 2006 Áp dụng mơ hình tốn mơ lan truyền dầu xảy cố tràn dầu vịnh Bái Tử Long Tạp chí Khoa học Công nghệ Biển Phụ trương (Tháng 6/2006) Vũ Duy Vĩnh nnk, 2007 Mô đặc điểm thuỷ động lực vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sơng ven biển Hải Phịng Tài nguyên môi trường biển, tập XIII Nxb KH&KT, Hà Nội Vũ Duy Vĩnh, 2007 Mô trình lan truyền dầu xảy cố tràn dầu khu vực cửa sông Bạch Đằng Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học công nghệ môi trường năm 2007 Vũ Duy Vĩnh nnk, 2008 Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu, ứng dụng mô hình sinh thái phục vụ bảo vệ đa dạng sinh học hệ sinh thái vùng biển Cát Bà - Hạ Long” Lưu trữ Viện Tài nguyên Mơi trường biển Vũ Duy Vĩnh, 2009 Mơ hình thủy động lực khu vực vịnh Hạ Long- Bái Tử Long Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài “Nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường đề xuất giải pháp quản lý bảo vệ môi trường vịnh Hạ Long –Bái Tử Long” Lưu trữ Viện Tài nguyên Môi trường biển 10 Vũ Duy Vĩnh, 2010 Ứng dụng mơ hình tốn học phục vụ quản lý tổng hợp vùng ven biển số kết áp dụng bờ tây vịnh bắc Tài nguyên môi trường biển, tập XV Nxb KHTN&CN, Hà Nội 11 Vũ Duy Vĩnh, 2011 Ảnh hưởng đập Hịa Bình đến tương tác động lực vùng cửa sông Hồng Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài: Nghiên cứu, đánh giá tác động cơng trình hồ chứa thượng nguồn đến diễn biến hình thái tài ngun – mơi trường vùng cửa sông ven biển Đồng Bắc Bộ Lưu trữ Viện Tài nguyên Môi trường biển 12 Vũ Duy Vĩnh, 2011 Tác động tuyến đê quai Tiên Lãng đến điều kiện thủy thạch động lực khu vực ven bờ Tiên Lãng Báo cáo chuyên đề thuộc nhiệm vụ “Đánh giá tác động thủy thạch - động lực tuyến đê quai lấn biển Tiên Lãng“ Lưu trữ Viện Tài nguyên Môi trường biển 13 Umgiesser G., Roland, A., A Cucco, C Ferrarin, T.-W Hsu, J.-M Liau, S.-H Ou, and U Zanke 2009 On the development and verification of a 2-D coupled wave-current model on unstructured meshes Journal of Marine Systems, Vol 78 (Suppl 1), 244-254 14 WL|Delft Hydraulics, 1999 Delft3D-FLOW User Manual Version 3.05, Technical Reference Manual) WL| Delft Hydraulics, Delft, Netherlands Người đọc nhận xét: TS Nguyễn Minh Sơn View publication stats ... lý bảo vệ môi trường vịnh Hạ Long –Bái Tử Long” Lưu trữ Viện Tài nguyên Môi trường biển 10 Vũ Duy Vĩnh, 2010 Ứng dụng mô hình tốn học phục vụ quản lý tổng hợp vùng ven biển số kết áp dụng bờ tây... thể, mơ hình cho ta kết phân bố theo không gian biến đổi theo thời gian vệt dầu, góp phần đưa phương án ứng cứu nhanh 2.5 Một số ứng dụng khác Ngoài ứng dụng trên, số ứng dụng khác mô hình tốn... nguyên Môi trường biển Vũ Duy Vĩnh, 2009 Mơ hình thủy động lực khu vực vịnh Hạ Long- Bái Tử Long Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài ? ?Nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường đề xuất giải pháp quản lý