Chế độ thủy động lực và trao đổi nước khu vực đầm Nại, tỉnh Ninh Thuận

Bài viết này trình bày các kết quả nghiên cứu về đặc điểm chế độ thủy động lực và trao đổi nước tại khu vực đầm Nại, tỉnh Ninh Thuận và tác động của sự thay đổi hệ thống kè trên cơ sở mô phỏng bằng mô hình số trị.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển; Tập 16, Số 1; 2016: 46-53 DOI: 10.15625/1859-3097/16/1/8020 http://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC VÀ TRAO ĐỔI NƯỚC KHU VỰC ĐẦM NẠI, TỈNH NINH THUẬN Phạm Hải An1*, Nguyễn Văn Quân1, Phạm Văn Tiến2 Viện Tài nguyên Môi trường biển-Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu * E-mail: anph@imer.ac.vn Ngày nhận bài: 13-2-2015 TĨM TẮT: Bài báo trình bày kết nghiên cứu đặc điểm chế độ thủy động lực trao đổi nước khu vực đầm Nại, tỉnh Ninh Thuận tác động thay đổi hệ thống kè sở mơ mơ hình số trị Mơ hình chiều MIKE áp dụng, mơ hình thiết lập, kiểm chứng với số liệu mực nước thực đo Tính tốn thiết lập với kịch tháng tháng 10 (đại diện cho mùa khô mùa mưa khu vực) Các kết mô cho thấy biên độ triều tháng 10 lớn tháng Tốc độ dòng chảy trung tâm đầm nhỏ, trung bình khoảng cm/s, lớn khơng vượt q cm/s Chế độ trao đổi nước đầm Nại biển có khác mùa mưa mùa khơ Ảnh hưởng thay đổi kích thước hệ thống kè đến chế độ thủy động lực trao đổi nước đầm Nại phân tích, đánh giá báo Từ khóa: Mơ hình, thủy động lực, đầm Nại, Ninh Thuận MỞ ĐẦU Đầm Nại bao bọc xã Hộ Hải, Tân Hải, Trí Hải thị trấn Khánh Hải (thuộc huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận) đầm nhỏ thuộc hệ thống đầm hồ ven biển miền Trung, Việt Nam với diện tích 7,6 × 106 m2 chu vi 18 km; dạng đầm nơng, địa hình đáy đầm phẳng, vùng triều chiếm khoảng 2/3 diện tích đáy, độ sâu trung bình 2,8 m nằm cách bờ biển đoạn 2,2 km Đầm Nại trao đổi nước với biển thông qua kênh nhỏ, hai đầu kênh rộng 150 m, kênh rộng lên đến 300 m (http://www.ninhthuan.gov.vn/) Đáng ý khả trao đổi nước đầm Nại với biển thông qua kênh nhỏ Mọi thay đổi chế độ thủy động lực tương tác đầm biển khả tiếp nhận, khả tích lũy vật chất tác động mạnh đến chất lượng môi trường nước hệ sinh thái 46 đầm Nhất bối cảnh tại, đầm Nại chịu sức ép ô nhiễm môi trường sinh thái nguồn thải đến từ hoạt động nuôi trồng thủy sản, dân cư, nơi cư trú, tầu thuyền phát triển mạnh đổ vào đầm Để đóng góp cho việc trì phục hồi chất lượng mơi trường nước đầm, báo đưa kết nghiên cứu chế độ thủy động lực, khả trao đổi nước khu vực đầm Nại hai mùa theo kịch khác TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tài liệu Bài báo sử dụng số liệu khảo sát hai mùa thuộc đề tài: “Nghiên cứu giải pháp phục hồi hệ sinh thái đầm, hồ ven biển bị suy thoái ven biển miền Trung” mã số Chế độ thủy động lực trao đổi nước … KC.08.25/11-15, bao gồm: số liệu địa hình, khí tượng (gió, nhiệt độ bề mặt), số liệu thủy động lực (mực nước, dòng chảy, sóng, nhiệt độ, độ muối) hai mùa: mùa khô vào tháng 7/2013 mùa mưa vào tháng 10/2013 kết hợp với: Số liệu địa hình vùng ven bờ với độ sâu, đường bờ số hoá từ đồ địa hình UTM tỷ lệ 1:50.000 Cục Đo đạc Bản đồ xuất bản; vùng xa bờ bổ sung từ sở liệu địa hình ETOPO-1 thuộc Trung tâm Tư liệu Địa vật lý Quốc gia Mỹ (National Geophysical Data Center) GEBCO-30 Trung tâm tư liệu