Triển khai ứng dụng mô hình ECOMSED tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển hải phòng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN o o PHẠM HẢI AN TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ECOMSED TÍNH TỐN VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG KHU VỰC CỬA SƠNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà N ội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ N ỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN o o PHẠM HẢI AN TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ECOMSED TÍNH TỐN VẬN CHUYỂN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG KHU VỰC CỬA SƠNG VEN BIỂN HẢI PHỊNG Chun nghành: Hải dương học Mã s ố: CH 1000934 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Nguyễn Thọ Sáo Hà N ội, 2012 LỜI CẢM ƠN Em vui mừng m ột học viên cao học lớp K10, chuyên ngành Hải dương học, năm học 2010-2012 khoa Khí Tượng Thủy Văn H ải Dương Học trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Sau hai năm, khóa h ọc k ết thúc kết em thu ph ản ánhđược cố gắng - nỗ lực thân, đồng thời k ết dạy bảo, dìu dắt, giúp đỡ Thầy - Cơ đồng nghiệp suốt hai năm qua Kiến thức em có hơm khơng nh ững hành trang không th ể thiếu công tác nghiên ứcu lâu dài mà nh ững điều kiện quan trọng việc giải nhiệm vụ cụ thể giao Em phải diễn tả cho ph ải, em xin bầy tỏ lòng bi ết ơn chân thành tới Thầy - Cô Khoa, b ộ môn H ải Dương Học, tới Viện Tài nguyên Môi tr ường biển đồng nghiệp tâm huy ết Trong em nh ận quan tâm, giúp đỡ hữu hiệu điều kiện học tập nh ững kinh nghiệm quý báu thầy Đinh Văn Ưu, th ầy Lê Hồng Quang Đặc biệt với tư cách người truyền đạt kiến thức, người hướng dẫn cho em làm khóa lu ận Thạc sĩ, thầy Nguyễn Thọ Sáođã quan tâm cho em nh ững điều kiện thuận lợi để em hoàn thành trach nhiệm cá nhân thân Số liệu lần khảo sát thực tế, kinh nghiếm quý báu học hỏi từ Thầy luôn nh ững tài li ệu quý báu, hành trang cho công vi ệc em sau Nh ững giá trị mà em có từ thầy lòng h ăng say, nhiệt tình cơng vi ệc nói chung tính nghiêm khắc nghiên ứcu khoa học nói riêng Chắc chắn điều s ẽ giúp em nhiều sống công tác chuyên môn sau Một lần em chân thành c ảm ơn xin ti ếp tục nhận ý ki ến đóng góp giúp em hồn thi ện cơng vi ệc đặt khóa h ọc t ạo điều kiện thuận lợi công tác sau em Hà N ội, ngày 31 tháng 12 năm 2012 Học viên cao ọhc Phạm Hải An DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT - ECOMSED Estuarine Coastal and Ocean Model System with Sediments (HydroQual): Mơ hình mã ngu ồn mở thủy động lực lan truy ền trầm tích ba chiều - ECOM Estuarine Coastal and Ocean Model (USGS): Mơ hình th ủy động lực vùng cửa sông ven bi ển - TSS Total Suspended Sediment: Trầm tích lơ lửng - BODC British Oceanographic Data Centre: Trung tâm t liệu Hải dương học Vương quốc Anh - TELEMAC phát triển National Hydraulics Laboratory (LNH) - Pháp:Mơ hình áp dụng cho vùng cửa sơng ven b ờ, sử dụng lưới tính dạng phần tử hữu hạn - CH3D-SED: Curvilinear Hydrodynamics in Dimensions Suspended Sediment Concentration Model (USCOE-Sediment): mơ hình