Mô hình hóa quá trình sản xuất sơ cấp của thực vật nổi trong hệ sinh thái vực nước bình cang nha trang (khánh hòa)

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HẢI DƯƠNG HỌC *** NGUYỄN HỮU HUÂN MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SƠ CẤP CỦA THỰC VẬT NỔI TRONG HỆ SINH THÁI VỰC NƯỚC BÌNH CANG - NHA TRANG (KHÁNH HÒA) LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC NHA TRANG, 2012 VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN HẢI DƯƠNG HỌC *** NGUYỄN HỮU HUÂN MÔ HÌNH HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT SƠ CẤP CỦA THỰC VẬT NỔI TRONG HỆ SINH THÁI VỰC NƯỚC BÌNH CANG - NHA TRANG (KHÁNH HÒA) Chuyên ngành: Thủy sinh vật học Mã số: 62 42 50 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Hồng Long PGS.TSKH Nguyễn Tác An NHA TRANG, 2012 -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án công trình nghiên cứu riêng tôi, sở đề tài, dự án mà tham gia nhiều năm qua phép sử dụng số liệu tổng kết đề tài, dự án liên quan cho luận án Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận án -ii- LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành luận án này, tác giả nhận nhiều giúp đỡ quý báu tinh thần lẫn vật chất Trước hết, tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Bùi Hồng Long PGS.TSKH Nguyễn Tác An - cán hướng dẫn khoa học - giúp đỡ tận tình từ bước trình định hướng nghiên cứu suốt thời gian thực luận án Chân thành cám ơn Hội đồng đào tạo sau đại học, Lãnh đạo Viện Hải dương học; Đại học Bergen (Na Uy); Hợp phần mô hình sinh thái (Dự án NUFU) tạo điều kiện thuận lợi thời gian, động viên tinh thần, giúp đỡ vật chất cho tác giả trình nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cám ơn PGS.TS Rune Rosland, PGS.TS Knut Barthel (Đại học Bergen, Na Uy), giúp đỡ có trình định hướng nghiên cứu, ứng dụng mô hình sinh thái ECOSMO, thời gian tác giả nghiên cứu, thực tập mô hình sinh thái Đại học Bergen (năm 2008 2010) Lời cám ơn tác giả xin gửi đến GS.TS Corinna Schrum, TS Daewell Ute nhóm nghiên cứu Mô hình sinh thái Đại học Bergen; GS.TS Fei Chai, đại học Maine, Hoa Kỳ,… người dành thời gian trao đổi cho tác giả lời khuyên quý báu việc thiết lập tham số sinh thái thảo luận kết ứng dụng mô hình ECOSMO cho vực nước Bình Cang - Nha Trang -iii- Lời tri ân tác giả mong muốn gửi đến: TS Nguyễn Văn Lục, PGS.TS Bùi Lai, PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâm, PGS.TS Võ Sĩ Tuấn, TS Đoàn Như Hải, GS.TS Nguyễn Văn Chung, PGS.TS Nguyễn Tường Anh, ThS Trần Văn Chung, TS Thái Ngọc Chiến số chuyên gia mô hình sinh thái lời động viên, trao đổi trình thực nghiên cứu dành thời gian đọc cho góp ý quý giá cho luận án Luận án hoàn thành nhờ nguồn liệu nhiều đề tài, dự án, mà tác giả có hội tham gia như: NUFU, SAREC, HabViet, ClimeeViet, Tác giả xin gửi lời cám ơn đến Ban chủ nhiệm, điều phối viên, đồng nghiệp đề tài dự án Đặc biệt, tác giả không quên cám ơn: TS Lê Đình Mầu, TS Vũ Tuấn Anh, TS Hồ Văn Thệ, ThS Lê Thị Vinh tập thể cán khoa học phòng: Sinh thái môi trường biển, Vật lý biển, Sinh vật phù du biển, Thủy - Địa - Hóa (Viện Hải dương học) - thành viên tham gia dự án NUFU, đoàn kết, khắc phục khó khăn trình khảo sát, phân tích cung cấp nguồn số liệu chủ yếu cho luận án Cuối cùng, tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu nặng đến gia đình, nơi gánh vác, sẻ chia với tác giả khó khăn sống củng cố động lực, niềm tin để tác giả theo đuổi đường khoa học -iv- MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH xi MỞ ĐẦU Nội dung luận án: Chương 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Sơ lược lịch sử phát triển mô hình sinh thái 1.1.1 