Sử dụng phần mềm mike21 nghiên cứu định lượng mức độ ảnh hưởng đến môi trường nước biển cửa lò bởi tổng chất rắn lơ lửng (TSS) phát sinh đồng thời từ hoạt động nạo vét và đổ vật li

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --- LÊ VIỆT THẮNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM MIKE21 NGHIÊN CỨU ĐỊNH LƯỢNG MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN CỬA LÒ BỞI TỔNG CHẤT RẮN LƠ LỬNG TSS PHÁT SINH

Trang 1

QUÁ TRÌNH CẢI TẠO, NÂNG CẤP LUỒNG TÀU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LÊ VIỆT THẮNG

SỬ DỤNG PHẦN MỀM MIKE21 NGHIÊN CỨU ĐỊNH LƯỢNG MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN CỬA LÒ BỞI TỔNG CHẤT RẮN LƠ LỬNG (TSS) PHÁT SINH ĐỒNG THỜI TỪ HOẠT ĐỘNG NẠO VÉT VÀ ĐỔ VẬT LIỆU NẠO VÉT TRONG

QUÁ TRÌNH CẢI TẠO, NÂNG CẤP LUỒNG TÀU

Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRỊNH THÀNH

Hà Nội – Năm 2010

Trang 3

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN 1 LỜI CAM ĐOAN 2

E3 Giới hạn đối tượng nghiên cứu 6

G Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG

NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA

1.1 Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước biển tại vùng cửa sông ven biển Việt Nam 10

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu quản lý chất lượng nước bằng phương pháp mô hình

1.3 Tổng quan về các nghiên cứu quản lý chất lượng nước biển ven bờ bằng phương

1.4 Giới thiệu một số mô hình và phần mềm quản lý chất lượng nước 17

1.4.1 Phần mềm EFDC (Mỹ) 18

1.4.3 Phần mềm MIKE21 (Đan Mạch) 21

1.5 Lựa chọn phần mềm ứng dụng trong đề tài nghiên cứu 24

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU ĐỊNH LƯỢNG SỰ PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ VÀ PHẠM

VI LAN TRUYỀN TSS BẰNG PHẦN MỀM MIKE21

2.1.Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu 25

2.2 Hiện trạng môi trường khu vực nghiên cứu 28

Trang 4

Trang

2.2.1 Lựa chọn vị trí lấy mẫu 28

2.3 Nghiên cứu định lượng sự phân bố nồng độ và phạm vi lan truyền TSS bằng phần

2.3.1 Cơ sở lý thuyết của module MIKE21HD 33

2.3.2 Cơ sở lý thuyết của module MIKE21AD 39

2.3.3 Thu thập và xử lý số liệu sử dụng trong module MIKE21HD 43

2.3.4 Thu thập và xử lý số liệu sử dụng trong module MIKE21AD 51

2.3.5 Sử dụng các số liệu địa hình để thiết lập hệ lưới lồng 57

2.3.6 Hiệu chỉnh thông số và kiểm chứng kết quả 59

2.3.7 Kết quả tính toán chế độ thủy lực (MIKE21HD) 66

2.3.9 Kết quả tính toán nồng độ và phạm vi lan truyền chất rắn lơ lửng

CHƯƠNG III PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CẢI TẠO, NÂNG CẤP

LUỒNG TÀU THEO DIỄN BIẾN TỔNG HỢP CỦA TSS

3.1 Phân tích diễn biến tổng hợp của TSS phát sinh từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu

3.1.1 Diễn biến tổng hợp của TSS tại luồng tàu và vị trí đổ vật liệu nạo vét 87

3.1.2 Diễn biến tổng hợp của TSS tại các vị trí nhạy cảm khác (bờ biển Cửa Lò –

3.2 Đề xuất phương án nâng cấp luồng tàu tối ưu 98

Trang 5

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Trang

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU ĐỊNH LƯỢNG SỰ PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ VÀ PHẠM

VI LAN TRUYỀN TSS BẰNG PHẦN MỀM MIKE21

Bảng 2.1 Một số đặc đặc trưng chủ yếu của bờ biển Việt Nam 26

Bảng 2.2 Vị trí lấy mẫu nước biển ven bờ 29 Bảng 2.3 Các chỉ tiêu chất lượng chính của nước biển ven bờ khu vực nghiên cứu 32

Bảng 2.4 Quá trình vận chuyển của hạt chất lỏng 40 Bảng 2.5 Mực nước ứng với các tần suất lũy tích trạm Hòn Ngư (1984 ÷ 2008) 45

Bảng 2.6 Mực nước cao nhất năm ứng với các tần suất lý luận trạm Hòn Ngư

(1961÷2008)

46

Bảng 2.7 Mực nước ứng với các tần suất luỹ tích Cửa Lò (cm) 46

Bảng 2.8 Mực nước Hmax ứng với các tần suất lý luận tại Cửa Lò (cm) 46

Bảng 2.9 Đặc trưng về tốc độ gió và hướng gió tại trạm khí tượng Hòn Ngư 48

Bảng 2.10 Tần suất độ cao và hướng sóng trạm Hòn Ngư (2004÷2008) 50

Bảng 2.11 Tổng hợp kết quả các chỉ tiêu phân tích cơ lý 54

Bảng 2.12 các thông số chính khi tiến hành thi công nạo vét luồng tàu 56

Bảng 2.13 Các kịch bản tính toán trong MIKE21AD 69

Bảng 2.14 Tọa độ các vị trí trích rút số liệu 70 CHƯƠNG III PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CẢI TẠO, NÂNG CẤP

LUỒNG TÀU THEO DIỄN BIẾN TỔNG HỢP CỦA TSS

Bảng 3.1 Diễn biến TSS tại khu vực bến tàu cảng Cửa Lò 87

Bảng 3.2 Diễn biến TSS tại khu vực luồng tàu 89

Bảng 3.3 Diễn biến TSS tại khu vực cửa sông Cấm 90

Bảng 3.4 Diễn biến TSS tại khu vực dự kiến đổ vật liệu nạo vét 91

Bảng 3.5 Diễn biến TSS tại khu vực bờ đông đảo Hòn Ngư 92

Bảng 3.6 Diễn biến TSS tại khu vực bờ tây đảo Hòn Ngư 93

Bảng 3.7 Diễn biến TSS tại khu vực bờ biển Cửa Lò 94

Bảng 3.8 Diễn biến TSS tại khu vực bờ biển Cửa Lò – Cửa Hội 95

Bảng 3.9 Diễn biến TSS tại khu vực bờ biển Cửa Hội 97

Trang 6

LAN TRUYỀN TSS BẰNG PHẦN MỀM MIKE21

Hình 2.2 Sơ đồ vị trí lấy mẫu chất lượng nước biển ven bờ 31

Hình 2.7 Minh họa các biên lỏng (mực nước) 47

Hình 2.8 Mực nước từng giờ tại 03 biên phía biển vào tháng 03/2010 47

Hình 2.9 Hoa gió tổng hợp trạm Hòn Ngư (1984 ÷ 2008) 48

Hình 2.10 Hoa sóng tổng hợp tại trạm Hòn Ngư (2004 ÷ 2008) 51

Hình 2.11 Sơ đồ vị trí lỗ khoan khảo sát địa chất 53

Hình 2.13 Lưới tính lớn cho toàn vùng nghiên cứu 58

Hình 2.14 Lưới tính chi tiết khu vực cảng Cửa Lò 58

Hình 2.15 Vị trí các trạm đo mực nước, dòng chảy, lỗ khoan 60

Hình 2.16 Biến trình mực nước quan trắc từng giờ và tính toán tại trạm Hòn Ngư từ ngày 20

Trang 7

Hình 2.30 Trường dòng chảy pha triều xuống (hướng E) 67

Hình 2.31 Trường dòng chảy pha triều lên (hướng E) 67

Hình 2.32 Trường dòng chảy pha triều xuống (hướng S) 68

Hình 2.33 Trường dòng chảy pha triều lên (hướng S) 68

Hình 2.34 Vị trí các điểm trích rút số liệu 71 Hình 2.35 Định lượng sự phân bố nồng độ TSS (lặng gió) 71

Hình 2.36 Định lượng phạm vi lan truyền TSS (lặng gió; giờ 00 sau khi đổ chất thải) 72

Hình 2.39 Định lượng sự phân bố nồng độ TSS (Gió Bắc - 4m/s) 73

Hình 2.40 Định lượng phạm vi lan truyền TSS (Gió Bắc - 4m/s; giờ 00 sau khi đổ chất thải) 74

