tính toán lan truyền vật chất ô nhiễm khu vực vịnh nha trang bằng mô hình số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN CHÍ CÔNG TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM KHU VỰC VỊNH NHA TRANG BẰNG MÔ HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2012 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN CHÍ CÔNG TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM KHU VỰC VỊNH NHA TRANG BẰNG MÔ HÌNH SỐ Chuyên nghành: Hải Dương Học Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Minh Huấn Hà Nội – 2012 3 MỤC LỤC  4 CH 6 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 6 1.1.1 Tng quan tình hình nghiên cu trên th gii 6 1.1.2 Tng quan tình hình nghiên cu trong nc 8 1.2 Môđun MIKE 21 HD 10 1.2.1 C s toán hc 10 1.2.2 Phng pháp s 13 1.3 Môđun ECO Lab 17 1.3.1 C s lý thuyt [15] 17 1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cu ôxy sinh hóa (BOD) 18 1.3.3 Các hp phn ca Nit 22 1.3.4 Hp phn ca Photpho 24 CH 26 2.1 Tổng quan về điều kiện tự nhiên 26 2.1.1 V a lí 26 m gió 26 m sông ngòi 27 m nhit - mui 28 m dòng chy 28 m thy tring mc nc 29 2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 29 2.3 Hiện trạng môi trường vịnh Nha Trang 30 2.3.1 Các ngun thi 30 2.3.2 Cht lng nc vnh Nha Trang 31 CH 33 3.1 Thiết lập các thông tin đầu vào cho mô hình 33 3.1.1 Thu thp s liu 33 a hìn 34 3.1.3 Thit lp li tính 35 3.1.4 u kin biên u kin bau 36 3.2 Hiệu chỉnh mô hình 41 3.3 Một số kết quả tính toán 44 3.3.1 Kt qu tính toán cho mùa khô 44 3.3.2 Kt qu tính toán cho mùa ma 60 3.3.3 Kt qu tính toán kch bn ô nhim thi k mùa ma 75 KẾT LUẬN 80 KIẾN NGHỊ 81  82 4  Thành ph Nha Trang là mt trong nhng thành ph ng nht c c. Không nhng th Nha Trang c xp vào gii nhng vp trên th gii c thiên nhiên ban tng. Vi din tích khong 500km 2 o ln nh và 25km b bin, vnh Nha Trang n hàng vt khách du lch n tham quan, du lch. Mm ca bin Nha Trang là c bin trong xanh, chc rt tt, s ng sinh hc vi rt nhiu loài sinh vt và nhng rn san hô tht k  Tuy nhiên, trong nhi s phát trin kinh t chung, các ngành ngh kinh t trong thành ph ng vi t nhanh. Mt trái ca s phát trin này là nhng trc tip và gián tip ca các ngành ngh kinh t gây nên nhng áp lc li vng.  suy gim cht c vnh Nha Trang, s ng sinh h suy thoái h sinh thái, s mt cân bng sinh hc s dn hy hong sng, ng ti chc các bãi tm, chng vùng nuôi trng thy sn. Hu qu ca các bii này lng tr li các ngành ngh  nuôi trng thy sn, ngành du lch  dch v. c nhng bi ng xu c  ng bi  có nhiu báo cáo, kin ngh xut, hi ngh ca các nhà qun lý, honh, các nhà khoa hc nhng gii pháp hn, bo v, phc hi vnh Nha n có ca nó. Công vic này vc trin khai mt cách gp rút và toàn din. Mt trong nhng công c có th c s d giúp công vic này mt cách hiu qu  tn kém là vic s dng mô hình s tr  mô phng các quá trình lan truyn các vt cht gây ô nhim t các ca sông trên nn tng ca các quá trình thng lc. Li th ca các mô hình toán hc là có th mô phng mt cách toàn din theo không gian và thng bin  có th c nhng d báo, cnh báo v ng. Nhn thc m cp thit