Khái niệm mô hình sinh thái 1.1.2 Các phận chủ yếu mô hình sinh thái 1.1.2.1 Hệ phương trình toán 1.1.2.2 Hàm lực hay biến 1.1.2.3 Biến trạng thái 1.1.2.4 Tham số 1.1.2.5 Hằng số phổ biến 1.1.3 Lịch sử phát triển mô hình sinh thái 1.2 Tình hình phát triển mô hình sinh thái biển chiều mô suất sơ cấp thực vật 13 1.2.1 Trên giới 13 1.2.2 Tình hình phát triển mô hình sinh thái biển mô suất sơ cấp Việt Nam 25 1.3 Một số nghiên cứu suất sơ cấp điều kiện tự nhiên vực nước Bình Cang - Nha Trang 28 1.3.1 Những nghiên cứu tiêu biểu suất sơ cấp thời gian qua 28 1.3.2 Điều kiện tự nhiên vực nước nghiên cứu 29 -v- 1.3.2.1 Vị trí địa lý, địa hình 29 1.3.2.2 Đặc điểm khí hậu, khí tượng 31 1.3.2.3 Đặc điểm thủy văn 35 1.3.2.4 Đặc điểm nhiệt - muối thủy động lực 38 1.3.2.5 Đặc trưng muối dinh dưỡng sinh vật 39 Chương 2: TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42 2.1 Phương pháp mô hình hóa suất sơ cấp mô hình ECOSMO 42 2.1.1 Cơ sở phương pháp luận 42 2.1.1.1 Hợp phần vật lý 44 2.1.1.2 Hợp phần hệ sinh thái 48 2.1.1.3 Các quan niệm giả thiết chủ yếu mô hình 53 2.1.2 Cấu trúc chương trình mô hình ECOSMO 54 2.1.3 Thiết lập điều kiện cho mô hình 55 2.1.3.1 Thiết lập lưới tính 55 2.1.3.2 Tác động ngoại lực 59 2.1.3.3 Điều kiện ban đầu 61 2.1.4 Chạy mô hình lựa chọn tham số sinh thái 62 2.1.5 Đánh giá, xác nhận mô hình 64 2.2 Phương pháp điều tra, thu thập xử lý liệu 64 2.2.1 Thu thập nguồn liệu liên quan sử dụng cho mô hình 65 2.2.2 Điều tra, khảo sát bổ sung 65 2.2.2.1 Thời gian, địa điểm, thông số khảo sát 65 2.2.2.2 Phương pháp thu mẫu, đo đạc 67 2.2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu 68 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 70 3.1 Mô hình hóa trình sản xuất sơ cấp 70 3.1.1 Khởi động mô hình 70 -vi- 3.1.2 Kiểm tra phân tích độ nhạy 71 3.1.2.1 Các tham số nhạy 71 3.1.2.2 Các tham số nhạy 73 3.1.2.3 Các tham số nhạy 74 3.1.3 Hiệu chỉnh xác nhận tham số 74 3.1.4 Kiểm tra kết khởi động lạnh mô hình 76 3.2 Kết mô hình hóa suất sơ cấp điều kiện sinh thái liên quan vực nước ven bờ Bình Cang - Nha Trang 78 3.2.1 Đặc điểm thủy động lực 78 3.2.2 Đặc trưng nhiệt, muối 81 3.2.3 Phân bố biến động suất sơ cấp thực vật 84 3.2.3.1 Phân bố biến động suất sơ cấp thực vật theo không gian84 3.2.3.2 Phân bố biến động suất sơ cấp thực vật theo thời gian 92 3.2.4 Phân bố biến động muối dinh dưỡng 94 3.2.5 Phân bố biến động sinh khối thực vật 100 3.3 Đánh giá kết mô hình 101 3.4 Ảnh hưởng nguồn dinh dưỡng từ nuôi thủy sản lên vực nước 106 3.5 Ứng dụng kết mô hình quy hoạch nuôi trồng thủy sản 111 3.6 Một số vấn đề thảo luận liên quan đến việc ứng dụng mô hình sinh thái điều kiện 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 Tài liệu tiếng Việt 121 Tài liệu tiếng nước 127 PHỤ LỤC 151 -vii- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANNs Mạng trí tuệ nhân tạo (Artificial Neural Networks) BOD Nhu cầu o xy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) ClimeeViet Dự án hợp tác Việt Nam - Đan Mạch biến đổi khí hậu COHERENS Tên mô hình sinh thái thủy động lực tích hợp cho thềm biển Tây Bắc châu Âu (Coupled Hydrodynamical Ecological model for Regional Northwest-European Shelf seas) CPBM Tên mô hình vật lý - sinh địa hóa tích hợp (Coupled Physical-Biogeochemical Model) DIN Ni tơ vô hòa tan (Disolved irorganic nitrogen) DIP Phốt vô hòa tan (Disolved irorganic phosphorus) D ĐVN ECOHYM ECOHAM Mùn bã hữu lơ lửng (detritus) Động vật Tên mô hình sinh thái (Ecological Connectivity Hypoxia Model) Tên mô hình sinh thái Biển Bắc (ECOlogical North Sea Model, HAMburg) ECOSMO Tên mô hình hệ sinh thái tích hợp (ECOSystem MOdel) ELISE