Hải dương học vương quốc Anh (British Oceanographic Data Centre BODC) [1-3] Các nguồn số liệu địa hình quy mốc cao độ quốc gia Số liệu gió áp dụng mơ hình số liệu gió trung bình tháng nhiều năm tháng tháng 10 trạm khí tượng Cam Ranh, số liệu tương tác biển khí lấy sở số liệu COADS (Comprehensive Ocean Atmosphere Data Set) [3] Phương pháp MIKE Phương pháp mơ hình hóa sử dụng nghiên cứu này, mơ hình ứng dụng mơ hình MIKE Mơ hình thủy động lực MIKE mơ hình chiều phát triển Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), phục vụ tính tốn thủy động lực cho khu vực có địa hình phức tạp đại dương, vùng biển ven bờ, cửa sông hồ, cho phép mô chi tiết hệ thống thuỷ động lực có tính đến ảnh hưởng phân tầng mật độ, nhiệt độ, độ muối tác động yếu tố khí tượng biển (khí áp gió mặt) [5] Hệ phương trình Hệ phương trình tốn học MIKE bao gồm phương trình bảo tồn vật chất, phương trình phương trình Navier - Stockes trung bình hóa theo phương pháp Raynol khơng gian chiều bao gồm ảnh hưởng xáo trộn biến thiên mật độ, với phương trình vận chuyển độ muối nhiệt độ Số liệu biên mực nước sử dụng mơ hình tính tốn từ số điều hòa tồn cầu cung cấp mơ hình MIKE Phương trình liên tục Số liệu WOA2013 (World Ocean Atlas 2009) nhiệt độ, độ muối nước biển theo tầng sâu sử dụng cho biên phía ngồi [7] x u  t v t u  x  v y  vu  w u  fv  g  u  g y z x  x 0 uv wv  pa g x  z   fu  g  y Các biến: t thời gian; x, y, z hướng hệ tọa độ Đề các;  mực nước bề mặt; d độ sâu nước yên tĩnh; h=η+d tổng độ sâu cột nước; u, v, w thành phần vận tốc theo hướng x, y, z; f=2ΩsinΦ tham số Coriolis (  vận tốc góc quay Trái đất, Φ vĩ độ địa lý); g gia tốc trọng trường; ρ mật độ nước; sxx, sxy, syx, syy thành phần tensor ứng suất; t nhớt rối theo phương thẳng đứng; pa áp suất khí quyển; ρo  w y S z (1) Phương trình chuyển động u v theo phương x y pa  v   y  0  p  x dz  F u  z z  p  y dz  F v z    z (Vt (Vt u z v z )  us S (2) )  vs S (3) mật độ tiêu chuẩn nước; S lưu lượng trao đổi từ điểm nguồn (us,vs) tốc độ trao đổi nước vùng xung quanh; Fu , Fv thành phần ứng suất theo phương ngang; ( sx,  sy ) ( bx,  by) thành phần theo hướng x,y ứng suất gió bề mặt ứng suất đáy Phương trình vận chuyển muối nhiệt Cơng thức tính vận chuyển nhiệt: 47 Phạm Hải An, Nguyễn Văn Quân, …  T  uT  vT  wT  F   D T T  t x y y z z   H  T S s (6) Cơng thức tính vận chuyển muối: s  us  vs  ws  F   D s  H   s sS s  t x y y z z   (7) Trong s độ muối T nhiệt độ, D  hệ số hệ số khuếch tán rối thẳng đứng H trao đổi nhiệt với khí T s ss nhiệt độ độ muối nguồn FT, Fs tham số khuếch tán nhiệt độ độ muối theo phương ngang Điều kiện biên điều kiện ban đầu Điều kiện biên: biên mở khơi giá trị mực nước triều cập nhật (số liệu phân tích điều hồ), T, s cho theo giá trị trung bình nhiều năm từ số liệu thu thập được, gió bề mặt gán theo giá trị đặc trưng mùa nhiều năm Điều kiện ban đầu: chạy từ file restar thời điểm trước Miền tính lưới tính Miền tính khu vực đầm Nại thiết lập vùng giới hạn từ 109,0 - 109,140E 11,53 - 11,70N (hình 1) Lưới tính hình tam giác áp dụng mơ hình với kích thước lưới nhỏ khoảng 30 m, lớn khoảng 770 m, độ sâu khu vực nghiên cứu chủ yếu nhỏ 10 m, nơi sâu 40 m a) b) Hình Lưới tính (a) địa hình (b) khu vực đầm Nại kịch trạng