NGHIÊN CỨU KHOA HỌC-ĐỀ TÀI:"MÔ PHỎNG, DỰ BÁO QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN BÙN CÁT LƠ LỬNG KHU VỰC CỬA ÔNG" ppt

Mục đích của bài báo này là ứng dụng mô hình toán hai chiều RMA2 và SED2D để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát trong sông - biển từ những nguồn ô nhiễm khác nhau do Dự án xây dựng Nh

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

MÔ PHỎNG, DỰ BÁO QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN BÙN CÁT LƠ LỬNG

KHU VỰC CỬA ÔNG

MÔ PHỎNG, DỰ BÁO QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN BÙN CÁT LƠ LỬNG

KHU VỰC CỬA ÔNG

Trần Hồng Thái, Lê Vũ Việt Phong, Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Văn Hải

Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

1 Mở đầu

Bùn cát lơ lửng là nguồn ô nhiễm không tập trung với nồng độ biến đổi rất nhanh, phụ thuộc vào các hoạt động kinh tế xã hội Sự biến đổi của nồng độ chất lơ lửng không chỉ có ý nghĩa trong trầm tích học, địa mạo học mà còn là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng tới hệ sinh thái trong khu vực [5] Những hiểu biết về quá trình động lực của bùn cát lơ lửng ở cửa sông và ven biển có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm của nước biển và những rủi ro môi trường tiềm ẩn Mục đích của bài báo này là ứng dụng mô hình toán hai chiều RMA2 và SED2D để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát trong sông - biển từ những nguồn ô nhiễm khác nhau do

Dự án xây dựng Nhà máy nhiệt điện Mông Dương gây nên Kết quả mô phỏng chất lượng nước cho điều kiện hiện tại và dự báo trong tương lai góp phần giúp các nhà quản lý tài nguyên môi trường có cơ sở khoa học trong việc đưa ra các quyết định bảo

vệ môi trường sông - biển

2 Đặc điểm khu vực nghiên cứu

Khu vực xung quanh nhà máy nhiệt điện Mông Dương có 3 con sông chính: sông Mông Dương, sông Dê Dách và sông Thác Thầy Các sông này nối với biển thông qua eo Luồng Gạc Ngoài ra còn có một số khu bảo tồn văn hóa lịch sử như: khu bảo tồn Kỳ Thượng (cách khu vực thực hiện dự án khoảng 15 km về phía tây theo tuyến đường bộ, công viên quốc gia Bái Tử Long (cách khu dự án khoảng 18 km về hướng tây bắc theo tuyến đường sông), các hòn đảo trên vịnh Hạ Long (cách khu vực

dự án khoảng 18 km về phía Nam theo tuyến đường sông - xem Hình 1)

3 Phương pháp nghiên cứu và nguồn số liệu

3.1 Phương pháp nghiên cứu

Do hệ thống sông chảy qua khu bảo tồn Kỳ Thượng không liên thông với sông Mông Dương, nên hệ sinh thái nước trong khu vực này không bị tác động bởi lan truyền bùn cát từ khu vực Dự án nhà máy nhiệt điện Mông Dương Chính vì vậy, bài báo chỉ tập trung đánh giá tác động môi trường do lan truyền bùn cát lơ lửng từ khu vực từ Luồng Gạc đến Vịnh Hạ Long và Vịnh Bái Tử Long

Khu bảo tồn

Kỳ Thượng

Hình 1 Bản đồ khu vực nghiên cứu

Công viên quốc gia Bái Tử Long

~ 18km

N

20 km

Nhà máy nhiệt điện Mông Dương

~ 15km

Vịnh Hạ Long

Để giải quyết các vấn đề nêu trên, 3 nhiệm vụ chính sau đã được thực hiện:

- Tính toán các đặc trưng thuỷ lực trên sông Mông Dương, sông Thác Thầy và sông Dê Dách, làm các biên trên cho bài toán mô phỏng thủy lực - chất lượng nước Trong thực tế, trên các sông này không có các trạm quan trắc thủy văn, nên các tác giả