Tên mô hình sinh thái (Ecological Modelling Software for interactive modelling) ERSEM Tên mô hình hệ sinh thái biển châu Âu (European Regional Seas Ecosystem Model) FEM GETM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) Tên mô hình vận chuyển cửa sông tổng quát (General Estuarine Transport Model) -viii- GHER Tên mô hình tích hợp nghiên cứu địa - thủy động lực môi trường (Geo-Hydrodynamics and Environment Research Model) GIS Hệ thông tin địa lý (Geographic Information System) HabViet Dự án hợp tác Việt Nam - Đan Mạch tảo độc hại HAMSOM IBMs LOBSTER Tên mô hình thềm đại dương (HAMburg Shelf Ocean Model) Tên mô hình phát triển cá thể (Individual Based Model) Tên mô hình sinh thái mô tài nguyên hệ sinh thái (LOCEAN Biogeochemical Simulation Tool for Ecosystem and Resources) MSL Mực nước biển trung bình (Mean Sea Level) NCEP Trung tâm dự báo môi trường quốc gia (National Centres for Environmental Prediction) NEMO Tên mô hình hải dương (Nucleus for European Modelling of the Ocean) NEMURO Tên mô hình hệ sinh thái Bắc Thái Bình dương (The North Pacific Ecosystem Model for Understanding Regional Oceanography) NORWECOM NPZD Tên mô hình sinh thái Na Uy (Norwegian Ecological Model System) Dinh dưỡng - Thực vật - Động vật - Mùn bã hữu lơ lửng (Nutrient-Phytoplankton-Zooplankton-Detritus) NSSC Năng suất sinh học sơ cấp NTTS Nuôi trồng thủy sản NUFU Chương trình phát triển, nghiên cứu giáo dục Chính -155- TT Tham số Giá trị mô hình 13 BioC(13) 0,70 14 BioC(14) 0,80 15 16 BioC(15) BioC(16) 0,05 0,10 17 BioC(17) 0,10 18 BioC(18) 0,15 19 20 21 22 BioC(19) BioC(20) BioC(21) BioC(22) 0,83 0,83 0,35 0,15 Giá trị tham khảo Tác giả 1,35 Landry et al, 1995 [140] 1,25 Dutkiewicz et al, 2005 [94] 0,53 Chai et al, 2002 [69] 1,25 Dutkiewicz et al, 2005 [94] 0,94 Jason et al, 2007 [125] 1,16 Ehgenheer et al, 1996 [95] 0,05 Jiang et al, 2003 [127] 0,05 Fasham, 1995 [99] 0,02 Samuelsen, 2005 [196] 0,033 Dutkiewicz et al, 2005 [94] 0,02 Samuelsen, 2005 [196] 0,1 Jiang et al, 2003 [127] 0,05 Samuelsen, 2005 [196] 0,033 Dutkiewicz et al (2005) [94] 0,05 Samuelsen, 2005 [196] 0,17 Jiang et al, 2003 [127] 0,1 Fasham, 1995 [99] 0,2 Jiang et al, 2003 [127] 0,2 Sarmiento et al, 1993 [198] 0,835 Jiang et al, 2003 [127] 0,75 Fasham, 1995 [99] 0,75 Friedrichs and Hofmann [106] 0,75 Ehgenheer et al (1996) [95] 0,835 Jiang et al, 2003 [127] 0,75 Fasham, 1995 [99] 0,75 Friedrichs and Hofmann [106] 0,75 Ehgenheer et al (1996) [95] 0,35 Moore et al, 2002 [167] 0,1 Moore et al, 2002 [167] 0,1 Doney et al, 1996 [89] 0,0414 Mattern et al, 2010 [151] -156- TT Tham số Giá trị mô hình Giá trị tham khảo 23 BioC(23) 5,00 5,00 Tham số nhạy, không hiệu chỉnh 24 BioC(24) 1,00 1,00 Tham số nhạy, không hiệu chỉnh 0,13 Zang et al, 2001 [241] 25 BioC(25) 0,07 0,05 - 0,1 Tác giả Dutkiewicz et al, 2005 [94] 0,516 Sandra et al, 2001 [197] 0,17 Sugimoto et al, 2010 [216] Tham số nhạy, không hiệu chỉnh 26 BioC(26) 3,0 3,0 27 BioC(27) 0,03 0,028 Dutkiewicz et al, 2005 [94] 1.4: Bộ giá trị tham thảo giá trị chọn hệ số thức ăn ưa thích cho động vật ĐVN Nguồn thức ăn Giá trị mô hình Giá trị tham khảo Pf 0,5 0,5 Ehgenheer et al, 1996 [95] 0,7 Jiang et al, 2003 [127] 0,7 Chai et al, 2002 [69] 0,8 Ehgenheer et al, 1996 [95] 0,15 Jiang et al, 2003 [127] 0,1 Chai et al, 2002 [69] 0,1 Ehgenheer et al, 1996 [95] 1,0 Dutkiewicz et al, 2005 [94] 0,5 Ehgenheer et al (1996) [95] 0,7 Jiang et al, 2003 [127] 0,7 Samuelsen, 2005 [196] 0,4 Dutkiewicz et al, 2005 [94] 0,8 Ehgenheer et al,1996 [95] 0,15 Jiang et al, 2003 [127] 0,2 Chai et al, 2002 [69] 0,1 Samuelsen, 2005 [196] 0,15 Jiang et al, 2003 [127] 0,1 Thompson, 