Kịch tính tốn: Mơ hình mơ theo kịch bản, với kịch trạng kịch tăng chiều dài hệ thống kè lên gấp lần (cho mùa khô mùa mưa) Kết hiệu chỉnh mô hình Mơ hình hiểu chỉnh theo số liệu mực nước thực đo từ ngày 20 đến 24/10/2013 trạm LT1 (trạm liên tục phía cửa đầm), sai số trung bình tính tốn thực đo 0,7 cm, hệ số tương quan số liệu tính tốn thực đo đạt 0,96 (hình 2, hình 3) Với kết hiệu chỉnh này, mơ hình đủ tin cậy để áp dụng vào mơ q trình thủy động lực khu vực theo kịch trình bày bảng Bảng Các kịch tính tốn Tên kịch 48 Thời gian mô Mô tả điều kiện tính tốn DN1 mùa khơ 2/7 - 2/8/2013 kè trạng, gió mùa Tây Nam DN2 mùa mưa 2/10 - 2/11/2013 kè trạng, gió mùa Đông Bắc DN3 mùa khô 2/7 - 2/8/2013 Kéo dài kè dài gấp lần trạng, gió mùa Tây Nam DN4 mùa mưa 2/10 - 2/11/2013 Kéo dài kè dài gấp lần trạng, gió mùa Đông Bắc Chế độ thủy động lực trao đổi nước … a) Hình Mực nước tính tốn thực đo trạm liên tục b) c) Hình Tương quan mực nước tính tốn thực đotại trạm LT1 KẾT QUẢ TÍNH TỐN VÀ THẢO LUẬN Trường phân bố mực nước Trường mực nước pha triều lên triều xuống kịch tính tốn thể qua hình Kết mơ cho thấy, mực nước hai mùa có phân hóa khác nhau, mực nước tháng 10 (mùa mưa, kịch DN2) lớn tháng (mùa khô, kịch DN1), chênh lệch nhỏ Ngoài có khác phân bố độ lớn mực nước theo không gian ảnh hưởng chế độ gió mùa, chia đầm Nại thành phần theo trục tây bắc-đơng nam, mực nước nửa phía lớn phía vào thời kỳ gió mùa Tây Nam (kịch DN1), mực nước phân bố ngược lại thời kỳ gió mùa Đơng Bắc (kịch DN2) Trong kịch DN3 DN4 thay đổi kích thước kè dài gấp đơi, phân bố trường mực nước khơng thay đổi nhiều, kết tính tốn phân tích thu kết tương tự hai kịch DN1 DN2 d) Hình Trường mực nước tính tốn kịch a) Pha triều lên-DN1, b) Pha triều xuống-DN1, c) Pha triều lên-DN2, d) Pha triều xuống-DN2 49 Phạm Hải An, Nguyễn Văn Quân, … Trường phân bố dòng chảy a) biển Trí Hải, khu vực hội tụ dòng chảy, tạo điều kiện thuận lợi cho trình lắng đọng trầm tích gây nên bồi tụ bùn cát khu vực Tốc độ dòng chảy trung bình cửa đầm (trạm LT1) vào khoảng 13 cm/s Trong khu vực đầm Nại hình thành xốy cục bộ, có xốy nghịch khu vực ven bờ Hộ Hải, Tân Hải có xốy thuận, khu vực giao Tân Hải Trí Hải ven bờ Trí Hải Khu vực trung tâm đầm hình thành vùng phân kỳ dòng chảy phía xốy cục Tốc độ dòng chảy trung bình khu vực trung tâm đầm (trạm LT3) nhỏ, trung bình khoảng cm/s, cực đại khơng vượt q cm/s a) b) b) Hình Trường dòng pha triều lên a) Kịch DN1, (b) Kịch DN2 Dòng chảy khu vực có tính thuận nghịch, thay đổi theo mùa Vào mùa gió mùa Đơng Bắc, dòng chảy có hướng tây nam thường mạnh tháng gió mùa Tây Nam, tốc độ trung bình vào khoảng 15 cm/s Ngược lại vào thời kỳ gió mùa Tây Nam, dòng chảy có hướng đơng bắc, tốc độ trung bình vào khoảng 10 cm/s Bên cạnh đó, dòng chảy khu vực chịu tác động chung hồn lưu Biển Đơng, làm phức tạp hóa chế độ dòng chảy khu vực vùng Kịch DN1: Dòng chảy mang đặc trưng trường dòng chảy gió mùa Tây Nam, dòng chảy tầng mặt lớn tầng sâu Đối với khu vực biển, đặc điểm quan trọng trường dòng chảy hình thành xoáy thuận cục nhỏ khu vực kè bên phải bờ 50 Hình Trường dòng pha triều lên a) Kịch DN3, b) Kịch DN4 Kịch DN2: Dòng chảy mang đặc trưng trường dòng chảy gió mùa Đơng Bắc, gió mùa Tây Nam dòng chảy tầng