đã ứng dụng mô đun mưa – dòng chảy NAM trong bộ phần mềm MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) phát triển để khôi phục dòng chảy từ số liệu mưa (tham khảo chi tiết thuật toán và cách ứng dụng trong [1],[3]) Số liệu đầu vào của mô hình là số liệu mưa thực đo tại trạm Cửa Ông, đặt trong khu vực nghiên cứu;

- Tính toán chế độ thủy văn thủy lực trong khu vực nghiên cứu bằng mô đun RMA2 trong bộ phần mềm SMS;

- Tính toán lan truyền bùn cát trong khu vực nghiên cứu bằng mô đun SED2D của bộ phần mềm SMS Việc ứng dụng mô hình tính toán bùn cát nhằm mô phỏng phạm vi lan truyền và mức độ ảnh hưởng của bùn cát lơ lửng từ khu vực nhà máy trong các chế độ triều khác nhau cho các giai đoạn: (a) trước khi xây dựng nhà máy; (b) trong thời gian xây dựng nhà máy ; và (c) trong thời gian vận hành nhà máy, khi bãi chứa xỉ thứ 2 đi vào hoạt động

3.2 Giới thiệu hai mô hình RMA2 và SED2D

3.2.1 Mô hình RMA2

RMA2 là mô hình số trị động lực học chất lỏng được giải theo phương pháp phần tử hữu hạn cho dòng chảy hai chiều ngang được trung bình từ hệ phương trình Reynolds Ma sát được tính toán theo phương trình của Manning hay Chezy, hệ số nhớt xoáy được sử dụng để xác định những đặc tính của dòng chảy rối Mô hình tính toán các thành phần là cao trình mặt nước và vận tốc hai chiều theo phương ngang cho dòng chảy rối có bề mặt tự do [6]

RMA2 coi gia tốc theo phương thẳng đứng là không đáng kể, các vectơ lưu tốc

có cùng hướng trong toàn cột nước tính toán tại cùng một thời điểm

Hệ các phương trình toán học cơ bản của RMA2 gồm có:

* Phương trình liên tục: h h u v u h

v y

∂ ⎝∂ ∂ ⎠ ∂ ∂ (1)

* Phương trình động lượng:

/ /

.

1 6

2 a

V cos -2hv sin =0

ρ

−

(2)

/ /

.

1 6

2 a

V sin -2hu sin =0

ρ

−

(3)

Trong đó: x, y, t - Trục tọa độ Đề Các và thời gian; h - Độ sâu (m); u, v - Véc

tơ lưu tốc; ρ - Mật độ chất điểm (kg/m3); E - Hệ số nhớt xoáy (m2/s); g - Gia tốc trọng

trường (m2/s); a - Cao trình đáy (m); n - Hệ số nhám Manning; V a - Tốc độ gió (m/s);

ζ- Hệ số biến dạng do gió

Các phương trình (1), (2) và (3) được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn

sử dụng phương pháp số dư có trọng số Garlekin [8]

3.2.2 Mô hình SED2D

SED2D mô phỏng vận chuyển bùn cát hai chiều trong kênh dẫn hở và được ứng dụng tính toán cho bùn cát đáy tại những điểm lưu tốc là đáng kể theo hai chiều trong mặt phẳng nằm ngang Điều này đặc biệt hữu ích đối với nghiên cứu xói mòn, lắng đọng và đối với nghiên cứu chiều rộng của dòng chảy ở một mức độ nào đó Mô hình

có thể áp dụng với hai loại bùn cát: 1) Bùn cát không dính; 2) Bùn cát dính

Mô hình SED2D giả thiết rằng sự thay đổi cao trình đáy do xói mòn hay lắng đọng không ảnh hưởng nhiều đến trường dòng chảy Chính vì vậy, cần lưu ý cập nhật các số liệu địa hình cùng các điều kiện ban đầu tương ứng để tăng độ chính xác và tính

