Triển khai ứng dụng mô hình Ecomsed tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng : Luận văn ThS. Hải dương học : 60 44 97

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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 Chuyên nghành: Hải dương học Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Nguyễn Thọ Sáo Hà Nội, 2012 DANH MỤC NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT - ECOMSED Estuarine Coastal and Ocean Model System with Sediments (HydroQual): Mơ hình mã nguồn mở thủy động lực lan truyền trầm tích ba chiều - ECOM Estuarine Coastal and Ocean Model (USGS): Mơ hình thủy động lực vùng cửa sông ven biển - TSS Total Suspended Sediment: Trầm tích lơ lửng - BODC British Oceanographic Data Centre: Trung tâm tư liệu Hải dương học Vương quốc Anh - TELEMAC phát triển National Hydraulics Laboratory (LNH) - Pháp: Mơ hình áp dụng cho vùng cửa sơng ven bờ, sử dụng lưới tính dạng phần tử hữu hạn - CH3D-SED: Curvilinear Hydrodynamics in Dimensions Suspended Sediment Concentration Model (USCOE-Sediment): mơ hình vận chuyển trầm tích ba chiều - BIAS (ME): Sai số trung bình (cịn gọi điểm BIAS) - RMSE: Sai số phương trung bình bình phương - SED2: Mơ hình vận chuyển trầm tích trung bình theo độ sâu - KH&CN: Khoa học Cơng Nghệ DANH MỤC HÌNH Trang Hình Chuyển hố lan truyền vật chất cửa sơng ven biển 01 Hình Vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng 03 Hình Khu vực cửa sơng ven biển Hải Phịng 11 Hình Số hóa trường độ sâu bao quanh khu vực nghiên cứu 12 Hình Nhiệt độ khí trung bình tháng từ năm 1990-2007, Hịn Dấu 13 Hình Xu nhiệt khơng khí theo tháng, Hịn Dấu 14 Hình Tổng lượng xạ năm trung bình tháng năm (kwh/m2) 15 Hình Lượng xạ trung bình tháng giai đoạn 1997-2007 (kwh/m2) 15 Hình Lượng mưa thời đoạn trung bình tháng từ 1990 đến 2007 (mm) 16 Hình 10 Lượng mưa thời đoạn trung bình tháng theo năm (mm) 17 Hình 11 Tổng lượng mưa thời đoạn theo năm (mm) 17 Hình 12 Hoa gió thống kê giai đoạn 2000-2011 Hịn Dáu 20 Hình 13 Hoa gió trung bình mùa khơ 2000-2011 Hịn Dáu 21 Hình 14 Hoa gió trung bình mùa mưa 2000-2011 Hịn Dáu 21 Hình 15a Hoa gió mùa khơ, 3/2009 Hịn Dáu 22 Hình 15b Hoa gió mùa mưa, 8/2009 Hịn Dáu 22 Hình 16 Mực nước tính theo hải đồ khu vực Hải phịng 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 Hịn Dáu 28 Hình 19 Nhiệt độ nước trung bình tháng từ năm 1993 đến 2007(oC) 28 Hình 20 Xu nhiệt độ nước theo tháng năm gần (oC) 29 Hình 21 Bản đồ phân bố trầm tích tầng mặt ven biển Hải Phịng 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 sơng Bạch Đằng Lạch Huyện năm 1965 Hình 23 Hiện trạng địa hóa q trình ngưng keo, kết bơng lắng đọng trầm tích khu vực cửa sơng Bạch Đằng Lạch Huyện năm 2008 36 Hình 24 Giới hạn địa hóa q trình ngưng keo - kết lắng đọng 36 22 trầm cửa sông Bạch Đằng Lạch Huyện từ 1965 đến 2008 Hình 25 Sơ đồ khối mơ hình ECOMSED 37 Hình 26 Tiến trình lan truyền trầm tích nhỏ mịn 46 Hình 27 Tương tác Khí - Nước - Trầm tích 46 Hình 28 Ứng suất trượt đáy sóng - dịng chảy 47 Hình 29 Tiềm xói phân lớp theo ngày 47 Hình 30 Khả tái lơ lửng hàm ứng suất trượt đáy 48 Hình 31 Lắng đọng trầm tích kết dính 49 Hình 32 Biểu đồ cho mơ hình trầm tích đáy 50 Hình 33 Tốc độ lắng đọng hàm đường kính cấp hạt trầm tích khơng kết dính 51 Hình 34 Ảnh vệ tinh ALOS chụp ngày 01/3/2008 56 Hình 35 Phạm vi luới tính (Trạm liên tục B1, B2, B3) 57 Hình 36 So sánh kết tính tốn dao động mực từ mơ hình với số liệu quan trắc trạm Hịn Dáu, tháng 8.2009 (mùa mưa) 59 Hình 37 So sánh kết tính tốn dao động mực từ mơ hình với số liệu 60 quan trắc trạm Hịn Dáu, tháng 3.2009 (mùa khơ) Hình 38 So sánh kết dịng chảy quan trắc tính tốn mùa mưa