mặt lớn tầng sâu Đối với khu vực biển, khác với mùa gió mùa Tây Nam, Chế độ thủy động lực trao đổi nước … trường dòng chảy hình thành xốy cục khu vực ven biển thị trấn Khánh Hải, Văn Hải, Mỹ Hải xoáy nghịch nhỏ khu vực mũi kè bên trái Tốc độ dòng chảy trung bình cửa đầm (trạm LT1) vào khoảng 22 cm/s Trong khu vực đầm Nại, xoáy cục đổi chiều so với mùa hè, hình thành xốy thuận khu vực ven bờ Hộ Hải, Tân Hải xoáy nghịch khu vực giao Tân Hải Trí Hải ven bờ Trí Hải Khu vực trung tâm đầm vùng phân kỳ dòng chảy phía xốy cục Tốc độ dòng chảy khu vực trung tâm đầm nhỏ, trung bình nhỏ cm/s, cực đại không vượt 3,5 cm/s Như vậy, thấy trường dòng chảy mùa gió Đơng Bắc lớn mùa gió Tây Nam, khu vực thể rõ nét chênh lệch khu vực trạm LT1 Kịch DN3: Trường dòng chảy có phân bố khơng gian tương đồng với kịch DN1, có thay đổi đáng kể tốc độ Tốc độ dòng chảy trung bình điểm LT1 tăng lên đạt giá trị 23 cm/s, điểm LT3 khơng có thay đổi đáng kể Kịch DN4: Tương tự kết tính tốn kịch DN3, trường dòng chảy kịch DN4 có phân bố khơng gian tương đồng với kịch DN2, có thay đổi đáng kể tốc độ Tốc độ dòng chảy trung bình điểm LT1 giảm xuống 20 cm/s, điểm LT3 thay đổi nhỏ, khơng đáng kể Tính tốn trao đổi nước đầm Nại biển Kết tính tốn trao đổi nước mặt cắt trình bày bảng cho thấy, mặt cắt MC1 MC2 có xu giống nhau, lưu lượng nước vào nhỏ lưu lượng nước mùa mưa ngược lại mùa khô lưu lượng nước vào lớn lưu lượng nước Tại mặt cắt MC3 có xu hướng ngược so với mặt cắt Khi tăng kích thước kè lên gấp đôi, lưu lượng nước vào mặt cắt không bị ảnh hưởng mặt tương quan lưu lượng nước vào bị ảnh hưởng mặt độ lớn Tại mặt cắt MC1, lưu lượng nước vào tăng lên, lưu lượng nước giảm Tại mặt cắt MC2 MC3 có xu hướng ngược lại Bảng Thống kê lưu lượng nước vào đầm Nại theo mặt cắt Lưu lượng nước vào/ra mặt cắt Kịch DN1 DN2 DN3 DN4 Tên mặt cắt MC1 MC2 MC3 MC1 MC2 MC3 MC1 MC2 MC3 MC1 MC2 MC3 Trung bình tháng (x10 m /tháng) Trung bình ngày (x10 m /ngày) Vào Ra Vào Ra 346,0 283,1 201,1 329,2 283,1 169,1 348,1 278,5 198,8 305,6 244,6 151,7 356,9 288,7 169,0 320,1 288,7 190,7 355,7 287,3 169,5 301,0 243,5 181,7 11,6 9,5 6,7 11,0 9,5 5,7 11,6 9,3 6,6 10,2 8,2 5,1 12,0 9,7 5,7 10,8 9,7 6,4 12,0 9,7 5,7 10,1 8,2 6,1 Để đánh giá lượng nước trao đổi đầm Nại biển, chúng tơi tiến hành phân tích tính tốn tỉ lệ trao đổi nước mặt cắt MC1, kết tính tốn trình bày bảng cho thấy tổng lượng nước trao đổi tháng mùa mưa lớn mùa khô kịch trạng kịch thay đổi kích thước kè MC (m ) 660 769 4.284 660 769 4.284 660 769 4.284 660 769 4.284 Ghi Tháng Tháng 10 Tháng Tháng 10 Xét riêng theo mùa, trao đổi nước mặt cắt MC1 có xu hướng trái ngược nhau, thời kỳ mùa mưa lượng nước vào đầm nhỏ lượng nước ra, ngược lại mùa khô lượng nước vào đầm lớn lượng nước Tuy nhiên, thay đổi kích thước kè, ảnh hưởng đáng kể đến trao đổi nước đầm 51 Phạm Hải An, Nguyễn Văn Quân, … Nại biển Trong mùa mưa làm gia tăng lượng nước vào giảm lượng nước ra, mùa khô cho thấy xu hướng giảm chung cho lượng nước vào Bảng Tỉ lệ trao đổi nước đầm Nại biển mặt cắt MC1 Tỉ lệ trao đổi nước (%) Tên kịch Trung bình tháng DN1 DN2 DN3 DN4 Trung bình ngày Vào Ra Vào Ra 17,09 16,31 17,19 15,21 17,60 15,89 17,54 15,00 1,54 1,51 1,54 1,47 1,56 1,50 1,56 1,47 KẾT LUẬN Việc ứng dụng