ca v ng vnh Nha Trang, hc viên la chng nghiên cu v tài: “Tính toán lan truyền vật chất ô 5 nhiễm khu vực vịnh Nha Trang bằng mô hình số”  có th mô phng mt s vt cht t các ca Sông Cái, Sông Tc có kh n chng môi ng.     4 + , NO 3 - , NO 2 - , pH, chloroph . Vi ngun s lic t mt s  c thc hin ti Vin H tài c phòng Vt lý bin, phòng Th tài cp Vin Khoa hc và Công ngh, Các D án hp tác quc t, tác gi s dng gói phn mm MIKE 21 HD, ECO Lab  mô phng quá trình lan truyn mt s vt cht có th gây ô nhim t các ca sông trong mùa  ca luc tiêu ca hc viên là có th tính toán, mô ph   c bc tranh v   ng lc và quá trình truyn ti các vt ch BOD, DO, NO 3 - , PO 4 + , NH 3 + , t ca Sông Cái Nha Trang, Sông Tc Nha trang và Sông Cái Ninh Hòa ti vc bit là các bãi tm Nha Trang.               a Trang. Các kt qu nghiên cu   . Llà tài liu tham kho liên quan ti v t nóng bng và nhy cm khu vc vnh Nha Trang. 6  1 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới S dng các mô hình s  tính toán, mô phng môi ng c khu vc gn b, khu bãi tm, khu nuôi trng thy sc thc hin rt ph bin trên th gii. Tùy thung và mu, vic áp dng các lo lit kê mt s mô c áp d c trên th gii. Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô c xây dng d c xây dng bi Di c s d mô t và d báo chc giúp các nhà qung quynh, gii phó vi các hing ô nhim do t i. i s dng áp dng trong không gian 1 th mô phng ta 2D và 3D bng cách chia hp vi  ng thành phn cht ô nhi liên kt vi các mô hình thng lc và vn chuyn tr   ng dòng chy, nhi  mui và các thông ng trc s d mô phng quá trình ym khí trong vnh Tampa; Cung ng Photpho cho h Okeechobee; Quá trình ym khí ti ca sông Neuse River; Ô nhim vt cht h phân hy ti ca sông Delaware, ô nhim kim loi nng ti sông Deep, bc Carolina [16]. Mô hình AQUATOX là mô hình mô phng h sinh thái thy sinh. Mô hình có th d báo quá trình suy tàn do nhiu loi cht gây nhi ng, hóa hc hng ca chúng lên các h sinh thái, bao gm ng vng và các loài thc vt thy sinh. AQUATOX là công c hu hiu ng hc, sinh hc, nhng nhà mô hình hóa chc và bt k ai cn quan tâm ti vii ro và suy gim các h sinh thái thy sinh. 7 Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model) c nâng cp t mô hình      (Brown và Barnwell ng chc sui và sông mt chiu có s tham gia ca quá trình xáo trn ri và bên. Mm linh hot ca mô hình này là có th chng Visual basic hong Excel. Mô hình có nhm sau: có th tính toán trên tn ca sông và các n hóa   biu din các hp cht cacbon (loi ôxy hóa nhanh và chm), các loi cacbon h không sng (các phân t p cht hóa hc). Các quá trình thiu ht ôxy gn ti giá tr không do các quá trình ôxy hóa,  u tiên. Tính toán thông ng ng gia trc. DELFT 3D ca Vin nghiên cu thu lc Hà Lan cho phép kt hp gia mô hình thu lc 3 chiu vi mô hình chm ca mô hình này là vic kt hp gia các module tính toán phc t ng kt qu tính mô phng cho nhiu cht và nhiu quá trình tham gia. SMS ca Trung tâm nghiên cu và phát trin k thut ci M xây dng cho phép kt hp gia mô hình thu lc 1, 2 chiu vi mô hình chng  module RMA4 là mô hình s tr vn chuyn các yu t chng c phân b