ổn định của mô hình [7]

Các phương trình toán học cơ bản của SED2D gồm có

* Phương trình đối lưu - khuyếch tán

Phương trình được Ariathurai, MacAuthur và Krone đưa ra năm (1977)

∂ ∂ ∂ ∂ ⎝ ∂ ⎠ ∂ ⎝ ∂ ⎠ (4)

Trong đó: C - Nồng độ (kg/m3); t - thời gian (s); u - Lưu tốc dòng chảy theo phương x (m/s); x - Hướng dòng chảy chính; v - Lưu tốc dòng chảy theo phương y (m/s); y - Hướng vuông góc với phương x; D x , D y - Hệ số khuyếch tán theo phương x

và phương y (m2/s);

* Tính toán ứng suất biến dạng đáy τb =ρ(U*)2 (5) Trong đó: ρ - trọng lượng riêng của nước (kg/m3); U* - lưu tốc trượt (m/s)

* Vận chuyển bùn cát đáy eq

C

C C S

t

−

= (6)

Trong đó : S - Lượng bùn cát cung cấp từ đáy sông theo thời gian (kg/m3.s); t c -

đặc trưng thời gian (s) ; C eq - Nồng độ bùn cát cân bằng (kg/m3) ; C - Nồng độ bùn cát

trong cột nước tính toán (kg/m3)

Có nhiều quan hệ truyền tải để tính Ceq theo kích cỡ hạt, tuy nhiên công thức của Ackers-White (1973) đã được sử dụng trong mô hình do đã được hoàn thiện, sử dụng tương đối đơn giản và đặc biệt là đã được kiểm nghiệm bằng nhiều thực nghiệm (White, Milli và Crabbe 1975; Swart 1976)

3.3 Nguồn số liệu

Các số liệu phục vụ tính toán gồm có:

- Số liệu khí tượng, thủy văn của tỉnh Quảng Ninh (lưu lượng nước tại trạm Dương Huy năm 1961 và1962, lượng mưa tại trạm Cửa Ông năm 1961,

1962, 2005 ) để xác định bộ thông số của mô hình NAM và khôi phục số liệu dòng chảy cho các sông Mông Dương, Dê Dách và Thác Thầy ;

- Số liệu địa hình, mực nước và lưu lượng nước của sông Mông Dương để hiệu chỉnh mô hình thủy lực;

- Số liệu độ sâu làm đầu vào cho mô hình thủy lực và vận chuyển bùn cát lơ lửng;

- Số liệu mực nước triều làm điều kiện biên dưới cho mô hình thủy lực và vận chuyển bùn cát lơ lửng;

- Số liệu các nguồn ô nhiễm trong khu vực, thu thập từ các nghiên cứu liên quan và qua các đợt khảo sát thực địa;

- Số liệu nồng độ các chất lơ lửng trong sông Mông Dương làm đầu vào cho

mô hình vận chuyển bùn cát lơ lửng

4 Kết quả và thảo luận

4.1 Ứng dụng mô hình RMA2 để tính toán thủy lực

Vùng nghiên cứu là vùng có diện tích rất rộng so với diện tích Dự án nhà máy nhiệt điện Mông Dương Chính vì vậy, khi tính toán với lưới tính có bước tính đủ nhỏ cho toàn bộ hệ thống, một vấn đề phát sinh là không đủ tài nguyên tính toán Để giải quyết vấn đề này, kỹ thuật lưới tính toán kép đã được áp dụng:

- 01 lưới tính toán chi tiết được sử dụng để mô phỏng các quá trình truyền tải bùn cát lơ lửng gần khu vực công trình nhà máy nhiệt điện Mông Dương

Những lưới này được mô tả trong Hình 2, Hình 3 và Hình 4 cho 3 trường

hợp : (i) trước ; (ii) trong ; và và sau khi xây dựng nhà máy nhiệt điện ;