trạm B3 61 Hình 39 So sánh kết dòng chảy quan trắc tính tốn mùa 61 khơ 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 dịng chảy tầng mặt khu vực ven biển Hải Phòng, pha 65 triều lên mùa mưa, 12h-7.8.2009 Hình 43 Trường dịng chảy tầng đáy khu vực ven biển Hải Phòng, pha triều lên mùa mưa, 12h-7.8.2009 65 Hình 44 Trường dịng chảy tầng mặt khu vực ven biển Hải Phòng, nước 67 ròng mùa mưa, 6h-8.8.2009 Hình 45 Trường dịng chảy tầng đáy khu vực ven biển Hải Phòng, nước 67 ròng mùa mưa, 6h-8.8.2009 Hình 46 Trường dịng chảy tầng đáy khu vực ven biển Hải Phịng, triều lên 69 mùa khơ, 22h-9.3.2009 Hình 47 Trường dịng chảy tầng đáy khu vực ven biển Hải Phịng, triều lên mùa khơ, 22h-9.3.2009 69 Hình 48 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt khu vực ven biển Hải Phòng, 72 nước lớn mùa mưa, 14h-17.8.2009 Hình 49 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy khu vực ven biển Hải Phòng, nước lớn mùa mưa, 14h-17.8.2009 72 Hình 50 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt khu vực ven biển Hải Phòng, nước rịng mùa mưa, 3h-18.8.2009 74 Hình 51 Phân bố trầm tích tầng đáy khu vực ven biển Hải Phịng, nước 74 rịng mùa mưa, 3h-18.8.2009 Hình 52 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt khu vực ven biển Hải Phịng, triều lên mùa khơ, 17h-19.3.2009 77 Hình 53 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy khu vực ven biển Hải Phịng, 77 triều lên mùa khơ, 17h-19.3.2009 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng Tốc độ gió trung TB (m/s) số trạm thuộc khu vực Hải Phòng 18 Bảng Một số đặc trưng chế độ gió ven biển 19 Bảng Lưu lượng chảy trung bình sơng Hải Phịng, 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 biển Hải 31 Phịng Bảng Bảng tham số cho khả tái lơ lửng 48 Bảng Hàm lượng trầm tích lơ lửng sơng Hải Phịng năm 2009 63 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 01 1.1 Đối tượng mục tiêu 01 1.2 Tiếp cận lựa chọn phương pháp 01 1.3 Phạm vi nghiên cứu 03 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 03 Chƣơng TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN TỰ NHIỆN TRONG KHU VỰC 10 2.1 Đặc điểm hình thái địa 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 biển 24 2.5 Đặc điểm mơi trường trầm tích khu vực 30 Chƣơng MƠ HÌNH ECOMSED ĐỐI VỚI BÀI TỐN MƠ PHỎNG 37 LAN TRUYỀN TRẦM TÍCH 3.1 Mơ hình ECOMSED 37 3.2 Cơ sở hình thành mơ hình ECOMSED 38 3.3 Mơ hình thủy động lực 41 3.4 Mơ hình sóng 44 3.5 Mơ hình lan truyền trầm tích lơ lửng 45 3.6 Tiêu chuẩn ổn định mơ hình 53 3.7 Hiệu chỉnh mơ hình 54 3.8 Triển khai mơ hình thủy động lực 56 3.9 Triển khai mơ hình lan truyển trầm tích 62 Chƣơng TÍNH TỐN LAN TRUYỀN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG KHU 63 VỰC CỬA SƠNG VEN BIỂN HẢI PHỊNG 4.1 Kết mơ trường thủy động lực 64 4.2 Kết mơ trầm tích lơ lửng vào mùa mưa 70 4.3 Kết mô trầm tích lơ lửng vào mùa khơ 75 KẾT LUẬN 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 81 MỞ ĐẦU Khu vực cửa sơng ven biển Hải Phịng khu vực thuộc vùng trọng điểm phát triển kinh tế phía Bắc, có cảng biển lớn Hải Phịng nằm cạnh khu vực có nhu cầu bảo vệ môi trường 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 tương tác xảy phạm vi gây ảnh hưởng mức Quốc gia Quốc tế nội khu vực khu vực kế cạnh Bên cạnh đó, vấn đề cịn nảy sinh làm liên quan đến trình hoạt động dân sinh - kinh tế tỉnh lưu vực hệ thống sơng Thái Bình sơng Hồng Do đặc tính nằm vùng hạ lưu hệ thống sơng Hồng sơng Thái Bình, vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng có mạng lưới sơng ngịi dày đặc với mật độ khoảng 0,6-0,8 km/km2 Trong có cửa sơng đổ biển cửa Lạch Huyện, Nam