v ận chuyển trầm tích ba chiều - BIAS (ME): Sai số trung bình (còn g ọi điểm BIAS) - RMSE: Sai số phương trung bình bình phương - SED2: Mơ hình v ận chuyển trầm tích trung bình theo độ sâu - KH&CN: Khoa học Công Ngh ệ DANH MỤC HÌNH Trang Hình Chuyển hố lan truyền vật chất cửa sơng ven bi ển Hình Vùng cửa sơng ven bi ển Hải Phòng 01 03 Hình Khu vực cửa sơng ven bi ển Hải Phòng 11 Hình Số hóa tr ường độ sâu bao quanh khu v ực nghiên cứu 12 Hình Nhiệt độ khí trung bình tháng ừt năm 1990-2007, Hòn D ấu 13 Hình Xu nhiệt khơng khí theo tháng, Hòn D ấu 14 Hình Tổng lượng xạ năm trung bình tháng năm (kwh/m ) 15 Hình Lượng xạ trung bình tháng giaiđoạn 1997-2007 (kwh/m ) 15 Hình Lượng mưa thời đoạn trung bình tháng ừt 1990 đến 2007 (mm) 16 Hình 10 Lượng mưa thời đoạn trung bình tháng theo cácănm (mm) 17 Hình 11 Tổng lượng mưa thời đoạn theo năm (mm) 17 Hình 12 Hoa gió th ống kê giaiđoạn 2000-2011 Hòn Dáu 20 Hình 13 Hoa gió trung bình mùa khơ 2000-2011 t ại Hòn Dáu 21 Hình 14 Hoa gió trung bình mùa m ưa 2000-2011 Hòn Dáu 21 Hình 15a Hoa gió mùa khơ, 3/2009 t ại Hòn Dáu 22 Hình 15b Hoa gió mùa m ưa, 8/2009 Hòn Dáu 22 Hình 16 Mực nước tính theo hải đồ khu vực Hải phòng 2004-2007 25 Hình 17 Xu mực nước tính theo hải đồ năm 2004-2007 25 Hình 18 Hoa sóng trung bình giai đoạn 2000-2011 Hòn Dáu 28 o Hình 19 Nhiệt độ nước trung bình tháng ừt năm 1993 đến 2007( C) o 28 Hình 20 Xu nhiệt độ nước theo tháng năm gần ( C) 29 Hình 21 Bản đồ phân b ố trầm tích tầng mặt ven biển Hải Phòng sau 2008 35 Hình 22 Sơ đồ trạng giới hạn địa hóa q trình ngưng keo kết bơng 35 lắng đọng trầm tích vùng cửa sông B ạch Đằng L ạch Huyện năm 1965 Hình 23 Hiện trạng địa hóa c q trình ngưng keo, kết bơng l ắng đọng 36 trầm tích khu vực cửa sông B ạch Đằng L ạch Huyện năm 2008 Hình 24 Giới hạn địa hóa c q trình ngưng keo - kết bơng l ắng đọng 36 trầm cửa sông B ạch Đằng L ạch Huyện từ 1965 đến 2008 Hình 25 Sơ đồ khối mơ hình ECOMSED 37 Hình 26 Tiến trình lan truyền trầm tích nhỏ m ịn 46 Hình 27 Tương tác Khí - Nước - Trầm tích 46 Hình 28 Ứng suất trượt đáy sóng - dòng chảy 47 Hình 29 Tiềm xói phân l ớp theo ngày 47 Hình 30 Khả tái ơl lửng hàm c ứng suất trượt đáy Hình 31 Lắng đọng trầm tích kết dính Hình 32 Biểu đồ cho mơ hình tr ầm tích đáy 48 49 50 Hình 33 Tốc độ lắng đọng hàm c đường kính cấp hạt trầm tích 51 khơng k ết dính Hình 34 Ảnh vệ tinh ALOS chụp ngày 01/3/2008 56 Hình 35 Phạm vi luới tính (Trạm liên ụtc B1, B2, B3) 57 Hình 36 So sánh kết tính tốn daođộng mực từ mơ hình v ới số liệu 59 quan trắc trạm Hòn Dáu, tháng 8.2009 (mùa mưa) Hình 37 So sánh kết tính tốn daođộng mực từ mơ hình v ới số liệu 60 quan trắc trạm Hòn Dáu, tháng 3.2009 (mùa khơ) Hình 38 So sánh kết dòng ch ảy quan trắc tính tốn mùa 61 mưa trạm B3 Hình 39 So sánh kết dòng ch ảy quan trắc tính tốn mùa 61 khơ t ại trạm B2 Hình 40 So sánh TSS quan trắc tính tốn mùa khơ trạm B3 62 Hình 41 So sánh TSS quan trắc tính tốn mùa mưa trạm B3 62 Hình 42 Trường dòng ch ảy tầng mặt khu vực ven biển Hải Phòng, pha 65 triều lên mùa mưa, 12h-7.8.2009 Hình 43 Trường dòng