2002 [220] 0,2 Samuelsen, 2005 [196] 0,1 Ehgenheer et al, 1996 [95] Pd 0,8 Zs D Pf Pd 0,1 0,85 0,7 Zl Zs D 0,2 0,1 Nguồn -157- 1.5: Các hệ số mô hình dùng cho vùng Bình Cang - Nha Trang TT Hệ số Tỷ lệ [C] /[N] ( Tỷ lệ [C]/[P] ( Tỷ lệ [C]/[Si] ( Đổi đơn vị (mgC/mmolC): ( Giá trị Nguồn tham khảo 6,625 Redfield [70, 201] ) 106 Redfield [70, 201] ) 6,625 Redfield [70, 201] 12,01 Redfield [70, 201] ) ) Tốc độ o xy hóa a môn cực đại (1/ngày): (Ω ) 0,05 ECOSMO [201] Tốc độ o xy hóa ni trít cực đại (1/ngày): (Ω ) 0,10 ECOSMO [201] Tốc độ khử ni trát cực đại (1/ngày): (Ω ) 0,01 ECOSMO [201] Tốc độ khử ni trít cực đại (1/ngày): (Ω ) 0,01 ECOSMO [201] Tỷ lệ khối lượng C/chl-a thực vật 34,0 Thái Ngọc Chiến [18] 10 Hệ số GPP/NPP (Năng suất thô/Năng suất tinh) 3,0 Thực nghiệm (dự án NUFU) Phụ lục 2: Nguồn sông (dữ liệu điều tra, thu thập đồng hóa cho năm 2009) 2.1 Lưu lượng nước cửa sông Tháng Sông Cái (m3/s) Sông Dinh (m3/s) Sông Tắc (m3/s) 41,23 2,80 1,75 24,36 1,64 1,09 30,77 2,14 1,38 77,33 5,26 2,53 87,37 5,91 2,82 36,47 2,46 1,21 30,65 1,99 1,28 30,61 2,02 1,24 95,75 6,60 3,18 10 117,75 8,51 4,02 11 205,74 14,37 6,13 12 97,87 6,43 2,36 -158- 2.2 Nguồn muối dinh dưỡng từ sông Cái (Nha Trang): Tháng Thông số (tấn/tháng) A môn (N) 8,32 3,01 Ni trát (N) 6,78 Ni trít (N) 10 2,00 4,55 9,15 4,12 3,93 2,89 4,18 10,82 17,48 6,72 1,04 0,35 0,66 1,09 0,71 DIN (N) 16,14 6,24 6,83 16,46 Phốt phát (P) 2,08 0,78 1,04 Si li cát (Si) 111,7 47,3 52,7 11 12 3,85 22,26 35,48 72,58 27,68 6,41 6,54 25,64 39,19 73,89 22,22 0,24 0,25 0,59 4,06 8,08 14,59 5,07 27,34 11,08 10,58 10,99 51,96 82,75 161,06 54,97 2,98 4,22 1,56 1,20 1,29 8,37 12,41 22,70 7,18 139,3 127,1 43,5 37,2 34,9 231,8 376,9 639,9 302,0 2.3 Nguồn muối dinh dưỡng từ sông Dinh (Ninh Hòa): Tháng Thông số (tấn/tháng) 10 11 12 A môn (N) 0,59 0,24 0,24 0,54 0,89 0,30 0,24 0,22 1,39 2,77 4,67 1,96 Ni trát (N) 0,83 0,43 0,51 0,84 1,36 0,53 0,38 0,44 1,86 2,91 4,99 2,11 Ni trít (N) 0,06 0,02 0,02 0,05 0,14 0,07 0,04 0,01 0,20 0,29 0,50 0,16 DIN (N) 1,48 0,68 0,78 1,42 2,38 0,91 0,66 0,68 3,45 5,96 10,16 4,24 Phốt phát (P) 0,17 0,07 0,08 0,27 0,37 0,12 0,08 0,06 0,61 0,88 1,56 0,51 Si li cát (Si) 7,92 3,44 4,73 10,43 13,46 5,19 3,78 3,52 16,06 23,92 47,67 20,02 10 11 12 2.4 Nguồn muối dinh dưỡng từ sông Tắc ( Nha Trang): Tháng Thông số (tấn/tháng) A môn (N) 0,36 0,15 Ni trát (N) 0,47 Ni trít (N) 0,19 0,45 0,58 0,13 0,08 0,09 0,48 0,82 1,78 0,62 0,18 0,15 0,38 0,58 0,20 0,17 0,17 0,47 1,79 3,15 0,84 0,09 0,03 0,03 0,06 0,10 0,03 0,03 0,03 0,08 0,38 0,50 0,16 DIN (N) 0,92 0,36 0,37 0,89 1,26 0,37 0,29 0,28 1,03 2,99 5,43 1,62 Phốt phát (P) 0,15 0,07 0,07 0,14 0,13 0,05 0,04 0,04 0,28 0,45 0,77 0,26 Si li cát (Si) 6,41 2,54 1,58 4,21 4,32 1,34 1,34 1,16 5,30 17,75 32,02 11,05 -159- Phụ lục 3: Nguồn dinh dưỡng từ NTTS (dữ liệu ước tính cho năm 2009) 3.1 Nguồn ni tơ (Đơn vị đo: N) Địa điểm Ninh Phú Ninh Hà Ninh Lộc Ninh Ích Tổng Tháng 0,64 0,72 1,25 1,56 4,18 0,64 0,72 1,25 1,56 4,18 1,28 2,57 3,85 3,85 5,14 5,14 2,57 1,45 2,89 4,34 4,34 5,78 5,78 2,89 2,50 5,00 7,50 7,50 10,00 10,00 5,00 3,13 6,25 9,38 9,38 12,50 12,50 6,25 8,36 16,71 25,07 25,07 33,42 33,42 16,71 10 11 12 1,28 1,45 2,50 3,13 8,36 1,28 1,45 2,50 3,13 8,36 0,64 0,72 1,25 1,56 4,18 Tổng 28,91 32,52 56,24 70,33 188,00 3.2 Nguồn phốt (Đơn vị đo: P) Địa điểm Ninh Phú Ninh Hà Ninh Lộc Ninh Ích Tổng Tháng 0,21 0,23 0,40 0,50 1,34 0,21 0,23 0,40 0,50 1,34 0,41 0,47 0,80 1,01 2,69 0,83 0,93 1,61 2,01 5,38 1,24 1,40 2,41 3,02 8,07 1,24 1,65 1,65 1,40 1,86 1,86 2,41 3,22 3,22 3,02 4,02 4,02 8,07 10,76 10,76 10 11 12 0,83 0,93 1,61 2,01 5,38 0,41 0,47 0,80 