- 01 lưới tính toán mở rộng (Hình 5) được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền tải bùn cát lơ lửng từ công trình nhà máy nhiệt điện Mông Dương tới biển (Vịnh Hạ Long và Bái Tử Long)

Hình 2 Lưới tính toán trước khi xây dựng Hình 3 Lưới tính toán trong khi xây dựng

Các kết quả mô phỏng của mô hình với lưới chi tiết được sử dụng như điều kiện biên cho mô hình trong trường hợp lưới tính toán mở rộng

Hiệu chỉnh mô hình

Mục đích của hiệu chỉnh mô hình là tìm ra bộ thông số tối ưu, để kết quả mô phỏng phù hợp với giá trị thực đo Trong mô hình RMA2, những thông số quan trọng, ảnh hưởng chủ yếu đến kết quả hiệu chỉnh là: số liệu địa hình (chiếm 60%), điều kiện biên (chiếm 20%), hệ số nhám Manning Cn (chiếm 10% - phụ thuộc vào độ sâu dòng nước, thảm phủ thực vật và chế độ dòng chảy) và hệ số nhớt xoáy E (chiếm 6%) [2] Kết quả hiệu chỉnh trình bày trong Bảng 1

Dữ liệu đầu vào cho RMA2 bao gồm:

+ Số liệu địa hình của vùng nghiên cứu;

+ Các điều kiện biên trên: số liệu lưu lượng nước tính toán được từ mô hình NAM;

+ Các điều kiện biên dưới: số liệu mực nước triều;

Bảng 1 Các thông số hiệu chỉnh cho RMA2

1 Hệ số Manning Cn trong

Luồng Gạc

0.03 5 Hệ số Manning Cn trong lòng

sông chính

0.035

2 Hệ số nhớt xoáy E trong

Luồng Gạc

25 6 Hệ số nhớt xoáy E trong lòng

sông chính

27

3 Hệ số Manning Cn trong biển 0.025 7 Hệ số Manning Cn dọc bờ sông 0.045

4 Hệ số nhớt xoáy E trong biển 20 8 Hệ số nhớt xoáy E dọc bờ sông 30

Mô tả chi tiết hơn về quá trình hiệu chỉnh mô hình thủy văn, thủy lực có thể tham khảo trong nghiên cứu của T H Thái [1]

4.2 Ứng dụng mô hình SED2D để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng

Số liệu mực nước và trường vận tốc do RMA2 xuất ra sẽ được mô hình SED2D sử dụng để giải phương trình đối lưu-khuyếch tán 2 chiều, mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng với trình tự tính toán như sau:

- Thiết lập mô hình thủy lực và mô hình vận chuyển bùn cát: vị trí của các nguồn thải;

- Thiết lập các điều kiện biên: (i) Các điều kiện biên trên: lưu lượng nước tại các đầu vào của sông Mông Dương, Dê Dách và Thác Thầy; (ii) điều kiện biên dưới: số liệu mực nước triều;

- Thiết lập các điều kiện biên về bùn cát và các nguồn thải từ các bãi than;

- Hiệu chỉnh để tìm ra bộ thông số của mô hình;

- Sử dụng mô hình với các thông số mới được xác định để mô phỏng lực và diễn biến bùn cát theo không gian, thời gian với các điều kiện biên thích hợp

4.2.1 Hiệu chỉnh mô hình

Số liệu đầu vào cho mô hình vận chuyển bùn cát bao gồm:

+ Số liệu mực nước và vận tốc từ mô hình RMA2;

+ Các điều kiện biên trên: (i) nồng độ bùn cát của tại đầu vào của sông Mông Dương C1 = 0.01 - 0.026 (kg/m3); (ii) nồng độ bùn cát tại đầu vào của sông

Dê Dách: C8 = 0.016 - 0.026 (kg/m3) ;