ch ảy tầng đáy khu vực ven biển Hải Phòng, pha 65 triều lên mùa mưa, 12h-7.8.2009 Hình 44 Trường dòng ch ảy tầng mặt khu vực ven biển Hải Phòng, n ước 67 ròng mùa m ưa, 6h-8.8.2009 Hình 45 Trường dòng ch ảy tầng đáy khu vực ven biển Hải Phòng, n ước ròng mùa m ưa, 6h-8.8.2009 Hình 46 Trường dòng ch ảy tầng đáy khu vực ven biển Hải Phòng, tri ều lên 67 69 mùa khơ, 22h-9.3.2009 Hình 47 Trường dòng ch ảy tầng đáy khu vực ven biển Hải Phòng, tri ều lên 69 mùa khơ, 22h-9.3.2009 Hình 48 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng mặt khu vực ven biển Hải Phòng, 72 nước lớn mùa mưa, 14h-17.8.2009 Hình 49 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng đáy khu vực ven biển Hải Phòng, 72 nước lớn mùa mưa, 14h-17.8.2009 Hình 50 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng mặt khu vực ven biển Hải Phòng, 74 nước ròng mùa m ưa, 3h-18.8.2009 Hình 51 Phân b ố trầm tích tầng đáy khu vực ven biển Hải Phòng, n ước 74 ròng mùa m ưa, 3h-18.8.2009 Hình 52 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng mặt khu vực ven biển Hải Phòng, 77 triều lên mùa khơ, 17h-19.3.2009 Hình 53 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng đáy khu vực ven biển Hải Phòng, 77 triều lên mùa khơ, 17h-19.3.2009 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng Tốc độ gió trung TB (m/s) t ại số trạm thuộc khu vực Hải Phòng Bảng Một số đặc trưng chế độ gió ven bi ển 18 Bảng Lưu lượng chảy trung bình sơng Hải Phòng, 2009 24 Bảng Mực nước triều đặc trưng Hòn Dáu nhiều năm 26 Bảng Đặc điểm cấp hạt trầm tích tầng mặt cửa sơng ven bi ển Hải 31 Phòng Bảng Bảng tham số cho khả tái ơl lửng 48 Bảng Hàm l ượng trầm tích lơ lửng sơng Hải Phòng n ăm 2009 63 19 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương ĐỐI TƯỢNG VÀ PH ẠM VI NGHIÊN C ỨU 01 1.1 Đối tượng m ục tiêu 01 1.2 Tiếp cận l ựa chọn phương pháp 01 1.3 Phạm vi nghiên cứu 03 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi n ước 03 Chương TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN TỰ NHIỆN TRONG KHU VỰC 10 2.1 Đặc điểm hình tháiđịa hình 10 2.2 Đặc điểm khí hậu, khí tượng 12 2.3 Đặc điểm thủy văn sông 23 2.4 Đặc điểm hải văn cửa sông ven bi ển 24 2.5 Đặc điểm môi tr ường trầm tích khu vực 30 Chương MƠ HÌNH ECOMSED ĐỐI VỚI BÀI TỐN MƠ PH ỎNG LAN TRUYỀN TRẦM TÍCH 3.1 Mơ hình ECOMSED 3.2 Cơ sở hình thành mơ hình ECOMSED 37 37 38 3.3 Mơ hình th ủy động lực 41 3.4 Mơ hình sóng 44 3.5 Mơ hình lan truy ền trầm tích lơ lửng 45 3.6 Tiêu chuẩn ổn định mô hình 53 3.7 Hiệu chỉnh mơ hình 54 3.8 Triển khai mơ hình th ủy động lực 56 3.9 Triển khai mơ hình lan truy ển trầm tích 62 Chương TÍNH TỐN LAN TRUY ỀN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG KHU 63 VỰC CỬA SƠNG VEN BI ỂN HẢI PHỊNG 4.1 Kết mô ph ỏng trường thủy động lực 64 4.2 Kết mơ ph ỏng trầm tích lơ lửng vào mùa m ưa 4.3 Kết mô ph ỏng trầm tích lơ lửng vào mùa khơ 70 75 KẾT LUẬN 79 TÀI LI ỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 81 MỞ ĐẦU Khu vực cửa sông ven bi ển Hải Phòng m ột khu vực thuộc vùng trọng điểm phát triển kinh tế