Hình 2.43 Định lượng sự phân bố nồng độ TSS (Gió Bắc - 9m/s) 75

Hình 2.47 Định lượng sự phân bố nồng độ TSS (Gió Đông, 4m/s) 77

Hình 2.48 Định lượng phạm vi lan truyền TSS (Gió Đông, 4m/s; giờ 00 sau khi đổ chất thải) 78

Hình 2.51 Định lượng sự phân bố nồng độ TSS (Gió Đông - 9m/s) 79

Hình 2.52 Định lượng phạm vi lan truyền TSS (Gió Đông - 9m/s; giờ 00 sau khi đổ chất thải) 80

Hình 2.55 Định lượng sự phân bố nồng độ TSS (Gió Nam - 4m/s) 81

Hình 2.56 Định lượng phạm vi lan truyền TSS (Gió Nam - 4m/s; giờ 00 sau khi đổ chất thải) 82

Hình 2.57 Định lượng phạm vi lan truyền TSS (Gió Nam - 4m/s; giờ 12 sau khi đổ chất thải) 82

Trang 8

Trang

Hình 2.58 Định lượng phạm vi lan truyền TSS (Gió Nam - 4m/s; giờ 24 sau khi đổ chất thải) 83 Hình 2.59 Định lượng sự phân bố nồng độ TSS (Gió Nam - 9m/s) 83 Hình 2.60 Định lượng phạm vi lan truyền TSS (Gió Nam - 9m/s; giờ 00 sau khi đổ chất thải) 84 Hình 2.61 Định lượng phạm vi lan truyền TSS (Gió Nam - 9m/s; giờ 12 sau khi đổ chất thải) 84 Hình 2.62 Định lượng phạm vi lan truyền TSS (Gió Nam - 9m/s; giờ 24 sau khi đổ chất thải) 85 CHƯƠNG III PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CẢI TẠO, NÂNG CẤP LUỒNG

Hình 3.1 Diễn biến TSS tại khu vực bến tàu cảng Cửa Lò 95 Hình 3.2 Diễn biến TSS tại khu vực luồng tàu 96 Hình 3.3 Diễn biến TSS tại khu vực cửa sông Cấm 97 Hình 3.4 Diễn biến TSS tại khu vực dự kiến đổ vật liệu nạo vét 98 Hình 3.5 Diễn biến TSS tại khu vực bờ đông đảo Hòn Ngư 99 Hình 3.6 Diễn biến TSS tại khu vực bờ tây đảo Hòn Ngư 100 Hình 3.7 Diễn biến TSS tại khu vực bờ biển Cửa Lò 101 Hình 3.8 Diễn biến TSS tại khu vực bờ biển Cửa Lò – Cửa Hội 102 Hình 3.9 Diễn biến TSS tại khu vực bờ biển Cửa Hội 103

Trang 9

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BOD: Nhu cầu ô xy sinh học

BTNMT: Bộ Tài nguyên và Môi trường

COD: Nhu cầu ô xy hóa học

GHCP: Giới hạn cho phép

KTMT: Kỹ thuật môi trường

QCVN: Quy chuẩn Việt Nam

Ths.: Thạc sỹ

TS.: Tiến sỹ

TSS: Tổng chất rắn lơ lửng

Trang 10

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sỹ khoa học “Sử dụng phần mềm MIKE21 nghiên cứu định

lượng mức độ ảnh hưởng đến môi trường nước biển Cửa Lò bởi tổng chất rắn lơ lửng (TSS) phát sinh đồng thời từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét trong quá trình cải tạo nâng cấp luồng tàu” đã được hoàn thành tại Bộ môn Quản lý Môi

trường, Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô và đồng nghiệp

Trước hết, tác giả luận văn xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS Trịnh Thành là người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ths Phạm Văn Xuân và các đồng nghiệp tại Trung tâm Môi trường – Tổng Công ty Tư vấn Thiết kế Giao thông Vận tải đã

hỗ trợ về chuyên môn, thu thập các tài liệu liên quan để luận văn được hoàn thành Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Trương Văn Bốn – Trung tâm động lực Cửa sông ven biển và Hải đảo – Viện Khoa học Thủy lợi đã quan tâm chỉ bảo trong suốt quá trình làm luận văn

Trong khuôn khổ của luận văn, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của độc giả và những người quan tâm

TÁC GIẢ

Trang 11

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Lê Việt Thắng, học viên cao học lớp KTMT 2008 ÷ 2010, đã thực hiện

đề tài: “Sử dụng phần mềm MIKE21 nghiên cứu định lượng mức độ ảnh hưởng đến

môi trường nước biển Cửa Lò bởi tổng chất rắn lơ lửng (TSS) phát sinh đồng thời

từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét trong quá trình cải tạo nâng cấp luồng tàu” dưới sự hướng dẫn của TS Trịnh Thành Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu và thảo luận trong luận văn này là đúng sự thật và không sao chép ở bất

kỳ tài liệu nào khác

Trang 12

MỞ ĐẦU

A Đặt vấn đề

Đất nước ta có đường bờ biển dài 3.300km, giao thông vận tải, buôn bán bằng đường biển từ lâu đã là một thế mạnh Tuy nhiên, để có thể khai thác hiệu quả tiềm năng kinh tế biển, một trong những nhiệm vụ đặt ra là cần phải xây dựng và phát triển hệ thống cảng biển theo hướng hiện đại

Hiện tại, hệ thống cảng biển Việt Nam có hơn 24 cảng lớn nhỏ, với tổng chiều dài tuyến mép bến hơn 26km Lượng hàng hoá được xếp dỡ qua các cảng hàng năm tăng khoảng 10% Cụ thể: năm 2004, lượng hàng thông qua là 127,7 triệu tấn, năm

2005 đạt 139 triệu tấn [10]

Ngoài những hạn chế về sự thiếu đồng bộ trong quy hoạch, điều kiện kinh tế

và trình độ khoa học và công nghệ chưa phát triển tương xứng với đòi hỏi ngày càng cao của thị trường, hệ thống cảng biển Việt Nam còn phải đối mặt với thực trạng sa bồi luồng tàu Nguyên nhân chủ yếu là do phần lớn luồng tàu vào cảng nước ta đều dọc theo các con sông, mức dao động thủy triều lớn, chịu ảnh hưởng rất nhiều của sa bồi, luồng lạch dài, chiều sâu hạn chế Hệ quả là hàng năm, nhà nước phải bỏ ra một khoản kinh phí rất lớn để nạo vét, duy tu luồng lạch để đảm bảo cho các cảng có thể tiếp nhận được khối lượng hàng hóa ngày một tăng nhanh

Một trong các vấn đề môi trường chính xuất hiện khi tiến hành nạo vét, duy tu luồng tàu là nguy cơ ô nhiễm nguồn nước bởi chất rắn lơ lửng (TSS) phát sinh từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét Việc sử dụng các phần mềm không chỉ đưa

ra được những nghiên cứu định lượng mức độ ảnh hưởng môi trường nước biển bởi tổng chất rắn lơ lửng phát sinh từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét mà còn trở thành một công cụ giúp quản lý chất lượng nước trong quá trình nạo vét thông qua việc lựa chọn phương pháp và vị trí đổ vật liệu nạo vét phù hợp

Trước đây đã có những nghiên cứu mô hình toán để đánh giá phạm vi ảnh hưởng và lan truyền của TSS nhưng riêng biệt cho hoạt động nạo vét và đổ vật liệu

Trang 13

nạo vét Việc có những nghiên cứu áp dụng đánh giá những tác động tổng hợp phát sinh từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét là hết sức cần thiết