+ Các nguồn ô nhiễm: trong Hình 4, các nguồn ô nhiễm chính là các bãi than nằm dọc theo hai bên bờ sông (vị trí: S2, S3, …, S7) Các thông tin chính của các bãi than cần thiết cho mô hình là: Lưu lượng nguồn thải Q, nồng độ bùn cát C

Căn cứ vào : (i) bản chất lý hóa của các thông số của mô hình lan truyền bùn cát

lơ lửng được sử dụng; (ii) các kết quả nghiên cứu liên quan được trình bày trong [2,4]; (iii) các phân tích, đánh giá của nhóm tác giả nghiên cứu này về độ nhạy của các thông

số của mô hình lan truyền bùn cát lơ lửng (xem chi tiết trong [1]), các thông số chính cần hiệu chỉnh của mô hình lan truyền bùn cát được xác định như sau: đường kính hạt, giới hạn lắng đọng, vận tốc lắng đọng, độ khuếch tán hiệu quả và độ dày lớp trầm tích đáy Tiêu chí của hiệu chỉnh mô hình là tìm ra các giá trị thích hợp của bộ thông số mô

hình, sao cho các kết quả mô phỏng bằng mô hình trùng khớp với các giá trị thực đo tương ứng, quan trắc tại các vị trí LG1, LG2, LG3, LG4, MD2, MD3 và MD4 (Tọa độ của các điểm này xem trong Bảng 3) Kết quả hiệu chỉnh được thể hiện trong Bảng 2 Quá trình hiệu chỉnh mô hình được mô tả chi tiết trong nghiên cứu của T H Thái [1]

Bảng 2 Thông số ước tính cho SED2D

2 Vận tốc lắng đọng [m/s] 0.002 7 Tỷ trọng riêng của bùn cát [kg/m3] 2.650

3 Nồng độ bùn cát ban đầu [kg/m3] 0.001 8 Hệ số hình dạng của bùn cát 0.650

Bảng 3 Tọa độ các điểm nghiên cứu

Khu vực Điểm

nghiên cứu Tọa độ Khu vực

Điểm nghiên cứu Tọa độ

0 04’

210 05’

1070 23’

0 04’

210 05’

1070 22’

0 04’

210 05’

1070 21’

Sông

Mông

Dương

0 04’

1070 21’

Luồng Gạc

0 04’

1070 22’

4.2.2 Mô phỏng sự vận chuyển bùn cát lơ lửng theo dòng chảy

Báo cáo đã mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng cho vùng nghiên cứu trong cùng điều kiện theo 3 kịch bản sau: (1) trước khi xây dựng nhà máy nhiệt điện; (2) trong khi xây dựng nhà máy; và (3) giai đoạn sau xây dựng, nhà máy đi vào vận hành

Hình 6 và 7 mô tả đường đẳng trị bùn cát lơ lửng và trường vận tốc ở vị trí gần với khu vực dự án Trước khi xây dựng nhà máy nhiệt điện Mông Dương, nồng độ bùn cát lơ lửng trong nước thấp Nồng độ bùn cát ở khu vực khai thác than tăng lên nhưng hạt bùn cát (với đường kính trung bình là 0.5 mm) lắng xuống rất nhanh, chính vì vậy bán kính phân tán bùn cát lơ lửng tương đối thấp, khoảng 50-200 m Khu vực từ cửa biển Cửa Ông đến Vịnh Hạ Long và Vịnh Bái Tử Long, chất lượng nước tốt Nồng độ bùn cát trong nước ở đây nhỏ hơn 0.01 (kg/m3) Kết quả mô phỏng của mô hình là tương đối phù hợp so với kết quả thực đo tại Cửa Ông (xem [1])

Giai đoạn trong quá trình xây dựng nhà máy

Trong giai đoạn xây dựng, nguồn ô nhiễm bùn cát lơ lửng chính trong vùng nghiên cứu là: (1) do công việc nắn dòng sông Dê Dách, Mông Dương; (2) do công việc xây dựng

nhà máy; và (3) do công việc xây dựng bãi xỉ số 1 và số 2 Hình 8 và Hình 9 biểu diễn quá

trình vận chuyển bùn cát lơ lửng và trường vận tốc khi triều thấp Do có nhiều nguồn ô nhiễm