phía Bắc, có c ảng biển lớn Hải Phòng n ằm cạnh khu vực có nhu c ầu bảo vệ môi tr ường cấp bách Khu di sản thiên nhiên Thế giới - vịnh Hạ Long; Khu dự trữ sinh Cát Bà, khu du lịch biển Đồ Sơn Bởi mà b ất tương tác xảy phạm vi có th ể gây ảnh hưởng mức Quốc gia Qu ốc tế nội khu vực khu vực kế cạnh Bên ạcnh đó, v ấn đề nảy sinh làm liên quan đến trình hoạt động dân sinh - kinh t ế ỉtnh ưlu vực hệ thống sông Thái Bình sơng Hồng Do đặc tính nằm vùng hạ lưu hệ thống sông H ồng sông Thái Bình, vùng cửa sơng ven bi ển Hải Phòng có m ạng lưới sơng ngòi dày đặc với mật độ khoảng 0,6-0,8 km/km Trong có cửa sơng đổ biển c ửa Lạch Huyện, Nam Triệu, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc Thái Bình Cùng v ới vị trí địa lý thuận lợi, sơng khu vực góp ph ần quan trọng việc phát triển số ngành kinh t ế giao thông - v ận tải, nuôi tr ồng khai thác thuỷ hải sản phát triển kinh tế xã h ội thành ph ố Hải Phòng Khu v ực cửa sơng ven bi ển Hải Phòng c ũng có m ột vị trí quan trọng sinh thái môi trường hệ thống ven bờ phía bắc với hệ sinh tháiđặc thù vùng triều cửa sông, r ừng ngập mặn, thảm cỏ biển v.v Tuy nhiên, năm gần s ự phát triển mạnh mẽ kinh tế xã h ội nước ta nói chung thành ph ố Hải Phòng nói riêng làm gia t ăng lượng chất gây ô nhi ễm (một phần từ nơi khác theo nước sông từ thượng nguồn đưa về, phần hoạt động kinh tế - xã h ội địa phương) đưa vào khu v ực cửa sông ven bi ển Hải Phòng bi ến khu vực tr thành n tập trung lượng ớln chất gây ô nhi ễm, gây ô nhi ễm v ẩn đục mơi tr ường nước Ngồi ra, vi ệc nạo vét luồng tàu vào c ảng Hải Phòng di ễn năm làm cho chất gây nhi ễm tích tụ theo thời gian trầm tích có điều kiện phát tán ởtrlại mơi tr ường nước Các chất gây ô nhi ễm gây ảnh hưởng lớn đến môi tr ường nước khu vực cửa sông ven bi ển Hải Phòng S ự ảnh hưởng tiêu ựcc đưa qua kết điều tra nghiên ứcu gần đây, cho th môi tr ường nước khu vực có d ấu hiệu nhi ễm nghiêm trọng với số biểu như: hàm l ượng chất lơ lửng gây v ẩn đục cao, chất dinh dưỡng nước tăng; lượng ơxy hồ tan n ước số nơi thấp, xuất số độc tố thể sinh vật với hàm l ượng cao v.v Sự ô nhi ễm môi tr ường khu vực không ch ỉ tácđộng lớn đến hệ sinh thái, làm suy giảm đa dạng tr ữ lượng nguồn lợi thuỷ sản khu vực cửa sông ven bi ển, giảm sức hấp dẫn khu du ịlch (Đồ Sơn, Cát Bà), ảnh hưỏng đến sức khoẻ người mà gián tiếp ảnh hưởng tới phát triển kinh tế - xã h ội thành ph ố Để tìm hiểu chế đề xuất phương hướng khắc phục, nhằm ổn định môi tr ường nước cách bền vững, có nhi ều đề tài nghiên cứu tiến hành liên quanđến môi tr ường nước khu vực Điển cácđề tài “ Đánh giá mức độ ô nhi ễm nguồn thải lục địa, đề xuất giải pháp kiểm soát, quản lý nhi ễm vùng biển ven bờ phía bắc” n ăm 2001 [3]; đề tài: “ Điều tra trạng môi tr ường sông R ế, sông Giá đề xuất giải pháp bảo vệ” n ăm 2003 [4]; đề tài: “ Điều tra, đánh giá tình ạtrng ô nhi ễm suy thoái môi tr ường khu vực cửa sông C ấm - Bạch Đằng đề xuất giải pháp bảo vệ”, Tr ần Đức Thạnh c ộng thực năm 2006 [5] Tuy nhiên, việc đánh giá trình lan ềtruynchất gây ô nhi ễm cho toàn b ộ khu vực