B Lý do chọn đề tài

Hoạt động nâng cấp luồng tàu tại cảng Cửa Lò (nạo vét và đổ vật liệu nạo vét) được thực hiện tại vùng biển ven bờ miền Trung, nơi có thềm lục địa hẹp, sườn bờ ngầm gần với đường bờ, dẫn đến vị trí nạo vét và đổ vật liệu nạo vét tương đối gần nhau Do đó môi trường nước biển khu vực Cửa Lò sẽ bị ảnh hưởng bởi sự tích lũy

từ 2 nguồn phát sinh, bao gồm nạo vét và đổ vật liệu nạo vét

Như vậy, để đảm bảo quá trình nâng cấp luồng tàu không tạo ra những ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng nước biển ven bờ Cửa Lò, yêu cầu phải đánh giá định lượng được sự phân bố nồng độ TSS trong môi trường nước biển Cửa Lò phát sinh đồng thời từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét Từ đó đưa ra được những biện pháp tối ưu hạn chế tác động đến các đối tượng sử dụng nước trong khu vực Lựa chọn sử dụng phần mềm quản lý chất lượng nước trong việc nghiên cứu không chỉ giúp mô phỏng chính xác quá trình lan truyền TSS từ đó định lượng được mức độ và phạm vi ảnh hưởng mà còn giúp đưa ra được những biện pháp ngăn ngừa ô nhiễm chất lượng nước biển từ đầu thông qua việc lựa chọn các kịch bản nạo vét và vị trí đổ vật liệu nạo vét phù hợp Trong các phần mềm quản lý chất lượng nước trên thế giới hiện nay, trong nghiên cứu này đã lựa chọn sử dụng phần mềm MIKE21 (module MIKE21HD và MIKE21AD) do tính chất thông dụng, khả năng liên kết tốt giữa các module và sự tin cậy trong kết quả dự báo

C Mục đích nghiên cứu

− Tiếp cận phương pháp nghiên cứu tổng hợp và đưa ra phương pháp tính thông qua phần mềm quản lý chất lượng nước để định lượng nồng độ và phạm vi lan truyền của TSS trong môi trường nước biển Cửa Lò khi tiến hành cải tạo nâng cấp luồng tàu, tích lũy từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét

Trang 14

− Đánh giá diễn biến tổng hợp của TSS trong môi trường nước cảng Cửa Lò phát sinh từ hoạt động cải tạo nâng cấp luồng tàu

− Sử dụng kết quả nghiên cứu để đề nghị cơ quan quản lý nhà nước phê duyệt vị trí đổ vật liệu nạo vét

− Phân tích việc áp dụng các phần mềm quản lý chất lượng nước trong nghiên cứu đánh giá diễn biến TSS phát sinh từ nâng cấp luồng tàu tại các cảng biển khác tại miền Trung

D Nội dung nghiên cứu

− Đặc điểm tự nhiên khu vực nạo vét và đổ vật liệu nạo vét

− Định lượng nguồn phát sinh TSS từ hoạt động nâng cấp luồng tàu

− Định lượng nồng độ và phạm vi phát tán TSS trong vùng biển Cửa Lò bằng phần mềm MIKE21 (module MIKE21HD và MIKE21AD)

− Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng môi trường nước biển Cửa Lò bởi tổng chất rắn lơ lửng (TSS) phát sinh đồng thời từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét

E Phạm vi nghiên cứu

E1 Phạm vi không gian

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn tại luồng tàu trong Cảng Cửa Lò và khu vực dự kiến đổ vật liệu nạo vét tại vùng biển ngoài khơi đảo Hòn Ngư

Cảng Cửa Lò có tọa độ địa lý 18o49’42”N và 105o41’45”E nằm ở phía bắc thị

xã Cửa Lò và cách thành phố Vinh khoảng 15 km về phía đông bắc; cách Cửa Hội 10km và cách đảo Hòn Ngư 7km về phía tây bắc, thuộc địa bàn phường Nghi Thủy, Nghi Tân, thị xã Cửa Lò và xã Nghi Thiết, huyện Nghi Lộc, tỉnh Nghệ An

Vị trí đổ vật liệu nạo vét được xác định tại khu vực biển cách cảng Cửa Lò khoảng 14km với chiều sâu -13÷ -15m có hình vuông, cạnh 2,5km Tọa độ các đỉnh khu dự kiến đổ vật liệu nạo vét như sau A (18o48'27"N, 105o49'51"E); B (18o48'27"N, 105o51'16"E); C (18o47'06"N, 105o51'16"E) và D (18o48'06"N,

Trang 15

105o51'16"E) Sơ đồ khu vực nghiên cứu được trình bày trong hình i

Hình i Sơ đồ khu vực nghiên cứu

E2 Phạm vi thời gian

Phạm vi thời gian được áp dụng trong phần mềm tính như sau:

− Thời gian để hiệu chỉnh thông số và kiểm chứng kết quả: tháng 3/2010

− Thời gian chạy phần mềm từ ngày 01/04/2011 ÷ 06/04/2011

E3 Giới hạn đối tượng nghiên cứu

Do đặc điểm cấu tạo trầm tích khu vực nghiên cứu chủ yếu là những thành phần hạt có kích thước lớn (cát và sét) nên những nghiên cứu đề cập trong luận văn được giới hạn đối với tổng chất rắn lơ lửng (TSS) Đây cũng là một trong những chỉ tiêu được quy định trong QCVN 10:2008/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước biển ven bờ

G Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

G1 Ý nghĩa khoa học

Thông qua kết quả nghiên cứu tại cảng Cửa Lò, mở rộng phạm vi áp dụng và

N

E W

S

Cảng Cửa Lò

Cự ly đổ vật liệu nạo vét – 14km

Trang 16

đánh giá hiệu quả của phần mềm quản lý chất lượng nước trong việc đánh giá diễn biến tổng hợp của TSS phát sinh từ hoạt động nâng cấp luồng tàu tại các cảng biển miền Trung

G2 Ý nghĩa thực tiễn

Thông qua kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra những đánh giá về ảnh hưởng của TSS từ hoạt động nâng cấp luồng tàu đến chất lượng nước tại các khu vực nhạy cảm (đảo Hòn Ngư, biển Cửa Lò - Cửa Hội) từ đó làm cơ sở để đề nghị cơ quan quản lý nhà nước chấp thuận vị trí đổ vật liệu nạo vét

H Phương pháp nghiên cứu

H1 Phương pháp tiếp cận

Dựa trên những đặc điểm riêng về chế độ thủy lực, địa hình của khu vực nghiên cứu: vùng ven biển miền Trung, nằm trong đới ven biển thuộc tiểu vùng Lạch Trường - Mũi Ròn, vùng Móng Cái – Hải Vân; quá trình địa mạo thống trị là tích tụ – xói lở; biển hở, thềm lục địa hẹp, sườn bờ ngầm gần với đường bờ; vị trí nạo vét và vị trí đổ vật liệu nạo vét gần nhau đã xác định cách tiệm cận nghiên cứu của luận văn là:

− Nghiên cứu các đặc điểm địa hình, địa mạo, thủy hải văn thống trị của vùng biển Cửa Lò

− Mô phỏng quá trình vận chuyển và phát tán chất rắn lơ lửng phát sinh đồng thời từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét trong quá trình cải tạo, nâng cấp luồng tàu

Trang 17

− Áp dụng phần mềm hai chiều: sử dụng phần mềm MIKE21 bao gồm module động lực (MIKE21HD) và module đối lưu - tải khuếch tán (MIKE21AD) để tính toán các quá trình thủy triều, động lực và lan truyền, phát tán các chất ô nhiễm (các biến môi trường) trong khu vực nghiên cứu Các phương pháp sử dụng trong luận văn được tổng hợp theo sơ đồ (hình ii)

Hình ii Sơ đồ xây dựng luận văn

Số liệu thu thập

Bản đồ, tài liệu (trong và ngoài

nước), số liệu khí tượng, hải văn

Số liệu khảo sát đo đạc

Số liệu về địa hình, thủy hải văn, môi trường

Phân loại, chỉnh lý số liệu, tổng hợp cơ sở dữ liệu

Số liệu thủy hải văn

Số liệu địa hình

Số liệu môi trường

Chia lưới

MIKE21HD

Hiệu chỉnh và thẩm định module thủy lực

MIKE21AD

Hiệu chỉnh và thẩm định module đối lưu - khuếch tán

Đánh giá về những ảnh hưởng đến chất lượng nước biển ven bờ

Trang 18

Nội dung chính của luận văn bao gồm:

− Mở đầu: trình bày tổng quan về các nội dung của việc lựa chọn đề tài

nghiên cứu, mục đích, phạm vi, ý nghĩa và phương pháp nghiên cứu

− Chương 1 Tổng quan về các nghiên cứu quản lý chất lượng nước bằng

phương pháp mô hình hóa: nội dung chương này trình bày các nghiên cứu

về mức độ ô nhiễm nước tại vùng biển ven bờ từ các hoạt động kinh tế - xã hội và các nghiên cứu trong quản lý chất lượng nước bằng phương pháp

mô hình hóa trên thế giới và tại Việt Nam Đồng thời thống kê và đánh giá một số phần mềm đang được sử dụng để nghiên cứu chất lượng nước, từ