đổ vào sông trong suốt quá trình xây dựng nhà máy dẫn đến nồng độ bùn cát lơ lửng của dòng chảy tăng so với giai đoạn trước khi xây dựng Nồng độ bùn cát lơ lửng lớn nhất là 0.25 (kg/m3) [nồng độ lớn nhất trước khi xây dựng là 0.06 (kg/m3)] Mặt khác, hạt bùn cát lắng xuống rất nhanh bởi vậy bán kính phân tán chỉ khoảng 150m Nước trong phạm vi ngoài vùng phân tán có chất lượng tốt với nồng độ bùn cát lơ lửng nhỏ hơn 0.1 (kg/m3) Ở khu vực gần cửa biển Cửa Ông về phía vịnh Hạ Long và vịnh Bái Tử Long, nồng độ bùn cát nhỏ hơn 0.01 (kg/m3), không khác so với nồng độ bùn cát lơ lửng trước khi xây dựng

Trong giai đoạn này, có một lượng lớn bùn cát đổ xuống dòng chảy từ các bãi xỉ,

và từ các hoạt động của nhà máy Vì vậy, nồng độ bùn cát cao hơn, tốc độ lắng hạt bùn cát nhanh, do đó bán kính phân tán bùn cát tính từ vị trí xây dựng nhà máy tương đối nhỏ Hình 10 cho thấy ở khu vực gần cửa biển Cửa Ông, nồng độ bùn cát chỉ khoảng 0.03 kg/m3, tương đối gần với nồng độ bùn cát trước khi xây dựng

Hình 6 Nồng độ bùn cát trước khi xây dựng

nhà máy tại thời điểm triều cao

Hình 7 Trường vận tốc trước khi xây dựng

nhà máy lúc triều lên

Hình 8 Nồng độ bùn cát trong khi xây dựng nhà Hình 9 Trường vận tốc trong khi xây dựng

máy tại thời điểm triều thấp nhà máy lúc triều xuống

Hình 10 Nồng độ bùn cát sau khi xây dựng nhà

máy tại thời điểm triều cao

Hình 11 Trường vận tốc sau khi xây dựng

nhà máy lúc triều lên

Hình 12 Nồng độ bùn cát sau khi xây dựng nhà

máy lúc triều cao – lưới mở rộng

Hình 13 Nồng độ bùn cát sau khi xây dựng nhà máy lúc triều thấp – lưới mở rộng

Để mô phỏng sự vận chuyển bùn cát trên diện rộng từ khu vực dự án đến Vịnh

Hạ Long và Bái Tử Long, lưới tính toán mở rộng đã được sử dụng (Hình 5) Kết quả

được đưa ra ở Hình 12 và Hình 13 tương ứng với trường hợp triều thấp nhất và triều

cao nhất Qua đó ta thấy từ cửa biển Cửa Ông đến Vịnh Hạ Long và Bái Tử Long, nồng độ bùn cát lơ lửng là rất nhỏ (khoảng 0.005 [kg/m3])

Quan sát các Hình 14 và Hình 15, chúng ta có thể thấy sự biến đổi nồng độ bùn cát

lơ lửng theo thời gian tại các điểm LG1 và LG3 trên eo Luồng Gạc Lượng bùn cát lớn nhất

đổ vào dòng chảy trong giai đoạn hoạt động của nhà máy là từ các bãi xỉ Các tác động này chỉ đáng kể vào mùa lũ, khi trời mưa Trong trường hợp khác, khi không có mưa, không có dòng chảy qua các bãi xỉ thì tác động của nhà máy đến sự biến đổi bùn cát là tương đối nhỏ

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120

Time (h)

Before During After

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25

0 8 16 24 32 40 48 56 64 72 80 88 96 104 112 120

Time (h)

Before During After