Triệu, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc Thái Bình Cùng với vị trí địa lý thuận lợi, sơng khu vực góp phần quan trọng việc phát triển số ngành kinh tế giao thông - vận tải, nuôi trồng khai thác thuỷ hải sản phát triển kinh tế xã hội thành phố Hải Phịng Khu vực cửa sơng ven biển Hải Phịng có vị trí quan trọng sinh thái môi trường hệ thống ven bờ phía bắc với hệ sinh thái đặc thù vùng triều cửa sông, rừng ngập mặn, thảm cỏ biển v.v Tuy nhiên, năm gần phát triển mạnh mẽ kinh tế xã hội nước ta nói chung thành phố Hải Phịng nói riêng làm gia tăng lượng chất gây ô nhiễm (một phần từ nơi khác theo nước sông từ thượng nguồn đưa về, phần hoạt động kinh tế - xã hội địa phương) đưa vào khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng biến khu vực trở thành nơi tập trung lượng lớn chất gây ô nhiễm, gây ô nhiễm vẩn đục môi trường nước Ngoài ra, việc nạo vét luồng tàu vào cảng Hải Phòng diễn năm làm cho chất gây nhiễm tích tụ theo thời gian trầm tích có điều kiện phát tán trở lại môi trường nước Các chất gây ô nhiễm gây ảnh hưởng lớn đến môi trường nước khu vực cửa sơng ven biển Hải Phịng Sự ảnh hưởng tiêu cực đưa qua kết điều tra nghiên cứu gần đây, cho thấy mơi trường nước khu vực có dấu hiệu ô nhiễm nghiêm trọng với số biểu như: hàm lượng chất lơ lửng gây vẩn đục cao, chất dinh dưỡng nước tăng; lượng ơxy hồ tan nước số nơi thấp, xuất số độc tố thể sinh vật với hàm lượng cao v.v Sự ô nhiễm môi trường khu vực không tác động lớn đến hệ sinh thái, làm suy giảm đa dạng trữ lượng nguồn lợi thuỷ sản khu vực cửa sông ven biển, giảm sức hấp dẫn khu du lịch (Đồ Sơn, Cát Bà), ảnh hưỏng đến sức khoẻ người mà gián tiếp ảnh hưởng tới phát triển kinh tế - xã hội thành phố Để tìm hiểu chế đề xuất phương hướng khắc phục, nhằm ổn định mơi trường nước cách bền vững, có nhiều đề tài nghiên cứu tiến hành liên quan đến mơi trường nước khu vực Điển đề tài “Đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn thải lục địa, đề xuất giải pháp kiểm soát, quản lý nhiễm vùng biển ven bờ phía bắc” năm 2001 [3]; đề tài: “Điều tra trạng môi trường sông Rế, sông Giá đề xuất giải pháp bảo vệ” năm 2003 [4]; đề tài: “Điều tra, đánh giá tình trạng nhiễm suy thối mơi trường khu vực cửa sông Cấm - Bạch Đằng đề xuất giải pháp bảo vệ”, Trần Đức Thạnh cộng thực năm 2006 [5] Tuy nhiên, việc đánh giá q trình lan truyền chất gây nhiễm cho tồn khu vực cửa sơng ven biển Hải Phòng hạn chế Bởi phạm vi nghiên cứu nhỏ vùng cửa sông (phần lớn cửa sông Bạch Đằng), số lượng mẫu thu thập nhiều điểm song lấy tức thời, mô biến đổi hàm lượng chất nhiễm dịng chảy sơng đưa ra, dao động mực nước Do cần thiết phải có đánh giá tồn diện đồng nguồn, số lượng chất gây ô nhiễm trầm tích lơ lửng, hữu cơ, dinh dưỡng vào cửa sơng Hải Phịng trước biển (gồm nguồn từ thượng nguồn từ nguồn thải bên bờ sông) Đồng thời, xem xét đánh giá lan truyền trình biến đổi chúng nước vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng để mơ q trình biến đổi, chuyển hố, vận chuyển lan truyền vật chất có chất gây nhiễm như: “Ứng dụng mơ hình chiều để nghiên cứu lan truyền trầm tích lơ lửng vùng biển ven bờ Quảng Ninh” Đinh Văn Ưu nnk năm 2005 [8]; “Nghiên cứu trình động lực học, dự báo vận chuyển bồi lắng bùn cát Lạch Huyện Nam Đồ Sơn trước sau xây dựng cảng nước sâu giải pháp khắc phục” Nguyễn Văn Cư nnk năm 2008 [2]; Vận chuyển trầm tích biến đổi địa hình đáy vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng”, Đinh Văn Ưu năm 2009 [7]; “Nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường đề xuất giải pháp phát triển bền vững khu vực Vịnh Hạ Long - Vịnh Bái Tử Long”, Trần Đức Thạnh [6] Nhờ mà kết mơ kịch dự báo nói diễn biến lan truyền