1,01 2,69 0,41 0,47 0,80 1,01 2,69 0,21 0,23 0,40 0,50 1,34 Tổng 9,30 10,47 18,10 22,64 60,51 -160- Phụ lục 4: Sơ đồ hệ thống sở liệu tham khảo Hình 4.1: Hệ thống điểm đo nhiệt độ nước biển theo tầng vùng Biển Đông (http://pacificinfo.ru/) -161- Hình 4.2: Hệ thống điểm đo độ muối nước biển theo tầng vùng Biển Đông (http://pacificinfo.ru/) -162- Hình 4.3: Hệ thống điểm sở liệu dùng để nội suy thiết lập điều kiện mô hình (bao gồm: nhiệt độ, độ muối, o xy hòa tan, chlorophyll, muối dinh dưỡng (ni tơ, phốt si líc), bon hữu lơ lửng, ….) -163- Phụ lục 5: Thống kê kết đo đạc dùng kiểm chứng mô hình (năm: 2008-2009) Tháng NSSC (mgC/m3,ngày) TVN (mgC/m3) DIN (mmol N/m3) DIP (mmolP/m3) Si li cát (mmolSi/m3) 6/2009 144,18 57,25 4,26 0,23 18,21 7/2008 166,73 67,92 3,75 0,35 17,33 8/2009 169,59 85,46 4,08 0,32 14,53 9/2008 162,08 69,86 3,45 0,26 15,68 10/2009 330,45 134,57 4,26 0,46 24,72 12/2008 207,97 82,93 4,13 0,35 26,82 Trung bình 196,83 83,00 3,99 0,33 19,55 Phụ lục 6: Dữ liệu thiết lập điều kiện cho mô hình khu vực nghiên cứu lưu thư mục “Input”, bao gồm: - Ma trận độ sâu lưu file: bathyco Điểm biên mở khơi lưu file: lq_ij.dat Dữ liệu khí tượng (6h/một số liệu) lưu file: + UUGRD2008_12 đến UUGRD2009_12, VVGRD2008_12 đến UUGRD2009_12 (26 file): thành phần tốc độ gió + TTTMP2008_12 đến TTTMP2009_12 (13 file): nhiệt độ không khí + SPFHD2008_12 đến SPFHD2009_12 (13 file): độ ẩm không khí + TCTOT2008_12 đến TCTOT2009_12 (13 file): tổng lượng mây che phủ + SSSLP2008_12 đến SSSLP2009_12 (13 file): áp suất không khí +PRATE2008_12 đến PRATE2009_12 (13 file): lượng mưa + USWRF2008_12 đến USWRF2009_12 (13 file): xạ sóng ngắn hướng lên +DSWRF2008_12 đến DSWRF2009_12 (13 file): xạ sóng ngắn hướng xuống + ULWRF2008_12 đến ULWRF2009_12 (13 file): xạ sóng dài hướng lên + DLWRF2008_12 đến DLWRF2009_12 (13 file): xạ sóng dài hướng xuống -164- - Dữ liệu sóng triều lưu file: BinhCang_NhaTrang*.dat với * ký hiệu sóng triều sau: M2, S2, N2, K1, K2, O1, Q1 P1 - Dữ liệu vật lý biên mở (trường 3D) cho 12 tháng lưu file: từ T_S9clim01 đến T_S9clim12 (12 file) - Dữ liệu sinh thái cho biên mở (trường 3D) lưu file: bio_200812 đến bio_200912 (13 file) - Dữ liệu cho biên hở từ sông lưu file: rivpoint.dat (điểm biên cửa sông), rivinp_k.dat (lưu lượng nước) rivinp_bio09.dat (nguồn dinh dưỡng sông) - Dữ liệu cho nguồn NTTS lưu file: aquapoint.dat (điểm nguồn thải từ nuôi tôm) aquainp_bio09.dat (nguồn dinh dưỡng thải từ nuôi tôm) - Dữ liệu vật lý (nhiệt-muối) cho điều kiện ban đầu (trường 3D) lưu file: TS_int.dat - Dữ liệu sinh thái cho điều kiện ban đầu (trường 3D) lưu file: bio_int.dat Phụ lục 7: Một số chi tiết hợp phần vật lý (mô hình HAMSOM) Các phương trình mô hình giải lưới-C (C-grid) so le (hình 7.1) [156] HAMSOM dựa sơ đồ bán ẩn, nhằm tăng giới hạn bước thời gian theo tiêu chuẩn ổn định sơ đồ ẩn, mô tả chi tiết Backhaus (1982), sử dụng cho số hạng mô tả sóng dài trọng lực trao đổi động lượng theo phương thẳng đứng, nhiệt độ độ mặn [60] Các số hạng liên quan bị giới hạn tiêu chuẩn ổn định, khuếch tán bình lưu nằm ngang, giải theo sơ đồ Các số hạng bình lưu nằm ngang theo phương trình vận chuyển độ mặn nhiệt độ giải theo thuật toán ngược hướng véc tơ (vector-upstream) [61] Trong phiên mô hình ban đầu, sơ đồ số trị giống sử dụng để giải số hạng phi tuyến nằm ngang theo phương trình chuyển động Đối với nghiên cứu tại, thay sơ đồ lưu giữ lượng entropy - sơ đồ J-7, biểu diễn Arakawa Lamb [58] Trên hình 6.1, điểm Uj,k,l, Vj,k,l, Wj,k,l điểm tính thành phần tốc độ dòng theo phương x, y, z tương ứng; điểm Sj,k,l điểm tính giá trị độ mặn (hoặc nhiệt độ, độ sâu biến sinh thái mô hình