cửa sơng ven bi ển Hải Phòng v ẫn r ất hạn chế Bởi phạm vi nghiên ứcu nhỏ vùng cửa sông (ph ần lớn cửa sông B ạch Đằng), số lượng mẫu thu thập nhiều điểm song lấy tức thời, không th ể mô ph ỏng bi ến đổi hàm l ượng chất nhi ễm dòng ch ảy sông đưa ra, dao động mực nước Do cần thiết phải có đánh giá tồn diện đồng nguồn, số lượng chất gây nhi ễm trầm tích lơ lửng, hữu cơ, dinh dưỡng vào cửa sơng Hải Phòng tr ước biển (gồm nguồn từ thượng nguồn t nguồn thải bên bờ sông) Đồng thời, xem xét đánh giáựslan truyền trình biến đổi chúng nước vùng cửa sơng ven bi ển Hải Phòng để mơ q trình ếbin đổi, chuyển hố, vận chuyển lan truy ền vật chất có chất gây nhi ễm như: “ Ứng dụng mơ hình chi ều để nghiên ứcu lan truyền trầm tích lơ lửng vùng biển ven bờ Quảng Ninh” Đinh Văn Ưu nnk n ăm 2005 [8]; “ Nghiên ứcu trìnhđộng lực học, dự báo vận chuyển bồi lắng bùn cát Lạch Huyện Nam Đồ Sơn trước sau xây d ựng cảng nước sâu gi ải pháp khắc phục” Nguy ễn Văn Cư nnk n ăm 2008 [2]; Vận chuyển trầm tích bi ến đổi địa hình đáy vùng cửa sơng ven bi ển Hải Phòng ”, Đinh Văn Ưu năm 2009 [7]; “ Nghiên ứcu đánh giáứsc tải môi tr ường đề xuất giải pháp phát triển bền vững khu vực Vịnh Hạ Long - Vịnh Bái Tử Long” , Trần Đức Thạnh [6] Hàm l ượng TSS (mg/l) Hình B5 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước lớn mùa khơ) Hàm l ượng TSS (mg/l) Hình B6 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước lớn mùa khơ) Hàm l ượng TSS (mg/l) Hình B7 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa khơ) Hàm l ượng TSS (mg/l) Hình B8 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa khơ) Hàm l ượng TSS (mg/l) Hình B9 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước ròng mùa khơ) Hàm l ượng TSS (mg/l) Hình B10 Phân b ố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước ròng mùa khơ) Hình C1 Quan hệ TSS (mg/l) M ực nước (m), trạm B1/8.2009 Hình C2 Quan hệ TSS (mg/l) Độ Muối, trạm B1/8.2009 Hình C3 Quan hệ TSS V ận tốc dòng ch ảy, trạm B1/8.2009 Hình C4 Quan hệ TSS M ực nước, trạm B2/8.2009 Hình C5 Quan hệ TSS Độ Muối, trạm B2/8.2009 Hình C6 Quan hệ TSS V ận tốc dòng ch ảy, trạm B2/8.2009 Hình C7 Quan hệ TSS M ực nước, trạm B3/8.2009 Hình C8 Quan hệ TSS Độ Muối, trạm B3/8.2009 Hình C9 Quan hệ TSS V ận tốc dòng ch ảy, trạm B3/8.2009 Hình C10 Quan hệ TSS M ực nước, trạm B2/3.2009 Hình C11 Quan hệ TSS Độ Muối, trạm B2/3.2009 Hình C12 Quan hệ TSS V ận tốc dòng ch ảy, trạm B2/3.2009 ... hình Ecomsed tính tốn vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sơng ven bi ển Hải Phòng với mục tiêu:đánh giáđược lan truyền trầm tích lơ lửng khu vực cửa sơng ven biển Hải Phòng Qua đó, h ọc viên... mơ hình tính tốn, mơ trầm tích lơ lửng Chương Tính tốn lan truyền trầm tích lơ lửng TSS khu vực cửa sơng ven bi ển Hải Phòng : kết tính tốn, phân tích trường thủy lực lan truy ền trầm tích lơ lửng. .. dụng mơ hình Ecomsed vi ệc tính tốn vận chuyển trầm tích lơ lửng - Mơ ph ỏng trính vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sơng ven bi ển Hải Phòng 1.2 Tiếp cận l ựa chọn phương pháp Hình Chuyển