ng nh sâu. Nó có th tính toán s tp trung ca 6 thành phn bo toàn hoc không bi 1 chiu hoc 2 chiu. ECOHAM (phiên bn 1 và 2) là mô hình s 3D kt hp gia module thy lc vc phát trin bi nhóm nghiên cu ci hc c). Mô hình ch yu tính toán da trên chu trình ca các hp phn ca  n c thc vng vc bin. ECOSMO (ECOSystem MOdel) là mô hình cp ba chiu thng lc  n  c phát trin da trên mô hình thng lc      c liên k   ng lc - nhi ng lc bin -         c 8 c NPZD da trên quá trình chuyi gia mc u tiên và th hai trong chui th    u khin b  ng Nhotpho và Su quan trng trong tính toán mô hình này là thng nht c gii hng v chun trong h sinh thái ca các mc th nht và th hai trong chui thnh còn tính toán s bii các mnh vn và ôxy  có th ng còn li và các quá trình ôxy hóa. Các tính toán v sinh khp và th cc áp dng mt cách thành công trong vic mô t khu vc ng lng yu khu vc Bin Bc. BASINS ca EPA nhm tr m tra h thng d liu thông ng, giúp các h th qun lý. Mm ni bt cp cn mi da trên nn tc sông, có kt hp qun lý d liu không gian thông qua h thông tin a lý GIS. BASINS có th dùng cho các mô phu kin ca n trng chc; Mô phng ca vic i s dn cân bc, mô phng các kch bn ngun ô nhim và din, xây dng và phát trin cách qun lý ca c c. Các nhóm tham s ca mô hình bao gm: Các hp chng chotpho, DO, BOD, thuc tr sâu, thuc bo v thc vt, bùn. B phn mm MIKE do Vin Thu l  ch (DHI) phát trin và i hoá. Mm mnh ca MIKE rt d s dng vi các giao din Windows, kt hp cht ch vi GIS (h tha lý). MIKE tích hp các module thu lc (HD) và ch  c (ECO Lab), bao gm: thu lc, truyn ti - khuch tán chc. MIKE là mt mô hình vi nhi mnh, kh ng dng rng rãi cho nhiu dng thu vc khác nhau. 1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước  c ta, trong nhng nghiên cu, xây dng và s dng mô hình trong nghiên cu thng lc     c quan ng nghiên cu tra, tính toán ô nhi 9 vnh và khu vc ven bin - khu vc tp trung ch yu các hong kinh t ca con c tip tác vp tác Quc t Nht Bn - JICA (1995  1998) ca Ving bin  Vin Khoa hc và Công ngh Viu s dng pt cht b sung (Flux) và qu ngun (Budget) chy trên phn mm chuyên dng CABARET of LOICZ (M  tích t và khuch tán vt cht ti mt s m thuc vnh H c s dng tính toán m ng ca h m phá Tam Giang  Cu Hai (Tha Thiên Hun quá trình khuch tán vt cht trong không gian và ch gii hn ti mt s m nhnh. m vi lun án ti dng phn mm DELFT 3D -  u ti ô nhim ca H Tây vi mc  khoa hc trong vic xây dng k hoch bo v và phát trin H Tây. Nn kh ng các yu t DO, BOD, COD, NH 4 + , NO 3 - , PO 4 - theo không gian 2 chiu và thi gian [7]. Trong khuôn kh  tài cp B Thy sn, Trng s n hành nghiên cu sc chu ti và kh  làm sch ti khu vc nuôi cá lng bè  Pht C (Qung Ninh) và Tùng Gu (Hi Phòng) da trên quá trình chuyn hóa các hp chng, h  thng lc ti thy vc nghiên cu [6]. Trong mt s nghiên cu thuc và cp B, các  ngun thm bin do sông ti ra, thu tài KT.03.07 - n thng do các hong kinh t gây ra vi vùng ven bin Tuy nhiên, nhng nghiên c hin c m chi tit cao trong thy vc nh và s các bing còn hn ch, ng thi còn mang tính chc nghiên cu. Ti khu vc vt s công trình nghiên cu v môi ng liên