ECOSMO) -165- y + + + + Hình 7.1: Sơ đồ lưới bố trí biến số mô hình 7.1 Sơ đồ rối theo phương thẳng đứng Mô hình sử dụng hệ số rối trao đổi thẳng đứng phụ thuộc thời gian không gian Phương trình hệ số nhớt rối thẳng đứng giải theo khối lưới cho bước -166- thời gian, phát triển phù hợp với cách tiếp cận Kochergin (1987) [135] Phương trình độ nhớt rối theo phương thẳng đứng dựa vào kết hợp phương trình động rối (k) tốc độ tiêu tán () nó, Pohlmann mô tả chi tiết [184] Sơ đồ độ rối theo phương thẳng đứng thừa nhận tăng giả tạo gradient thẳng đứng lớp đột biến mật độ phương trình độ nhớt rối theo phương thẳng đứng giải cho toàn cột nước Giả định phương trình động rối tốc độ tiêu tán mô tả hai trường hợp, trường hợp chuyển động ngang chuyển động rối thay đổi đột ngột xảy điều kiện chuyển động ngang chuyển động rối Phương trình hệ số trao đổi rối theo phương thẳng đứng xác định sau: ( , ) = (c ∗ ℎ ) + + Sự tồn lớp pha trộn bề mặt đáy thừa nhận mô hình trường hợp nước pha trộn hoàn toàn (sự chồng chập chuyển động rối lớp bề mặt đáy) xem xét hML độ dày lớp pha trộn ước lượng hợp lý cho vị trí bước thời gian Nó đạt giá trị nhỏ trường hợp dạng độ dày lớp phân tầng Để xác định giá trị hML, nghĩa giải tồn điều kiện chuyển động rối điều kiện chuyển động ngang, theo Pohlmann, số Richardson tới hạn Ri = 0,22 với: =− + sử dụng tiêu chuẩn Hệ số cL ước lượng Kochergin cho quy mô lớn, đạt giá trị cL = 0,05 trường hợp dừng Đây giá trị chấp nhận Pohlmann hoàn lưu chung Biển Bắc Trong thời gian mô dự báo cho mùa xuân đầu mùa hè năm 1986 vùng German Bight, tham số hiệu chỉnh cL = 0,025 [199] Theo Schrum, 1997, vấn đề độ nhạy cL đề cập nghiên cứu độ nhạy thực Sử dụng cL =0,05 thay cho 0,025 nghiên cứu ảnh hưởng giảm thông lượng nhiệt, giá trị độ nhớt rối nằm ngang, tăng tính rối thẳng đứng vùng German Bight cho thấy độ nhạy nhỏ [200] Vị trí front pha trộn thủy triều không theo cỡ tới hai điểm lưới mô hình Tuy nhiên, cấu trúc chế độ chuyển đổi phân tầng lượng không đổi Ảnh hưởng chu trình triều lên/xuống nghiên cứu Cũng câu hỏi này, độ nhạy tìm thấy nhỏ Trở lại, giá trị vị trí front cỡ điểm lưới qua chu trình triều lên/xuống, bắt đầu mô với triều xuống thấp -167- thay đổi theo vị trí front cỡ điểm lưới Vì vậy, nghiên cứu cho vực nước Nha Trang-Nha Phu, hệ số chọn 0,05 Số Schmid SM liên hệ hệ số khuếch tán rối hệ số nhớt rối: ( , ) = ( , ) /S Trong đó: SM hàm số Richardson, cho mối liên hệ sau [155]: S = / 0,725 ∗ ( + 0,168 − − 0,316 ∗ + 0,0346) 7.2.Các điều kiện ban đầu điều kiện biên 7.2.1.Các điều kiện ban đầu: Ngoài phương pháp sử dụng thông thường như: trường vận tốc dòng điểm tính zê-rô, mực nước tĩnh, trường nhiệt-muối đưa vào điểm tính trường nhiệt-muối dạng không đồng Để số liệu nhiệt-muối trùng khớp với điểm tính mạng lưới, tác giả luận án sử dụng hàm nội suy griddata phần mềm MATLAB R2010a (http://www.mathworks.com), với phương pháp nội suy khác sở nguồn số liệu có, phương pháp “nearest” lựa chọn thực nội suy điểm liệu đầu vào biên mở mô hình 7.2.2.Các điều kiện biên: Để thiết lập điều kiện biên ảnh hưởng dao động mực nước triều, số điều hòa cho sóng triều (M2, S2, N2, K2, K1, O1, Q1, P1) sử dụng Để tạo tổng hợp lực triều thích hợp áp đặt xác điều kiện biên Dirichlet, phương trình sau lấy tổng tất thành phần triều:    z (t )  Z   f k (t ) * Ak * cos  k t  t   V (t )  u (t ) k  gk  180   k Trong đó: - z(t) độ cao thủy triều tổng hợp vị trí biết theo thời gian (m), - Z0 giá trị mực nước biển trung bình điểm cho mực nước “không độ sâu” (m) Số “0” độ sâu, số “0” hải đồ, số “0” bảng thủy triều mặt phẳng chuẩn quy ước chọn làm gốc để đo độ sâu mặt biển Mặt mặt