chất gây ô nhiễm ảnh hưởng chúng tới môi trường nước đạt độ xác cao hơn; nguồn thơng tin tham khảo bổ ích cho nhà chun mơn, giúp nhà quản lý hoạch định sách việc quản lý nguồn gây ô nhiễm, hạn chế tác động chúng đến môi trường sinh thái vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng mục tiêu phát triển bền vững Trước thực trạng đó, khn khổ Luận văn Thạc sĩ, học viên Thầy hướng dẫn giao thực đề tài mang tên: Triển khai ứng dụng mơ hình Ecomsed tính tốn vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sơng ven biển Hải Phòng với mục tiêu: đánh giá lan truyền trầm tích lơ lửng khu vực cửa sơng ven biển Hải Phịng Qua đó, học viên xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn - TS Nguyễn Thọ Sáo, thầy khoa Khí Tượng Thủy văn Hải dương học Viện Tài nguyên Môi trường biển - quan nơi học viên công tác, cho phép tạo điều kiện thuận lợi cho học viên hoàn thành nhiệm vụ thân suốt khóa học Thạc sĩ Nội dung chinh Luận văn trình bày theo bố cục sau: Phần mở đầu: Sơ lược nội dung, phương pháp nghiên cứu mục tiêu Chƣơng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: cách thức tiếp cận lựa chọn phương pháp; tình hình nghiên cứu nước, ngồi nước Chƣơng Tổng quan điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu: hình thái địa hình (độ sâu địa hình), khí tượng (nhiệt, xạ, mưa, gió), thủy hải văn (lưu lượng sơng, thủy triều, dịng chảy, sóng), trạng mơi trường trầm tích khu vực nghiên cứu Chƣơng Mơ hình Ecomsed tốn mơ lan truyền trầm tích lơ lửng: tổng quan mơ hình Ecomsed; sở tốn học mơ hình(thủy lực, sóng, trầm tích); cách thức triển khai hiệu chỉnh mơ hình tính tốn, mơ trầm tích lơ lửng Chƣơng Tính tốn lan truyền trầm tích lơ lửng TSS khu vực cửa sơng ven biển Hải Phịng: kết tính tốn, phân tích trường thủy lực lan truyền trầm tích lơ lửng cửa sơng ven biển Hải Phịng Kết luận Hàm lượng TSS (mg/l) Hình B5 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phịng (nước lớn mùa khơ) Hàm lượng TSS (mg/l) Hình B6 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước lớn mùa khơ) Hàm lượng TSS (mg/l) Hình B7 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phịng (triều xuống mùa khơ) Hàm lượng TSS (mg/l) Hình B8 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (triều xuống mùa khơ) Hàm lượng TSS (mg/l) Hình B9 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng mặt (mg/l) khu vực ven biển Hải Phịng (nước rịng mùa khơ) Hàm lượng TSS (mg/l) Hình B10 Phân bố trầm tích lơ lửng tầng đáy (mg/l) khu vực ven biển Hải Phòng (nước rịng mùa khơ) Hình C1 Quan hệ TSS (mg/l) Mực nước (m), trạm B1/8.2009 Hình C2 Quan hệ TSS (mg/l) Độ Muối, trạm B1/8.2009 Hình C3 Quan hệ TSS Vận tốc dịng chảy, trạm B1/8.2009 Hình C4 Quan hệ TSS Mực nước, trạm B2/8.2009 Hình C5 Quan hệ TSS Độ Muối, trạm B2/8.2009 Hình C6 Quan hệ TSS Vận tốc dòng chảy, trạm B2/8.2009 Hình C7 Quan hệ TSS Mực nước, trạm B3/8.2009 Hình C8 Quan hệ TSS Độ Muối, trạm B3/8.2009 Hình C9 Quan hệ TSS Vận tốc dòng chảy, trạm B3/8.2009 Hình C10 Quan hệ TSS Mực nước, trạm B2/3.2009 Hình C11 Quan hệ TSS Độ Muối, trạm B2/3.2009 Hình C12 Quan hệ TSS Vận tốc dòng chảy, trạm B2/3.2009 ... Triển khai ứng dụng mơ hình Ecomsed tính tốn vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sơng ven biển Hải Phòng với mục tiêu: đánh giá lan truyền trầm tích lơ lửng khu vực cửa sơng ven biển Hải Phịng...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG 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... tốn học mơ hình( thủy lực, sóng, trầm tích) ; cách thức triển khai hiệu chỉnh mơ hình tính tốn, mơ trầm tích lơ lửng Chƣơng Tính tốn lan truyền trầm tích lơ lửng TSS khu vực cửa sơng ven biển Hải