quan ti s truyn ti các vt cht t các ca sông, các quá trình t làm sch môi ng. Mt s công trình nghiên cc li 10 Phan Minh Th, Nguyn H d hình hóa quá trình sinh h nghiên cu quá trình t làm sch c ng bin khu vc vnh Nha Trang vi ngun thc sinh hot b ô nhim t sông Cái Kt qu nghiên c ra, sau 24 gi kh  làm sch các cht ô nhim hc bit t 42 - 90%. Nghiên cn nh ng ca các quá trình thng lc ven bin (vn chuyn, khuch tán vt cht ng ca thy triu). Nhóm tác gi Thái Ngc Chin, Nguyn Tác An, Bùi Hng Long - Vin Hng dng mô hình s 3 ching lc hng trong vnh Vân Phong (Nha Trang - Khánh Hòa) vc nhng theo mùa ca n nh. M tài cp Vin Khoa hc và Công ngh Vic tin hành nghiên cu sc t  ng ti vnh Cam Ranh bng mô hình ECOSMO do Vin Hc ch trì tài s d tính toán, mô phng quá trình lan truyn mt s thành phn vt cht gây ô nhim, các quá trình sinh hóa t  quá trình t làm sch vnh. Qua các công trình nghiên c, có th thy rng, các nghiên cu v c các nhà khoa hc quan tâm và có nhng kt qu nghiên cu nhnh t thng kê, phân tích s liu hoc s dng các mô hình s tr. Riêng ti vcó các công trình nghiên cu v ng khu vc nà ng tp trung phân tích hin trnhiu kt qu nghiên cu da trên các mô hình s tr  có th mô phng quá trình lan truyn các vt cht gây ô nhim vnh t các ca sông da trên mi liên h vi quá trình ng lc. Vì th, tính toán lan truyn vt cht ô nhim vnh Nha Trang bng da trên công c phn mm MIKE là mng nghiên cu mi mà hc viên la chn. 1.2 Môđun MIKE 21 HD 1.2.1 Cơ sở toán học Mô hình MIKE 21 HD là gói công c trong b phn mc xây dng bi Vin Thy L    y hai chiu trong mt lp cht lng nhng. [...]... sự đa dạng của các khu ảo tồn sinh vật iển, chất lượng các ãi tắm dọc ờ iển Nha Trang Trong khu n khổ luận văn, các kết quả nghi n cứu đề cập đến sự lan truyền các vật chất gây ô nhiễm từ các cửa sông để đánh giá chất lượng các ãi tắm dọc ờ iển Nha Trang 32 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 Nha Trang đã được tiến... chuyến khảo sát chất lượng nước, môi trường trầm tích và thực vật phù du ở vịnh Nha Trang do an Quản lý Khu ảo tồn iển vịnh Nha Trang phối hợp với Viện Hải dương học thực hiện, số liệu thu được cho thấy nồng độ Hydrocar on và sắt trong nước iển cao hơn giá trị giới hạn Tình trạng nhiễm ẩn vi sinh khá phổ iến, đặc iệt ở khu vực cửa Sông Cái Ảnh hưởng vật chất từ Sông Cái ao trùm khắp vịnh Nha Trang, làm... hình đáy gần với địa hình thực tế vùng nghiên cứu, dạng cấu trúc không lưới là một trong những giải pháp thường được sử d ng trong mô hình Sông Cái Ninh Hòa Biên Bắc Sông Cái Nha Trang i n Đông Sông Tắc Nha Trang Biên Nam Hình 3.3: Địa hình và lưới tính tam giác vùng nghiên cứu Từ số liệu địa hình và số liệu biên bờ, i n các đảo, tác giả đã thiết lập lưới tính tương đối chi tiết trên toàn bộ miền tính. .. hướng Đông – Đông bắc nhưng từ tháng tháng IV đến tháng X gió lại có hướng Đông – Đông nam [4] 2.1.3 Đặc điểm sông ngòi Với đặc trưng của địa hình khu vực miền trung, các sông suối trong lưu vực t nh Khánh H a đều ngắn và dốc Dọc bờ biển, cứ khoảng 5 – 7km có một cửa sông Tuy nhiên, phần