đó xem xét lựa chọn sử dụng phần mềm MIKE21 trong đề tài

− Chương 2 Nghiên cứu định lượng sự phân bố nồng độ và phạm vi lan

truyền TSS bằng phần mềm MIKE21: trong chương này trình bày các

nghiên cứu về đặc điểm tự nhiên, chất lượng môi trường khu vực nghiên cứu và kết quả nghiên cứu định lượng sự phân bố nồng độ và phạm vi lan truyền TSS bằng phần mềm MIKE21 (bao gồm các nội dung vềxử lý số liệu, hiệu chỉnh thông số, kiểm chứng kết quả, kịch bản chạy mô hình và

các kết quả dự báo)

− Chương 3 Phân tích lựa chọn giải pháp cải tạo, nâng cấp luồng tàu theo

diễn biến tổng hợp của TSS: đề cập đến những đánh giá tổng hợp về diễn

biến của TSS phát sinh từ hoạt động nâng cấp luồng tàu (nạo vét và đổ vật liệu nạo vét) tại các vị trí khác nhau trong khu vực nghiên cứu (cảng Cửa

Lò, đảo Hòn Ngư, vùng biển Cửa Lò - Cửa Hội) Từ đó đề xuất biện pháp

thực hiện cải tạo, nâng cấp luồng tàu một cách tối ưu

− Kết luận và kiến nghị

Trang 19

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA

1.1 Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước biển tại vùng cửa sông ven biển Việt Nam [2]

Trong suốt chiều dài 3.260km bờ biển Việt Nam, trung bình cứ 20km lại có một cửa sông Có 9 hệ thống sông lớn với lưu vực lớn hơn 10.000km2/ hệ thống, đó

là các hệ thống: sông Kỳ Cùng – Bằng Giang, sông Hồng, Thái Bình, Mã, Cả, Thu Bồn, Ba, Đồng Nai – Sài Gòn và sông Cửu Long Tổng lưu vực của các hệ thống sông đó chiếm 70% diện tích cả nước ( tức 230.000km2) Hàng năm các sông đổ ra biển khoảng 880km3nước.Đặc điểm chính của các sông ở hạ lưu trước khi đổ vào biển là thường gia tăng độ sâu và mở rộng lòng sông, chính vì vậy cửa sông ven biển thườnglà nơi tích tụ các chất ô nhiễm từ đất liền đổ ra

Ô nhiễm nước ven biển được xác định bởi một số thông số và nhóm thông số đặc trưng là: chất rắn lơ lửng, độ đục, hàm lượng NO2, NO3, hàm lượng phốtpho, nhóm kim loại nặng, hàm lượng dầu và chỉ số coliform…Các vùng cửa sông ven biển Việt Nam hiện đã bị ô nhiễm bởi chất rắn lơ lửng (cao nhất là vùng ven biển đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long), NO2, NO3, coliform (chủ yếu là khu vực đồng bằng sông Cửu Long), dầu và kim loại kẽm

Nguyên nhân của tình trạng ô nhiễm này là do các vùng cửa sông và vùng ven biển thường là nơi có các khu đô thị tập trung, các cơ sở công nghiệp, các cảng biển Vùng ven bờ cửa sông, cửa biển là nơi có mật độ dân cư sinh sống cao, tốc độ gia tăng dân số nhanh, các hoạt động nuôi trồng, khai thác và chế biển thủy hải sản, giao thông… đang làm tình trạng ô nhiễm và suy thoái môi trường tại các cửa sông, cửa lạch ngày càng trầm trọng Các nguồn gây ô nhiễm chính đối với vùng nước biển ven bờ tại Việt Nam bao gồm:

− Hoạt động trong các khu dân cư đô thị ven biển: việc gia tăng dân số kéo

Trang 20

theo các hoạt động sản xuất, khai thác nuôi trồng thủy sản, du lịch… đã thải ra sông, biển khối lượng các loại chất thải ngày càng tăng

− Hoạt động công nghiệp tập trung tại khu vực ven biển: trong những năm gần đây, các khu công nghiệp tập trung ven biển phát triển rất mạnh và có

xu hướng ngày càng mở rộng, kèm theo đó là các hoạt động xả thải thiếu quy hoạch gây tác động xấu tới môi trường Chất thải từ các khu công nghiệp ven biển gây sức ép lớn đến môi trường ven bờ

− Hoạt động khai thác và nuôi trồng thủy sản: sự gia tăng số lượng thuyền máy đánh bắt đồng nghĩa với việc gia tăng hoạt động khai thác hải sản đã làm cạn kiệt nguồn tài nguyên sinh vật biển và làm nguy hại đến môi trường biển do chất thải từ dầu

− Khai thác khoáng sản: hoạt động khai thác sa khoáng ven biển tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung cũng làm tăng đáng kể lượng thải các chất độc hạt ra môi trường biển

− Hoạt động du lịch và dịch vụ tại các khu du lịch, nghỉ dưỡng ven biển: hoạt động du lịch và dịch vụ ngày càng tăng, lượng khách tham gia du lịch, nghỉ dưỡng cũng tăng hàng năm khoảng 10 ÷ 15% Kéo theo là gia tăng lượng lớn chất thải từ hoạt động này, gây sức ép lên môi trường biển và ven biển

− Cảng và giao thông hàng hải: để duy trình hoạt động, các cảng thường xuyên phải nạo vét vì bồi lắng trầm tích Sự phát triển của hệ thống cảng

và hoạt động giao thông hàng hải là nguyên nhân đe dọa ngày một lớn đế môi trường nước biển do gia tăng ô nhiễm dầu và lắng đọng trầm tích

Từ các tổng hợp trên có thể thấy rằng, môi trường nước biển ven bờ tại khu vực các cảng biển nói chung và tại cảng Cửa Lò nói riêng (khu vực nghiên cứu) đang phải đối mặt với hai nguồn ô nhiễm chính Đó là nước đục do liên quan đến hoạt động của tàu thuyền ra vào cảng, nạo vét luồng lạch, đổ phế thải và ô nhiễm dầu do rò rỉ hoặc tràn dầu (theo các số liệu công bố vào năm 2009, độ đục nước vùng cảng Hải Phòng là 418 ÷ 424mg/l; cảng Đà Nẵng 33 ÷ 167mg/l Nồng độ dầu

ở cảng Hải Phòng 0,42mg/l; cảng Cái Lân 0,6mg/l; cảng Vũng Tàu 0,52mg/l; cảng

Trang 21

Vietso Petro 7,57mg/l [8])

Như vậy, hoạt động nâng cấp luồng tàu (nạo vét và đổ vật liệu nạo vét) là nguyên nhân chính gây ra tình trạng ô nhiễm chất rắn lơ lửng (TSS) tại vùng cửa sông ven biển tại vị trí các cảng Do đó đòi hỏi các nghiên cứu về ảnh hưởng này và đưa ra những công cụ để quản lý chất lượng nước khi tiến hành nạo vét và đổ vật liệu nạo vét

1.2 Tổng quan về các nghiên cứu quản lý chất lượng nước bằng phương pháp mô hình hóa trên thế giới

Mô hình chất lượng nước là các phần mềm tính toán trên cơ sở giải các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nước (các chỉ tiêu vật lý, hoá học và thành phần sinh học) cũng như các quá trình có liên quan đến nó bằng phương pháp mô hình hóa Mô hình chất lượng nước là một trong những công cụ quản lý chất lượng nguồn nước một cách tổng quát và toàn diện, mang lại hiệu quả kinh tế cao

Trên Thế giới, các nghiên cứu áp dụng mô hình chất lượng nước trong việc đánh giá diễn biến chất lượng nước cũng như sử dụng phương pháp mô hình hóa trong quản lý các chỉ tiêu chất lượng nước đã được nhiều tổ chức, cơ quan nghiên cứu và các nhà khoa học tại nhiều quốc gia quan tâm

Trong gần một thế kỷ, từ mô hình đơn giản đầu tiên cho đến nay sự phát triển

mô hình chất lượng nước có thể được tóm tắt theo các giai đoạn sau [12]:

− Giai đoạn đầu thế kỷ 20:

o Mô hình chất lượng nước đầu tiên được Streeter-Phelps thiết lập 1925,

mô phỏng sự thay đổi các chất hữu cơ BOD & D (độ thiếu hụt oxy) ở vùng hạ lưu các nguồn thải điểm trên dòng chảy sông Ohio Mô hình được thiết lập dựa trên cơ sở các giả thiết: dòng chảy ổn định, sự phân hủy các chất hữu cơ theo phản ứng bậc nhất và sự thiếu hụt oxy trong dòng chảy là do sự phân hủy các chất hữu cơ

o Trong những năm của thập kỷ 30 ÷ 50, kết hợp các kết quả nghiên cứu

Trang 22

lý thuyết về quá trình xáo trộn, khuếch tán rối vật chất trong dòng chảy của Taylor, Eder và các phương pháp tính toán sự lan truyền chất trên dòng chảy, các tác giả cố gắng nâng cao độ tin cậy bằng việc xem xét đồng thời ảnh hưởng của quá trình khuếch tán rối đến quá trình lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy Các nghiên cứu tập trung vào các mối quan hệ giữa sự thay đổi giá trị BOD trên các dòng chảy với các chế độ thủy lực khác nhau

o Tuy nhiên, trong giai đoạn này do sự hạn chế của phương pháp tính, công cụ tính toán cũng như các điều kiện thực nghiệm trong dòng chảy nên các mô hình chất lượng nước chủ yếu tập trung giải quyết các vấn

đề đặt ra trong các dòng chảy đơn giản kênh, sông với điều kiện ổn định, một chiều Kết quả đạt được trong giai đoạn này là các công thức thực nghiệm xác định hằng số tốc độ hoà tan oxy, các số liệu thống kê

về hằng số tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ trong các dòng chảy có chế

độ thuỷ lực khác nhau

− Giai đoạn thập kỷ 60:

o Trong giai đoạn này, cùng với công cụ tính toán mới (máy tính điện tử) các phương pháp tính toán được hoàn thiện, các phương pháp số giải bài toán thủy lực, bài toán lan truyền chất trong dòng chảy đã trở nên quen thuộc Các mô hình chất lượng nước được phát triển tính toán với bài toán nhiều chiều hơn và xử lý các vấn đề mà trước đây khi giải quyết còn gặp rất nhiều khó khăn Độ tin cậy của mô hình cũng được nâng cao hơn

o Các vấn đề được quan tâm trong giai đoạn này là áp dụng vào tính toán trong thực tiễn các vấn đề như đề cập trên nhưng các mô hình giải quyết các bài toán nhiều chiều hơn và các vấn đề phức tạp hơn Độ tin cậy của mô hình được nâng cao do bổ sung thêm các quá trình có ảnh hưởng đến sự phân bố nồng độ các chất hữu cơ trong dòng chảy :

• Quá trình lắng các chất lơ lửng, phân tán nhỏ trong quá trình lan

Trang 23

truyền

• Quá trình giải phóng các chất từ lớp bùn đáy do sự cọ sát của dòng chảy với lớp bùn đáy

• Quá trình quang hợp và hô hấp của hệ thực vật thuỷ sinh

o Các mô hình chất lượng nước được phát triển rất đa dạng Nếu như trước đây các mô hình thuần túy đánh giá những tác động của nguồn thải điểm đến chất lượng nước sông, các mô hình đã đề cập đến sự lan truyền trong dòng chảy của các sông rộng, vùng cửa sông

o Trong các ứng dụng vào thực tiễn, các nghiên cứu đã xác định các số liệu thực nghiệm về hằng số tốc độ hoà tan, hệ số chuyển hoá các chất trong dòng chảy Với các lưu vực có chế độ thuỷ lực độ tin cậy của kết quả tính toán mô phỏng còn nhiều hạn chế

− Giai đoạn thập kỷ 70: trong giai đoạn này với sự hoàn thiện các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định sự phân tán vật chất trong dòng chảy các mô hình chất lượng nước phát triển đa dạng hơn Đề cập đến vai trò của quá trình tự làm sạch của nguồn nước (khả năng chuyển hóa các chất bẩn của hệ động thực vật), các nghiên cứu tập trung thêm vào các yếu

tố ảnh hưởng đến quá trình phú dưỡng nguồn nước Sự chuyển hóa các chất ô nhiễm trong chuổi thức ăn Sự tích lũy các chất ô nhiễm trong các sinh vật tiêu thụ Bước đầu, các nghiên cứu chỉ dừng lại ở các nghiên cứu

sự phú dưỡng của các hồ chứa nước Đối với dòng chảy vấn đề này cũng

đã được đề cập đến, tuy nhiên khi triển khai ứng dụng còn rất nhiều khó khăn trong việc đánh giá và hiệu chỉnh mô hình

− Giai đoạn thập kỷ 80 đến nay:

o Cuối những năm 80 trở lại đây, các mô hình chất lượng nước tập trung nghiên cứu mối quan hệ giữa các quá trình sinh thái - chất lượng nước trong dòng chảy Các mô hình được thiết lập dưới dạng đơn giản hơn nhưng độ tin cậy cao hơn

o Thomann và Mueller (1987) mô hình hoá các ảnh hưởng của mối quan

Trang 24

hệ giữa các loại phù du thực vật với các chất dinh dưỡng trong dòng chảy đến chất lượng nước sông Các chất dinh dưỡng được đưa vào dòng chảy dưới dạng các nguồn thải điểm

o Law và Chalup (1990) xây dựng mô hình chất lượng nước trên cơ sở sự phát triển của quá trình quang hợp và hô hấp của tảo Điều này đã được Bowie bổ sung vào phần mềm Qual2E (1993) Di Toro và Fitzpatrick (1993) phát triển, bổ sung thêm mối quan hệ giữa các sinh vật lớn tiêu thụ (sinh vật tiêu thụ bậc I) sự chuyển hóa và tích lũy các chất dinh dưỡng

Hiện tại, hướng phát triển của các mô hình chất lượng nước là nghiên cứu sự tích lũy các chất hữu cơ bền vững trong chuổi thức ăn, sự tích lũy các chất độc trong các cơ thể sống Mô phỏng phân bố nồng độ các chất ô nhiễm trên các dòng chảy phức tạp như sự lan truyền các chất ô nhiễm từ các nguồn thải điểm, các nguồn thải phân tán, các nguồn thải phát sinh thêm trong quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm Các áp dụng thực tiễn, được triển khai rộng ở các dòng chảy có chế

độ phức tạp như các dòng chảy sông rộng, cửa sông, các vũng, vịnh và các vùng biển ven bờ

Các mô hình chất lượng nước đã được viết trên ngôn ngữ lập trình thành các phần mềm để sử dụng tính toán trên máy tính điện tử Trong các phần mềm đang được áp dụng, họ phần mềm MIKE đang được ngày càng sử dụng rộng rãi tại nhiều nơi trên thế giới do tính chất thương mại, dễ sử dụng và có độ tin cậy cao Một số nghiên cứu tiêu biểu sử dụng họ phần mềm MIKE trong đánh giá diễn biến chất lượng nước trên thế giới bao gồm:

− Tính toán sự phân bố các chất lơ lửng tại khu vực thải tại Skagen (Đan Mạch)

− Tính toán môi trường và thủy lực khu vực Causeway tại Ả Rập

− Tính toán thủy lực, bùn cát và chất lượng nước tại vùng cửa sông Loire tại Pháp (1995)

− Tính toán hiệu ứng tích lũy các tham số môi trường tại khu vực cảng Hồng

Trang 25

− Tính toán lan truyền ô nhiễm cho vùng vịnh Tokyo, Nhật Bản

− Tính toán lan truyền dầu vùng biển ven bờ Châu Giang, Trung Quốc

− Tính toán lan truyền dầu tại vịnh Thái Lan

− v.v

Phần mềm MIKE21 còn được áp dụng để tính toán khả năng khuếch tán của trường nồng độ vật chất cho một vùng biển bất kỳ và hiện nay đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: đánh giá lan truyền ô nhiễm biển, tính toán mức

độ xói lở, bồi lắng vận chuyển bùn cát ven bờ phục vụ các công trình biển

1.3 Tổng quan về các nghiên cứu quản lý chất lượng nước biển ven bờ bằng phương pháp mô hình hóa tại Việt Nam

Các nghiên cứu trong nước về đánh giá nguy cơ ô nhiễm nước vùng biển ven

bờ bởi chất rắn lơ lửng phát sinh từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét trong quá trình cải tạo nâng cấp luồng tàu các cảng biển Việt Nam đã được thực hiện trong những năm gần đây