phần mềm MIKE mô chế độ thủy động lực khả trao đổi nước khu vực đầm Nại thuộc tỉnh Ninh Thuận cho kết tốt, thể rõ tính quy luật chung phân bố trường mực nước trường dòng chảy khu vực hai mùa khô mùa mưa Do đầm Nại thông với biển qua kênh nhỏ, nên thay đổi kích thước kè kéo theo thay đổi đáng kể tốc độ dòng chảy lên đến 23 cm/s khu vực cửa đầm Và điều ảnh hưởng đáng kể đến lượng nước trao đổi qua cửa đầm; mùa hè có gia tăng lượng nước vào giảm lượng nước ra; mùa đông tồn xu hướng giảm chung cho lượng nước vào Lời cảm ơn: Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn tới Bộ Khoa học Công nghệ, Viện Tài nguyên Môi trường biển (Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam), Ban chủ nhiệm đề tài trọng điểm cấp Nhà nước KC.08.25.11/15 cho phép sử dụng nguồn số Ghi Tháng Tháng 10 Tháng Tháng 10 liệu đề tài hỗ trợ kinh phí để hồn thành cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html http://www.gebco.net http://icoads.noaa.gov Matsumoto, K., Takanezawa, T., and Ooe, M., 2000 Ocean tide models developed by assimilating TOPEX/POSEIDON altimeter data into hydrodynamical model: a global model and a regional model around Japan Journal of Oceanography, 56(5): 567-581 MIKE 21 & MIKE FLOW MODEL FM, Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation, DHI 2007 http://www.miz.nao.ac.jp/staffs/nao99/index_En.html http://www.nodc.noaa.gov/OC5/WOA09/prwoa09.html HYDRODYNAMIC REGIME AND WATER EXCHANGE IN NAI LAGOON, NINH THUAN PROVINCE Pham Hai An1, Nguyen Van Quan1, Pham Van Tien2 Institute of Marine Environment and Resources-VAST Vietnam Institute of Meteorology, Hydrology and Climate Change ABSTRACT: This study presents the researching results of the characteristics of hydrodynamic regime and the water exchange in Nai lagoon in Ninh Thuan province and the impact of change in 52 Chế độ thủy động lực trao đổi nước … embankment system according to simulation by using numerical models By application of 3dimensional MIKE model, the pattern has been established to verify the data of water levels Calculation is set up in July and in October (representing wet and dry seasons in the region) The simulation results show that in October tidal amplitude is greater than that in July The flow rate in the center of the lagoon is small, an average of about cm/s, the largest not exceeded cm/s Regime of water exchange between Nai lagoon and the sea is differences in the rainy and dry seasons The effect of changes in size of embankment system on hydrodynamic regimes and water exchange of Nai lagoon is also analyzed, evaluated Keywords: Model, hydrodynamic, Nai lagoon, Ninh Thuan 53 .. .Chế độ thủy động lực trao đổi nước … KC.08.25/11-15, bao gồm: số liệu địa hình, khí tượng (gió, nhiệt độ bề mặt), số liệu thủy động lực (mực nước, dòng chảy, sóng, nhiệt độ, độ muối)... ngày Vào Ra Vào Ra 17,09 16,31 17,19 15,21 17,60 15,89 17,54 15,00 1,54 1,51 1,54 1,47 1,56 1,50 1,56 1,47 KẾT LUẬN Việc ứng dụng phần mềm MIKE mô chế độ thủy động lực khả trao đổi nước khu vực đầm. .. nghịch nhỏ khu vực mũi kè bên trái Tốc độ dòng chảy trung bình cửa đầm (trạm LT1) vào khoảng 22 cm/s Trong khu vực đầm Nại, xoáy cục đổi chiều so với mùa hè, hình thành xốy thuận khu vực ven bờ