phẳng nằm ngang, quy định cho vùng biển sử dụng số “0” Chiều dương mặt tính từ số “0” theo hướng xuống biển -168- - số k biểu thị sóng triều riêng biệt, - fk V (t )  u(t )k tham số thiên văn phụ thuộc vào thời gian quan trắc, fk gọi nhân tử biên độ, V (t )  u(t )k gọi pha thiên văn, với V(t0) điều chỉnh thời gian vận hành, u(t) thừa số thay đổi pha, - Ak, gk số điều hòa biên độ (m) pha trễ Greenwich (độ) thành phần, chúng phụ thuộc vào điều kiện địa phương vị trí quan trắc, - k tần số thủy triều thành phần (rad/s) Các điều kiện biên hở cửa sông Dinh, Sông Cái, Sông Tắc xác định: thêm độ cao bề mặt suy giảm độ mặn phụ thuộc vào lưu lượng nước sông theo m3/s giả định Tại đáy ứng suất bậc hai giả định: ( , ) ( ) = 2,5 ∗ 10 V( )|V( )| Tại biên tương tác biển-khí, giả định thông lượng nhiệt thông lượng động lượng phụ thuộc vào điều kiện khí tượng Ứng suất gió bề mặt biển hàm vận tốc gió Vw(x,y) tính toán theo Luthardt (1987): ( , ) () = ∗ ( , )| | với: ∗ (1,18 + 0,016 ∗ | = |) ∗ 10 Thông lượng nhiệt hàm vận tốc gió, nhiệt độ không khí, nhiệt độ điểm sương độ ẩm riêng mây bao phủ Nó tính toán khối công thức cho thông lượng ẩn nhiệt hiển nhiệt (Kondo, 1975), xạ sóng dài (Berliand and Berliand, 1952) xạ toàn cầu (Dobson and Smith, 1988) sử dụng thành công nhiều nghiên cứu [164, 187] Công thức cho thông lượng hiển nhiệt (Ws) ẩn nhiệt (WL) là: = ∙ ∙ ∙ ∙( − = ∙ ∙ ∙( − ) Trong đó: - mật độ không khí, - cA nhiệt dung riêng không khí, ) -169- - q(W,A) độ ẩm riêng bề mặt biển theo độ cao 10m, - Vw vận tốc gió, - CH,L hệ số trao đổi cho thông lượng hiển nhiệt ẩn nhiệt, phụ thuộc phân tầng khí vận tốc gió, ước lượng cho Kondo (1975) Bức xạ sóng dài (A) ước lượng theo công thức sau đây: = ∙ ∙ ∙ +4∙ −1 Trong đó: -  độ phát xạ bề mặt biển, - cBoltz số Boltzmann, - F số hạng Angstrom, biểu thị mối quan hệ xạ sóng dài, áp suất nước tình trạng mây Bức xạ toàn cầu (E), tổng số xạ sóng xạ ngắn xạ khuếch tán bầu trời, tính toán theo mô hình OKTA Dobson Smith (1988) Moll Radach (1991) thể thành công mô hình để tạo lại xạ toàn cầu German Bight Phương trình cho xạ toàn cầu = ∙ sin( )∙( ∗ + ∗ ∙ sin( )) ∙ (1 − ) Trong đó: - S số mặt trời (theo Lee cộng (1988)), - sn độ cao mặt trời, - RA suất phản chiếu trung bình tháng Suất phản chiếu hàm vĩ độ, lựa chọn theo Payne (1972) A* B* hệ số phụ thuộc vào tình trạng mây Với W = E + WL + WS – A cp = 3.98.103 J/kg K (nhiệt dung riêng nước), thay đổi nhiệt độ theo lớp bề mặt qua bước thời gian dt, thông lượng nhiệt bề mặt biển, cho công thức: ∆ = ∙ /( ∙ ∙ℎ ) [...]... sinh học thủy vực mà còn góp phần đánh giá, dự báo tình trạng thủy vực, khả năng chuyển hoá vật chất trong hệ sinh thái biển ven bờ -4- Do vậy, luận án: Mô hình hóa quá trình sản xuất sơ cấp của thực vật nổi trong hệ sinh thái vực nước Bình Cang - Nha Trang (Khánh Hòa) được tiến hành nhằm: xác định phân bố và biến động sức sản xuất sơ cấp của thực vật nổi, nguồn dinh dưỡng trong mối quan hệ với một... lý vực nước, phát triển bền vững Nội dung của luận án: - Tổng quan về một số mô hình sinh thái 3 chiều mô phỏng năng suất sơ cấp ở vùng thềm lục địa và ứng dụng mô hình ECOSMO trong nghiên cứu đặc trưng các yếu tố sinh thái các thủy vực ven bờ, xây dựng sơ đồ khối nghiên cứu và thiết lập các thông số cần thiết cho mô hình - Mô hình hóa quá trình sản xuất sơ cấp của thực vật nổi trong hệ sinh thái vực. .. 1.1 Sơ lược về lịch sử phát triển mô hình sinh thái 1.1.1 Khái niệm về mô hình sinh thái Mô hình sinh thái có thể xem như một công cụ mô phỏng về cấu trúc, chức năng, các quá trình cơ bản của hệ sinh thái Mô hình hóa hệ sinh thái là quá trình ứng dụng kinh nghiệm và kiến thức để mô phỏng và miêu tả cấu trúc và vận động cơ bản của một hệ sinh thái thực nhằm đạt những mục tiêu xác định [132] Mô hình. .. phát triển mô hình sinh thái 1.2 Tình hình phát triển mô hình sinh thái biển 3 chiều mô phỏng năng suất sơ cấp thực vật nổi 1.2.1 Trên thế giới Ban đầu, mô hình sinh thái mô phỏng năng suất sơ cấp thực vật nổi trong các vùng thềm lục địa rất đơn giản (chỉ là mô hình hoá nguồn ni tơ, được xem như là dinh dưỡng chính giới hạn năng suất sơ cấp) , gồm 3 thành phần: dinh dưỡng, thực vật nổi, động vật nổi [98,... với một số điều kiện sinh thái và hoạt động con người ở vực nước Bình Cang - Nha Trang làm cơ sở cho việc xây dựng các giải pháp khai thác và sử dụng hợp lý, phát triển bền vững Mục tiêu của luận án: Mô hình hóa quá trình sản xuất sơ cấp của thực vật nổi trong mối quan hệ với một số yếu tố sinh thái và hoạt động kinh tế tại vực nước Bình Cang Nha Trang (tập trung cho nuôi trồng thủy sản) làm cơ sở để... phép mô hình hóa hệ -14- sinh thái trong môi trường không đồng nhất theo không gian và thời gian Các mô hình sinh thái tích hợp này thường được dùng để đánh giá ảnh hưởng của khí hậu, môi trường lên sinh khối và năng suất sinh học sơ cấp của thực vật nổi Dù được nhắc đến như mô hình sinh thái nhưng các mô hình này cũng chỉ đại diện cho một phần nhỏ của hệ sinh thái, đó là mức độ dinh dưỡng thấp của. .. thái Hầu hết hệ sinh thái đều Các mô sinh hợp được được mới (IBMs, mô phản ánh mô hình SDMs, hình (mô hình phú dưỡng) trong mô hình 2D hóa, mô hình 2D, 3D ANNs), mô hình 3D, 3D tích hợp Mô hình giải tích Yếu tố thủy văn được tích Các động sinh Streeter hợp trong kết -Phelps mô trong và LotkaVoltera 1D (mô hình sông) 1920 1950 hình 1970 tác nhân được 1975 1980 1990 kiểu hình thái nay Hình 1.1: Sơ đồ lịch... dưỡng, quá trình xáo trộn, quá trình tiêu thụ thực -10- vật và lắng chìm Các mô hình sau đó phát triển và mở rộng từ những mô hình cơ bản này [105] Đặc điểm chung của mô hình sinh thái trong giai đoạn 2 là mô phỏng những mối tương tác cơ bản, đơn giản về các quá trình sinh thái và cho nghiệm giải tích hay là mô phỏng biến động sức sản xuất sơ cấp của thực vật nổi theo một chiều (1D) Sự phát triển thực. .. khu vực, các thời kỳ có năng suất sơ cấp cao trong năm, góp phần làm rõ và hoàn thiện hơn các hiểu biết về sinh thái học ở vực nước Bình Cang - Nha Trang Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: - Luận án đã mô phỏng được đặc trưng phân bố, biến động năng suất sơ cấp, muối dinh dưỡng và một số yếu tố sinh thái có liên quan (dòng chảy, nhiệt, muối) đến quá trình sản xuất sơ cấp của vực nước Bình Cang - Nha Trang. .. các quá trình trong hệ sinh thái vực nước Bight của Đức [221] Cũng trong năm này, Ourmières và cộng sự đã nghiên cứu vai trò của nguồn dữ liệu dinh dưỡng đối với việc cải thiện kết quả mô phỏng năng suất sơ cấp trong mô hình sinh thái 3D CPBM (tích hợp từ mô hình hoàn lưu OPA9 và mô hình sinh thái LOBSTER) [176]; Maar và cộng sự đã dùng mô hình sinh thái 3D kích thước nhỏ để nghiên cứu sinh trưởng của ... hỡnh - Mụ hỡnh húa quỏ trỡnh sn xut s cp ca thc vt ni h sinh thỏi vc nc Bỡnh Cang - Nha Trang bng mụ hỡnh ECOSMO - ỏnh giỏ phõn b, bin ng nng sut s cp v c trng dinh dng vc nc Bỡnh Cang - Nha Trang. .. 1.3.2.1 V trớ a lý, a hỡnh -3 0- Vc nc nghiờn cu (Bỡnh Cang - Nha Trang) l mt h thng gm m, vnh liờn thụng vi nhau: m Nha Phu, vnh Bỡnh Cang v mt phn phớa Bc vnh Nha Trang ni lin hn ch nhiu ng... [41] 2 - >4 - >6 - >8 - 10 >10 - 12 >12 - 14 >14 - 16 >16 - 18 >18 - 20 >20 -3 5- Cn c vo kt qu phõn tớch chi tit c th tng nm, cú th núi, trng giú ụng bc tỏc ng, khu vc Nha Trang chu tỏc ng ca