Năm 2007, trong quá trình thực hiện "Dự án cải tạo nâng cấp luồng tàu vào cảng Cửa Việt - Quảng Trị", nhóm nghiên cứu thuộc Tổng Công ty Tư vấn thiết kế Giao thông vận tải đã sử dụng phần mềm ROMS (Reginal Oceanographic Modeling System) để mô phỏng quá trình lan truyền của bùn đất nạo vét khi đổ bỏ trong môi trường biển Cửa Việt, từ đó xem xét diễn biến và phạm vi ảnh hưởng của chúng, đặc biệt đối với các rạn san hô ở phía đông bắc đảo Cồn Cỏ Kết quả nghiên cứu chỉ

ra rằng phạm vi lan toả của bùn, cát từ khu vực đổ rất hạn chế do tại khu vực đổ có hiện tượng giao thoa, hoàn toàn không ảnh hưởng tới khu vực biển Cồn Cỏ, nằm xa khu vực đổ trên 25 km về phía đông - đông bắc [5]

Trang 26

Năm 2009, trong quá trình thực hiện "Dự án đầu tư nâng cấp luồng tàu trọng tải 30.000 - 50.000DWT vào cảng tổng hợp Dung Quất – tỉnh Quảng Ngãi", nhóm nghiên cứu thuộc Công ty Tư vấn xây dựng Cảng - Đường Thủy đã áp dụng phần mềm MIKE21 trong tính toán khả năng lan truyền của bùn đất nạo vét bao gồm các module: MIKE21HD - tính toán quá trình động lực triều thuần túy, MIKE21EMS, MIKE21PMS - tính toán trường sóng và MIKE21AD - tính toán khả năng lan truyền chất rắn lơ lửng Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng dưới tác động của dòng triều trầm tích loại đổ thải được khuyếch tán và lan truyền ra khu vực xung quanh khá đối xứng so với tâm đổ trầm tích Có thể nhận thấy chỉ sau 1 ÷ 2 ngày dưới tác động của dòng triều và quá trình khuyếch tán các chất trôi có thể lan vào tận khu vực ven bờ phía bắc, nam và trong cảng Dung Quất [6]

Nhìn chung, hiện nay tại Việt Nam, việc ứng dụng phần mềm quản lý chất lượng nước trong nghiên cứu đánh giá phạm vi và mức độ ảnh hưởng đến chất lượng nước biển ven bờ bởi chất rắn lơ lửng phát sinh từ hoạt động nâng cấp luồng tàu cũng đã bước đầu được thực hiện Tuy nhiên, trong đa phần các nghiên cứu, mới chỉ áp dụng tính toán riêng rẽ cho từng hoạt động trong quá trình nâng cấp luồng tàu bao gồm hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét Do đó việc áp dụng phương pháp

mô hình toán để định lượng và đánh giá tổng hợp mức độ ảnh hưởng đến chất lượng nước bởi chất rắn lơ lửng phát sinh đồng thời từ hoạt động nạo vét và đổ vật liệu nạo vét trong quá trình nâng cấp luồng tàu là hết sức cần thiết

1.4 Giới thiệu một số mô hình và phần mềm quản lý chất lượng nước

Hiện nay các nước đã và đang sử dụng nhiều loại phần mềm tính toán diễn biến sinh thái vùng cửa sông ven biển khác nhau như tại Mỹ QUAL2K(2D), RUSLE2(2D), WASP(1D), EFDC(1, 2, 3D) Đặc biệt là phần mềm EFDC có khả năng tính toán được trên cả hai loại lưới tính: theo toạ độ Đề các và hệ toạ độ lưới cong Tại Anh, POM là phần mềm được sử sụng tại hàng trăm nước trên thế giới để tính toán môi trường vùng ven bờ, cửa sông và biển Phần mềm 2 và 3 chiều của Hà Lan (Delft2, 3D) cũng đang được hàng chục nước trên thế giới ứng dụng nghiên

Trang 27

cứu và tính toán các quá trình môi trường cho các thuỷ vực khác nhau Hệ thống phần mềm 1, 2 và 3 chiều của Đan Mạch đang được ứng dụng tại hàng trăm nước trên thế giới Dưới đây trình bày tổng quan về một số phần mềm nghiên cứu chất lượng nước trên thế giới

1.4.1 Phần mềm EFDC (Mỹ)

Giới thiệu chung về phần mềm EFDC

Phần mềm EFDC (Environmental Fluid Dynamics Computer Code) được phát triển bởi Viện khoa học Biển bang Virginia Mỹ (Virginia Institute of Marine Science - VIMS), là phần mềm 3 chiều mô phỏng thủy động học dòng chảy và vận chuyển bùn cát Phần mềm chất lượng nước mô phỏng 21 biến được ghép vào phần mềm thủy động học EFDC để trở thành phần mềm phú dưỡng thủy động học 3 chiều (three-dimensional Hydrodynamic-Eutrophication Model HEM-3D)

Cơ sở lí thuyết của phần mềm EFDC

Phương trình bảo toàn vật chất đối với từng biến của chất lượng nước được trình bày như sau:

(1.1)

Trong đó: C là nồng độ của biến chất lượng nước

u, v & w: các thành phần vận tốc theo các hướng x, y và z

Kx , Ky & Kz: hệ số khuếch tán rối theo các hướng x, y và z

S c = thành phần nguồn phát tán hoặc mất trên đơn vị thể tích

Khả năng mô phỏng của phần mềm EFDC

Phần mềm EFDC mô phỏng biến đổi các yếu tố thủy động học dòng chảy theo không gian và thời gian đồng thời mô phỏng các thông số về chất lượng nước bao gồm ô xy hòa tan, 3 nhóm tảo lơ lửng (suspended algae -3groups), nhiều thành phần của carbon, nitơ, phốt pho và các chu trình của silica và các trực khuẩn ruột già

Trang 28

Phần mềm mô phỏng bùn cát có thể mô phỏng được 27 biến bao gồm mô hình hóa quá trình bùn cát Quá trình này bao gồm sự tương tác với chất hữu cơ dạng hạt chìm lắng từ lớp nước bề mặt, mô phỏng quá trình trầm tích của dòng chất hữu cơ

và dòng chất vô cơ được hình thành (amoni, ni tơ, phốt pho và silica) cũng nhu cầu

ô xy ngược trở lại đối với lớp nước bên trên của bùn đáy Sự ghép nối giữa mô hình hóa quá trình bùn cát với mô hình hóa chất lượng nước không những cho phép mô phỏng các tham số chất lượng nước mà còn mô phỏng thời gian dài các biến đổi về điều kiện chất lượng nước ứng với sự biến đổi về các tải trọng chất dinh dưỡng

1.4.2 Phần mềm Delft3D-WAQ (Hà Lan)

Giới thiệu chung về Delft3D-WAQ

Phần mềm Delft3D được phát triển bởi viện thủy lợi Delfl – Hà lan, đây là phần mềm 3 chiều mô phỏng động học chất lỏng và chất lượng nước Có 3 module thành phần trong phần mềm Delft3D đó là: Delft3D-WAQ, Delft3D-SED, Delft3D-ECO Cả 3 module đều có phần mô phỏng chất lượng nước nhưng các cấp độ thì khác nhau, trong đó module Delft3D-WAQ mô phỏng chi tiết nhất

Delft3D-WAQ là module chất lượng nước hai và ba chiều, nó giải phương trình bình lưu-khuếch tán-phản ứng trong lưới tính xác định và trong phạm vi rộng các vật chất mô hình hoá Delft3D - WAQ cho phép tính mềm dẻo lớn cho các chất được mô hình hoá, cũng như trong các quá trình được xem xét Delft3D - WAQ không phải là module thuỷ động lực dòng chảy nên thông tin về các trường dòng chảy được tính trong Delft3D – Flow hoặc các mô hình khác như SOBEK miễn là các định dạng số liệu đầu vào được thỏa mãn

Cơ sở lý thuyết của module Delft3D-WAQ

Delft3D-WAQ giải cho các quá trình tải và các quá trình vật lý, hoá học, hoá sinh học và sinh học Phương trình toán học cơ bản trong Delft3D-WAQ đó là

“phương trình bình lưu-khuếch tán-phản ứng”:

( )C t f

S

C v

C D

C u

C D

2

++

ξ

Trang 29

Trong đó: C là nồng độ của chất quan tâm; u và v là các thành phần vận tốc theo các phương ξ và η tương ứng; Dξ và Dη là hệ số khuếch tán theo phương ξ và

∂

là thành phần tải trong phương trình; các hàm ‘f’ và ‘S’ là các số hạng nguồn Các số hạng nguồn này đại diện cho:

− Lưu lượng hoặc “việc tải chất thải” (S): số hạng này là dòng nước hoặc dòng chất bẩn thêm vào nhưng chưa được mô tả trong Delft3D-Flow như

là các số hạng vận tốc trong các phương trình động lượng Số hạng nguồn này thường được sử dụng trong các sông nhỏ, cống thải của khu công nghiệp, cống thải của nhà máy xử lý chất thải, cống thoát nước dân sinh

− Các số hạng phản ứng hoặc các quá trình (fR)

Khả năng mô phỏng của module Delft3D-WAQ

Module Delft3D-WAQ có khả năng mô phỏng một lượng lớn các loại vật chất bao gồm:

− Các vật chất bảo toàn (muối, clo có thể đến 5 loại vật chất);

− Các vật chất phân hủy (có thể đến 5 loại vật chất);

− Bùn cát lơ lửng (có thể đến 3 thành phần);

− Nhiệt độ;

− Chất dinh dưỡng (amoni, nitơ, phốt pho, silicát);

− Chất hữu cơ (chia ra các thành phần dưới dạng các bon, nitơ, phốt pho);

− Chất vi ô nhiễm hữu cơ

Ngoài ra module phần mềm này còn cung cấp một thư viện các quá trình vật

Trang 30

lí, hóa và sinh học để phục vụ mô phỏng các quá trình:

− Các quá trình lắng đọng và tái lơ lửng;

− Quá trình phát triển và chết của tảo;

− Khoáng hóa của các chất hữu cơ;

− Ni tơ hóa;

− Hấp thụ các kim loại nặng;

− Bay hơi của các chất vi ô nhiễm hữu cơ;

Với khả năng ứng dụng rộng rãi nó thường dùng trong các trường hợp sau:

− Nghiên cứu phú dưỡng;

− Sự thiếu hụt ô xy trong các hệ phân tầng;

− Ảnh hưởng của hệ thống thoát nước thải đối với nồng độ chất dinh dưỡng

và sản lượng nguyên sinh;

− Vận chuyển các chất kim loại nặng qua cửa sông

1.4.3 Phần mềm MIKE21 (Đan Mạch)

Giới thiệu chung về phần mềm MIKE21

Họ phần mềm MIKE được phát triển bởi viện thủy lực của Đan Mạch DHI (Danish Hydraulic Institute) cho phép mô phỏng các vấn đề liên quan đến tài nguyên nước mặt, nước ngầm, quy hoạch tài nguyên nước, chất lượng nước, các hệ sinh thái liên quan đến tài nguyên nước Trong đó phần mềm MIKE 11 cho phép

mô phỏng các bài toán liên quan đến dòng chảy trung bình 1 chiều, phần mềm MIKE 21 dùng cho các bài toán 2 chiều ngang và MIKE 3 dùng cho các bài toán 3 chiều Tính toán cho vùng cửa sông ven biển thông thường dùng các phần mềm mô phỏng 2 đến 3 chiều thay vì mô hình 1 chiều, vì tính phức tạp về địa hình và thủy hải văn của bài toán vùng cửa sông Các module tính toán về sinh thái và chất lượng nước được ghép nối với cả mô hình 1, 2 và 3 chiều

Phần mềm MIKE 21 bao gồm hệ thống các module 2 chiều tính toán dòng chảy và các module phụ trợ khác để mô phỏng và tính toán các quá trình vật lý, hoá học và sinh học liên quan đến các vấn đề về môi trường và sự ô nhiễm của nước

Trang 31

Cơ sở lý thuyết của module thủy lực (MIKE21HD) và module đối lưu – tải khuếch tán (MIKE21AD)

Phương trình cơ bản của module thủy lực (MIKE21HD) mô phỏng chuyển động của dòng chảy 2 chiều ngang được tích phân từ phương trình 3 chiều theo chiều đứng thể hiện các quá trình bảo toàn vật chất và động lượng Phương trình này được giải theo phương pháp giải ẩn luân hướng (ADI) với thuật toán quét kép (DS) đối với ma trận của từng hướng (chi tiết nội dung này được trình bày tại tiểu

mục 2.3.1 Cơ sở lý thuyết của module MIKE21HD, chương 2)

Phương trình mô phỏng quá trình đối lưu - khuếch tán trong module MIKE21AD được xây dựng trên cơ sở phương trình bảo toàn khối lượng Từ phương trình tổng quan đã xác định hệ số khuếch tán cho từng trường hợp (chi tiết

nội dung này được trình bày tại tiểu mục 2.3.2 Cơ sở lý thuyết của module

MIKE21AD, chương 2)

Khả năng mô phỏng của module MIKE21AD

Module đối lưu – khuếch tán (MIKE21AD) được sử dụng để tính toán, nghiên cứu các vấn đề về môi trường liên quan đến các sự phân bố của các thành phần hòa tan như:

− Nồng độ vi khuẩn trong môi trường nước;

− Nồng độ ô xy thiếu hụt do nồng độ BOD;

− Nồng độ các chất dinh dưỡng;

− Tương tác giữa chất dinh dưỡng và phù du cũng như sự phân huỷ của các

Trang 32

chất hoá học;

− Bùn cát lơ lửng ;

− Nhiệt độ;

− Chất dinh dưỡng (amoni, nitơ, phốt pho, silicát);

− Chất hữu cơ (chia ra các thành phần dưới dạng các bon, nitơ, phốt pho)

− Ô xy hòa tan;

− Các quá trình lắng đọng và tái lơ lửng;

− Quá trình phát triển và chết của tảo;

− Khoáng hóa của các chất hữu cơ;

doBrown và Barnwell đưa ra năm 1987. Q2K được sử dụng rộng rãi trong

mô phỏng các quá trình thủy lực và diễn biến chất lượng nước của hệ thống sông có thể bao gồm một sông chính và các sông nhánh

− WMS (The Watershed Modeling System) là phần mềm mô phỏng các quá trình thủy văn và thủy lực WMS bao gồm các công cụ mạnh mẽ để tự động hoá và mô hình hóa các quá trình như phân định lưu vực tự động, thông số hình học tính toán, GIS thông qua việc trích suất từ các dữ liệu địa hình và các dữ liệu khác WMS được hỗ trợ bởi các phần mềm thủy văn khác như HEC-1, HEC-HMS, TR-20, TR-55, Rational Phương, NFF, MODRAT, OC Rational, HSPF, xpswmm, và EPA-SWMM

− v.v

Trang 33

1.5 Lựa chọn phần mềm trong đề tài nghiên cứu

Căn cứ theo những đánh giá về ưu, nhược điểm của từng phần mềm, cũng như mức độ ứng dụng, đã lựa chọn phần mềm MIKE21 (module MIKE21HD và MIKE21AD) để nghiên cứu định lượng mức độ ảnh hưởng môi trường nước biển Cửa Lò bởi tổng chất rắn lơ lửng (TSS) phát sinh đồng thời từ hoạt động nạo vét và

đổ vật liệu nạo vét trong quá trình cải tạo, nâng cấp luồng tàu Các ưu điểm chính của phần mềm MIKE21 bao gồm:

− Đây là phần mềm thương mại, đã và đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới và tại Việt Nam;

− Giao diện thuận lợi cho người sử dụng dễ nắm bắt được các tính toán định lượng và định tính;

− Cơ sở lý thuyết đã được thừa nhận và kết quả chạy đáng tin cậy;

− Khả năng liên kết tốt giữa các module

Trang 34

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ĐỊNH LƯỢNG SỰ PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ VÀ PHẠM VI LAN TRUYỀN TSS BẰNG PHẦN MỀM MIKE21

2.1 Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu nằm trong vùng cửa sông ven biển Cửa Lò, thuộc tỉnh Nghệ An

2.1.1 Tỉnh Nghệ An [11]

Tỉnh Nghệ An thuộc vùng Bắc Trung Bộ có toạ độ địa lý từ 18o33'10" đến

19o24'43" vĩ độ Bắc và từ 103o52'53" đến 105o45'50" kinh độ Đông Phía Bắc giáp tỉnh Thanh Hoá với đường biên dài 196,13km; phía Nam giáp tỉnh Hà Tĩnh với đường biên dài 92,6km; phía Tây giáp nước bạn Lào với đường biên giới dài 19km; phía Đông giáp với biển Đông với đường bờ biển dài 82km Tổng diện tích đất tự nhiên là 1.648.729 ha với dân số 3.123.084 người (năm 2008), mật độ dân số trung bình 189 người/km2 (hình 2.1)

Hình 2.1 Vị trí địa lý tỉnh Nghệ An

Trang 35

Tỉnh Nghệ An có hải phận rộng 1.240km2, từ độ sâu 40m trở vào nói chung đáy biển tương đối bằng phẳng, từ độ sâu 40m trở ra có nhiều đá ngầm, cồn cát Vùng biển Nghệ An là nơi tập trung nhiều loài hải sản có giá trị kinh tế cao Bờ biển Nghệ An có chiều dài 82km, có 6 cửa lạch thuận lợi cho việc vận tải biển, phát triển cảng biển và nghề làm muối

Nghệ An là một đầu mối giao thông quan trọng của cả nước, có mạng lưới giao thông phát triển và đa dạng, có đường bộ, đường sắt, đường sông, sân bay và cảng biển, được hình thành và phân bố khá hợp lý theo các vùng dân cư và các trung tâm hành chính, kinh tế Về đường bộ: quốc lộ 7, quốc lộ 48, quốc lộ 46, quốc

lộ 15 ngoài ra, còn có 132 km đường Hồ Chí Minh chạy ngang qua các huyện miền núi trung du của tỉnh Về đường sắt: 124km, trong đó có 94km tuyến Bắc - Nam, có

7 ga, ga Vinh là ga chính Về đường không: có sân bay Vinh, các tuyến bay: Vinh -

Đà Nẵng; Vinh - Tân Sơn Nhất (và ngược lại) Về cảng biển: cảng Cửa Lò hiện nay

có thể đón tàu 1,8 vạn tấn ra vào thuận lợi, làm đầu mối giao lưu quốc tế

2.1.2 Đặc điểm vùng biển Cửa Lò

Đới bờ biển Việt Nam được chia thành 3 vùng bờ biển dựa theo đặc điểm hình thái, các phức hệ vật chất, động lực hình thành và phát triển, bao gồm:

− Vùng Móng Cái – Hải Vân với 4 tiểu vùng: Móng Cái – Đồ Sơn; Đồ Sơn – Lạch Trường; Lạch Trường – Mũi Ròn; Mũi Ròn – Hải Vân

− Vùng Hải Vân – Vũng Tàu; và

− Vùng Vũng Tàu – Hà Tiên

Chi tiết được trình bày trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Một số đặc đặc trưng chủ yếu của bờ biển Việt Nam

Trang 36

TT Tên đoạn bờ Hướng

3 Cửa Lạch Trường-Mũi Ròn B-N Cát - bột, thấp Tích tụ-xói lở

4 Mũi Ròn-Hải Vân TB-ĐN Cát, bờ cao Xói lở-tích tụ

5 Hải Vân-Mũi Ba Làng An TB-ĐN Cát Xói lở-tích tụ

6 Mũi Ba Làng An-Mũi Đại Lãnh B-N Cát và đá gốc Xói lở mài mòn

Môi trường địa chất của vùng biển Cửa Lò là biển nông ven bờ với đáy biển dốc dần từ bờ ra biển và phân dị trầm tích theo quy luật càng ra xa hạt càng mịn Chiếm ưu thế trong khu vực là trầm tích cát Biển Cửa Lò có nguồn cung cấp phù sa

từ sông Cấm Đoạn bờ biển Cửa Lò có hướng bắc – nam; quá trình địa mạo hiện đại thống trị là tích tụ – xói lở; bờ giàu bồi tích cát và sóng biển là ưu thế động lực ngoại sinh

Quá trình tích tụ xảy ra do sự bồi lấp liên quan tới động lực san bằng bờ của biển, tạo dòng bồi tích cát dọc bờ, hình thành phổ biến do cát chắn cửa phát triển từ một phía - tương ứng với pha α, sau đó là quá trình bồi lấp trực tiếp bởi bồi tích nguồn lục địa - tương ứng với pha β và nhiều nơi trong quá khứ đã hoàn chỉnh pha

∆ theo nguyên lý Strickland (1940) đối với vùng bờ giàu bồi tích cát và năng lượng sóng

Hiện tượng xói lở bờ biển là kết quả của nhiều nguyên nhân khác nhau nhưng nguyên nhân trực tiếp và quan trọng nhất là sóng, diễn ra ngay trong điều kiện hải

Trang 37

văn bình thường Trong điều kiện hải văn bất thường gây nên bởi hình thế thời tiết cực đoan, tác động của sóng xói lở bờ biển trở nên dữ dội hơn Trong một khoảng thời gian của lịch sử phát triển biến dạng bờ biển, hậu quả tác động của sóng cùng các nguyên nhân khác chỉ có thể ghi nhận và đánh giá tổng hợp Theo kết quả nghiên cứu của Nguyễn Văn Cư và nnk., 2000 [7], vùng bờ biển Trung bộ mất 389,9 ha/năm trên chiều dài 328,16km

Như vậy, sự không ổn định và hiện tượng bồi lấp luồng lạch tại vùng biển Cửa

Lò là kết quả của quá trình phát triển biến dạng đường bờ cơ bản và tiến hóa địa chất vùng bờ biển, liên quan chặt chẽ với nhau, gây thiệt hại tới kinh tế - xã hội vùng bờ biển, trong đó có cảng - giao thông thủy và nghề cá

2.2 Hiện trạng môi trường khu vực nghiên cứu

Số liệu về chất lượng nước khu vực nạo vét trong cảng Cửa Lò và khu vực dự kiến đổ vật liệu nạo vét được lấy theo số liệu điều tra lấy mẫu và phân tích của Trung tâm Môi trường thuộc Tổng Công ty Tư vấn thiết kế Giao thông Vận tải thực hiện vào tháng IV năm 2010 [9]

2.2.1 Lựa chọn vị trí lấy mẫu

Việc lựa chọn các vị trí khảo sát chất lượng môi trường nước biển ven bờ trong khu vực nghiên cứu căn cứ theo cơ sở:

− Đặc điểm luồng tàu khu vực nạo vét;

− Đặc điểm vùng biển khu vực dự kiến đổ vật liệu nạo vét;

− Hiện trạng khai thác thủy sản khu vực Dự án

Đã lựa chọn 12 vị trí khảo sát chất lượng nước biển ven bờ (bảng 2.2), bao gồm:

− 06 vị trí tại các bến Mẫu được lấy tại tầng nước mặt, 2 lần trong 1 ngày vào kỳ triều lên và kỳ triều xuống

− 01 vị trí tại cửa sông Cấm Mẫu được lấy tại 2 tầng nước (tầng mặt, tầng giữa), 2 lần trong 1 ngày vào kỳ triều lên và kỳ triều xuống

Trang 38

− 02 vị trí tại luồng tàu ngoài biển Mẫu được lấy tại 2 tầng nước (tầng mặt, tầng giữa), 2 lần trong 1 ngày vào kỳ triều lên và kỳ triều xuống)

− 03 vị trí tại khu vực dự kiến đổ vật liệu nạo vét Mẫu được lấy tại 2 tầng nước (tầng mặt, tầng giữa), 2 lần trong 1 ngày vào kỳ triều lên và kỳ triều xuống)

Bảng 2.2 Vị trí lấy mẫu nước biển ven bờ

2 Bến số 3 Tầng mặt

Triều xuống M4

18°49'51"N 105°42'20"E Triều lên M5

3 Ngoài bến số 4 Tầng mặt

Triều xuống M6

18°49'53"N 105°42'30"E Triều lên M7

Triều xuống M8

18°49'54"N 105°42'29"E Triều lên M9

Triều xuống M10

18°50'00"N 105°42'37"E Triều lên M11

Triều xuống M12

18°50'02"N 105°42'36"E Tầng mặt M13

Tầng giữa Triều lên M14 Tầng mặt M15

7 Cửa sông Cấm

Tầng giữa Triều xuống M16

18°50'01"N 105°43'05"E

Tầng mặt M17 Tầng giữa Triều lên M18

10 Khu vực dự

kiến đổ vật liệu

Tầng mặt Triều xuống M27

18°47'20"N 105°50'58"E

Trang 39

Nguồn: Trung tâm Môi trường - Tổng Công ty Tư vấn thiết kế Giao thông vận tải

Sơ đồ vị trí lấy mẫu nước biển ven bờ được trình bày trong hình 2.2

Trang 40

31

Hình 2.2 Sơ đồ vị trí lấy mẫu chất lượng nước biển ven bờ

: vị trí lấy mẫu nước biển ven bờ (M) và hệ sinh thái (Sv)

Nguồn: Trung tâm Môi trường - Tổng Công ty Tư vấn thiết kế Giao thông vận tải

N

E W

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	4,24 MB