lớn các con sông này đều nhỏ Đáng chú ý là hai con sông lớn nhất bao gồm Sông Cái Nha Trang và Sông Cái Ninh Hòa Sông... trong khu vực có kinh độ từ 298496m đến 326084m, vĩ độ từ 1340616m đến 1378054m Hình 3.2: Địa hình vùng nghiên cứu 34 3.1.3 Thiết lập lưới tính Một trong những công c ưu việt của phần mềm MIKE là thiết lập lưới một cách tiện lợi và nhanh chóng Với đặc điểm của khu vực nghiên cứu gồm rất nhiều đảo nhỏ và các bãi sạn, địa hình vịnh Nha Trang càng trở nên phức tạp hơn Vì vậy, để có được lưới tính mô phỏng... Sông Tắc và Cửa Bé làm ảnh hưởng rất lớn tới vùng biển Cửa Bé và khu vực xung quanh [1] n cạnh đó, mỗi ngày vịnh Nha Trang phải “đón nhận” hơn 10 tấn rác thải từ 4.600 lồng nuôi hải sản và dân cư sinh sống tr n các đảo Ngoài ra, vịnh c n hứng chịu một lượng lớn chất thải vệ sinh từ khoảng 200 tàu du lịch đang hoạt động trên biển Tất cả những điều này càng làm môi trường vịnh th m ô nhiễm [1] 2.3.2 Chất. .. tính tương đối chi tiết là phần eo 35 vịnh giữa bờ biển và đảo Hòn Tre, vùng thứ hai là khu vực bãi sạn ngay phía ngoài cửa vịnh Bình Cang, vùng thứ ba vùng phía bắc của vịnh (khu vực Hòn Chà Là) Các biên cứng là đường bờ và các i n đảo Biên lỏng gồm các biên phía biển và biên sông Các biên phía biển gồm biên bắc, i n đông, i n nam Các i n sông gồm các biên Sông Cái Ninh Hòa, Sông Cái Nha Trang, Sông... respiration Tốc độ hô hấp thực tế của thực vật và vi khu n (g O2/m2/ngày) R1 Tốc độ hô hấp của thực vật ở 20oC (g O2/m2/ngày) θ1 Hệ số nhiệt độ trong quang hợp R2 Tốc độ hô hấp của động vật và vi khu n (dị dưỡng) (g O2/m2/ngày) θ2 Hệ số nhiệt độ trong hô hấp dị dưỡng F1(H) Hàm hấp th ánh sáng k Hệ số hấp th ánh sáng (1/m) BOD Nồng độ BOD thực tế (mg O2/l) K3 Hằng số phân rã của vật chất hữu cơ tại 20oC... [12],[13] Nền kinh cơ cấu kinh tế chính của thành phố Nha Trang là: công nghiệp, nông nghiệp, du lịch, dịch v Các ngành công nghiệp chủ yếu là: Chế biển thực phẩm; Công nghiệp dệt, da, may mặc; Công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng; Công nghiệp cơ khí, hóa chất (Nhà máy sữa chữa ôtô, tàu thuyền, chất tẩy rửa… ; Công nghiệp chế biến gỗ Hoạt động sản xuất nông nghiệp cũng đóng vai tr lớn trong tỷ trọng kinh... 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) b Tích phân theo thời gian Các phương trình dạng tổng quát được viết: 15 ( (1.22) Trong mô phỏng 2D, có hai phương pháp giải cho . Tính toán lan truyền vật chất ô 5 nhiễm khu vực vịnh Nha Trang bằng mô hình số  có th mô phng mt s vt cht t các ca Sông Cái, Sông Tc có kh n chng môi. HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN CHÍ CÔNG TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM KHU VỰC VỊNH NHA TRANG BẰNG MÔ HÌNH SỐ Chuyên nghành: Hải Dương Học Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SỸ. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN CHÍ CÔNG TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM KHU VỰC VỊNH NHA TRANG BẰNG MÔ HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà