Nghiên cứu lan truyền chất ô nhiễm trên mô hình toán hai chiều vùng biển Đồ Sơn – Hải Phòng

Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu, tính toán chất lượng nước vùng biển Đồ Sơn – Hải Phòng trên mô hình toán hai chiều theo một số kịch bản khác nhau về mùa, gió và sóng.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN CHẤT Ô NHI ỄM TRÊN MƠ HÌNH TỐN HAI CHI ỀU VÙNG BIỂN ĐỒ SƠN – HẢI PHÒNG ThS Hồ Việt Cường ThS Nguyễn Mạnh Linh Phòng TNTĐ Quốc gia Động lực học Sơng biển Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu, tính tốn chất lượng nư ớc vùng biển Đồ Sơn – Hải Phòng tr ên m hình tốn hai chiều theo số k ịch khác m ùa, gió sóng S ummary: This paper presents the resear ch results, calculate water quality Do Son - Hai Phong on two-dimens ional mathematical model in a number of different s cenarios on the season, wind and waves I Đ ẶT VẤN Đ Ề * Vùng biển Đồ Sơn khu du lịch khu kinh tế phát triển thành phố Hải Phòng Cùng với trình phát triển kinh tế khu vực nhiễm môi trường nư ớc vấn đề xúc lớn Các t ài liệu nghiên cứu cho thấy rằng, nguồn gây ô nhiễm môi trường vùng biển Đ Sơn – Hải Phòng chất thải cơng nghiệp chất thải đô thị đổ biển Trên địa bàn thành phố Hải Phịng, có khu cơng nghiệp lớn là: Khu công nghiệp M inh Đức, khu công nghiệp Phà Rừng, khu cơng nghiệp Đình Vũ T ại có nhiều nhà máy: X i măng (3 nhà máy), sản xuất hóa chất, nhiệt điện, khí đốt, s ản xuất thép, đóng tàu tập đồn lớn với số lao động tới 50.000 người T ất chất thải khu công Người phản biện: PGS.TS Lê Mạnh Hùng Ngày nhận bài: 09/10/2014 Ngày thông qua phản biện: 19/11/2014 Ngày duyệt đăng: 05/02/2015 nghiệp chư a đư ợc xử lý, đổ vào vùng cửa s ông – ven biển Đồ Sơn – Hải Phịng Đó chưa kể tới mức độ tăng cao dân s ố, thị hóa H ải Phịng Đồ Sơn Chất thải thị, khu dân cư dồn đổ khu vực Vùng biển Đồ Sơn – Hải Phòng cho ta nhiều nguồn lợi để phát triển kinh tế nuôi trồng, đánh bắt thủy hải sản, phát triển du lịch…Tuy nhiên, với việc bảo vệ môi trường cho phát triển kinh tế phải bền vững Chính vậy, cần có nghiên cứu tính tốn mức độ nhiễm mơi trường dự báo q trình lan truyền chất nhiễm khu vực để có giải pháp hướng xử lý thích hợp M hình tốn cơng cụ phổ biến thích hợp để giải vấn đề II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U Đối tượng nghiên cứu Vùng biển Đồ Sơn – Hải Phòng chịu tác động nhiều yếu tố thủy hải văn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ sóng, gió thủy triều Tuy nhiên, nguồn ô nhiễm chủ yếu nguồn thải ven biển mang từ sông Các cửa sơng ảnh hưởng đến vùng nghiên cứu cửa Lạch Huyên, Nam Triệu, cửa Cấm, cửa Lạch Tray phía Bắc Đồ Sơn cửa Văn Úc, cửa Thái Bình phía N am Đồ Sơn Vùng nghiên cứu bao gồm vùng biển Đồ Sơn cử a sơng có khả ảnh hư ởng Các yếu tố nghiên cứu gồm: DO, BOD, NH4+ , NO3- Phương pháp nghiên cứu Do đặc điểm vùng biển vùng nghiên cứu tương đối rộng, chịu tác động yếu tố dịng chảy sơng yếu tố triều ngồi biển nên việc sử dụng cơng cụ mơ hình tốn hai chiều để nghiên cứu phù hợp Hiện có nhiều mơ hình tốn hai chiều ứng dụng nhiều Việt Nam nói chung vùng Đồ Sơn nói riêng M ột số mơ hình kể đến : M hình DELFT 3D - WAQ, mơ hình ECOHAM , mơ hình ECOSM O, mơ hình SM S, mơ hình M ike ECO Lab Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu ứng dụng mơ hình M ike ECO Lad với modul tính toán tổng hợp gồm: M odul Hydrodynamic, Spectral Waves ECO Lab III KẾT Q UẢ N GHIÊN CỨ U VÀ BÀN LUẬN Thiết lập mơ hình Mike ECO Lab a Tài liệu sử dụn g thiết lập tính tốn mơ hình * Tài liệu địa hình - Số liệu độ sâu đường bờ khu vực ven biển thành phố Hải Phịng số hố từ đồ địa hình UTM tỷ lệ 1: 50000 Cục Đo đạc Bản đồ xuất bản, đồ xuất năm 2002 với hệ tọa độ nhà nước VN-2000 Độ sâu khu vực ven biển H ải Phòng, Cát Bà bổ sung cập nhật từ số liệu đo sâu vài năm gần số đề tài dự án khác thực khu vực - Ngồi ra, độ s âu phía ngồi khu vự c ven biển thành phố Hải Phòng lân cận tham khảo bổ sung từ sở liệu địa hình ETOPO5 (Earth Topography - M inute) Trung tâm Tư liệu Địa vật lí Quốc gia M ỹ NGDC (National Geophysical Data Center) GEBCO -1 (G eneral Bathymetric Chart of the Ocean (GEBCO) one minute) Trung tâm tư liệu hải dương học vương quốc Anh (British Oceanographic Data Centre-BODC) * Tài liệu thủy hải văn - Tài liệu mự c nư ớc triều, sóng, gió đư ợc lấy từ số liệu thự c đo trạm khu vự c nghiên u trạm Bạch Long Vĩ Hòn D ấu - Số liệu mực nư ớc, lưu lượng cửa sông lấy từ số liệu thực đo trạm thủy văn cửa sơng tính tốn từ mơ hình chiều kiểm chứng - Số liệu mự c nước triều sóng ngồi khơi lấy từ mơ hình sóng triều Biển Đơng kiểm chứng lấy từ mơ hình triều tồn cầu * Tài liệu chất lư ợng nước - Tài liệu chất lượng nước nguồn gây ô nhiễm đư ợc thu thập từ đề tài, dự án thực trước [2] - Ngồi cịn có tài liệu thực đo nhóm đề tài đo đạc thực [1] TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 KHOA HỌC b Phạm vi tính tốn mơ h ình M hình thuỷ động lực chất lượng nư ớc cho khu vự c cửa sơng ven biển H ải P hịng sử dụng hệ lưới phi cấu trúc (lư ới tam giác) Phạm vi vùng tính mơ hình bao gồm vùng nước cửa s ông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Ú c, T hái Bình, Ba Lạt phía ngồi cử a s ơng mở rộng phía ngồi M iền t ính có kích thư ớc khoảng 70-80 km theo chiều Tây Bắc Đông N am 115 km theo chiều Đông Bắc - Tây Nam, với diện t ích mặt nước khoảng 6000 km CÔNG NGHỆ c Thiết lập lưới địa hình tính tốn Căn vào phạm vi mơ hình, hệ thống lưới đảm bảo u cầu sau: - K hu vự c t rong sông địa hình biến đổi gấp đư ợc chia lư ới chi t iết khu vự c khác - Khu vực địa hình ven bờ mơ chi tiết khu vực xa bờ - M ô đầy đủ hệ thống đảo Vùng nghiên cứu chia với lưới tam giác vơi 16200 nút tính, kích thước ô lưới biển biến đổi từ 200 m đến 500 m s ông từ 50 m đến 100 m Địa hình mơ tr ên 2D Lưới tính tốn khu vực nghiên cứu Hình 1: Lưới tính tốn địa hình khu vực nghiên cứu d Thiết lập điều ki ện biên - Biên biển: Biên phía biển bao gồm phía tây nam, đơng nam đông bắc Các biên gồm số liệu mực nước triều thơng số sóng, tính tốn từ mơ hình triều Biển Đơng tính tốn từ mơ hình triều tồn cầu - Biên cửa sơng: khu vực ven biển thuộc vùng nghiên cứu có nhiều cửa sông chịu ảnh hưởng đặc biệt sơng hệ thống sơng Thái Bình Do tính tốn thủy lực chất lượng nước khu vực nghiên cứu cần tính tốn đến yếu tố từ sông chảy Các số liệu lưu lượng chất lượng nước từ sông Đá Bạch, Lạc Tray, Cấm, Văn Úc, Thái Bình, Trà Lý Ba Lạt lấy từ trạm thủy văn cửa sông tính tốn từ mơ hình chiều M ike 11 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình a Số liệu hiệu chỉnh kiểm định mơ hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ - Chuỗi số liệu hiệu chỉnh mơ hình: 1/8 – 31/8/2009 - Chuỗi số liệu kiểm định mơ hình: 1/3 – 31/3/2009 - Vị trí hiệu chỉnh kiểm định mơ hình : trạm thủy văn H ịn Dáu số vị trí khác b Kết qu ả hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Các kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình trạm thủy văn Hịn Dấu số vị trí khác tổng kết hình vẽ bảng biểu sau: Mực nước tính tốn thực đo 3/2009 Mực nước tính tốn thực đo 8/2009 Hình 2: Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Hịn Dấu Để đánh giá hiệu chỉnh cho mơ hình thuỷ động lực khu vực sơng ven biển Hải Phịng, chúng tơi sử dụng kết tính tốn mực nước mơ hình Hòn Dáu so sánh với mực nư ớc bảng thủy triều tháng tháng năm 2009 Sau lần hiệu chỉnh cuối, kết so sánh đưa trình bày với hệ số tương quan tương ứng 0,97 0,96 Theo bảng 2, đánh giá so sánh giá trị vận tốc lớn vận tốc trung bình giữ a thực đo tính tốn vị trí khác q trình hiệu chỉnh kiểm định cho kết tương đối phù hợp, sai số lớn khoảng 0,2 m/s sai số nhỏ khoảng 0,03 m/s Các s số mực nước vận tốc tương đối tốt chấp nhận điều kiện địa hình khu vực tính phức tạp biên độ dao động mự c nước lớn khu vực ven biển Hải Phòng Số liệu chất lượng nư ớc nhiều hạn chế nên việc hiệu chỉnh yếu tố chất lượng nước gặp nhiều khó khăn Do đó, với kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thủy lực đạt được, sử dụng mơ hình tính tốn dự báo lan truyền ô nhiễm chất lượng nước theo kịch khác Kết nghiên cứu bàn luận a Kịch nghiên cứu Các kịch tính tốn lan truyền nhiễm chất lượng nước gồm kịch đặc trưng mùa mưa điều kiện gió mùa đơng nam mùa khơ điều kiện gió mùa đơng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 KHOA HỌC bắc Thời gian mô năm 2005, cụ thể sau: - Kịch mùa mưa: 1/9 – 30/9/2005 - Kịch mùa khô: 1/2 – 15/3/2005 Số liệu chất lượng nước số liệu đo đạc nguồn điểm xả thải khu vực biển Đồ Sơn – Hải Phòng biên sông đổ tương ứng với mùa mưa mùa khô năm 2009 Các số liệu áp CÔNG NGHỆ vào chế độ thủy hải văn mùa mưa mùa khơ năm điển hình 2005 để tính tốn xác định khả lan truyền nhiễm khu vự c biển Đồ Sơn – Hải Phòng b Kết nghiên cứu M ột số kết tính tốn thủy lực chất lượng nước khu vự c nghiên cứu hình vẽ bảng biểu dư ới đây: Phân bố vận tốc khu vực nghiên cứu Phân bố vận tốc khu vực nghiên cứu mùa mưa mùa khơ Hình 3: Một số kết tính tốn thủy lực theo kịch Phân bố BOD mùa mưa sau 10 ngày Phân bố BOD mùa khơ sau 10 ngày TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Phân bố NH4 + mùa mưa sau 10 ngày + Phân bố NH4 mùa khơ sau 10 ngày Hình 4: Một số kết tính tốn chất lượng nước theo khơng gian Q trình thay đổi nồng độ chất ô nhiễm số vị trí từ VT1 đến VT10 theo thời gian hình vẽ s au: Quá trình suy giảm DO thời gian mùa khơ Q trình thay đổi BOD thời gian mùa khơ Q trình thay đổi NH4 + thời gian Quá trình thay đổi NO3- thời gian mùa khơ mùa khơ Hình 5: Một số kết tính tốn chất lượng nước theo thời gian mùa khơ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 KHOA HỌC c Nhận xét, đánh giá Q ua kết t rình bày t rên, nhóm nghiên u có vài nhận xét s au: - Về mực nước, vận tốc: Vào mùa mưa, với hướng gió thịnh hành hướng Tây Nam, vận tốc gió trung bình khoảng m/s, vận tốc gió lớn có lúc lên đến 24 m/s chiều cao sóng lớn khoảng m, mực nước triều lớn khu vực nghiên cứu khoảng 1.8 – 1.9 m, với biên độ triều từ 3.5 -3.6 m Vận tốc dòng chảy lớn khu vực biển Đồ Sơn từ 0.2 0.5 m/s, vận tốc dịng chảy khu vực phía Đơng Bắc Đ Sơn tức khu vực cửa Nam Triệu Lạch Huyện có xu hướng lớn khoảng 0.8 -1.0 m/s Vận tốc dịng chảy phía Tây Nam Đồ Sơn có xu hư ớng lớn phía Đơng Bắc Đồ Sơn Vào mùa khơ, với hướng gió thịnh hành hướng Đơng Bắc, vận tốc trung bình gần m/s, vận tốc lớn khoảng 15 m/s chiều cao sóng lớn khoảng m/s, mực nước triều lớn khu vực nghiên cứu khoảng 2.1 – 2.2 m với biên độ triều từ 4.0 4.2 m Vận tốc dòng chảy khu vực nghiên cứu từ 0.3 – 0.5 m/s Vận tốc dòng chảy khu vưc xung quanh Đồ Sơn phân bố tương đối đồng đều, khơng có nhiều chênh chênh lệch phía Tây Nam Đông Bắc - Về chất lượng n ước: + Mức độ ô nhiễm chất lượng nư ớc thể qua suy giảm nồng độ oxy hòa tan (DO), nồng độ DO dao động từ – 5.2 mg/l mùa mư a từ 5.5 – 7.4 mg/l mùa khô điểm xung quanh khu vực biển Đồ Sơn M ức độ suy giảm nồng độ DO cịn thấy CƠNG NGHỆ rõ theo khơng gian quanh khu vự c Đồ Sơn s au ngày 10 ngày tính tốn Nồng độ DO thời điểm đỉnh triều, chân triều khác có biến động q trình triều có suy giảm dần Theo QCVN08:2008/BTNM T nồng độ DO nằm mức độ giới hạn B1 A2, sử dụng nư ớc cho thủy lợi + Nhu cầu oxy hóa học BOD5 : Trong mùa mưa BOD biến động từ 0.3 – 2.3 mg/l, mùa khô từ 0.006 – 0.08 mg/l Nồng độ BOD lớn chủ yếu cửa sông cửa Lạch Tray cử a Cẩm phía Đơng Bắc Đồ Sơn cửa Văn Úc phía Tây Đồ Sơn Sự thay đổi triều làm cho BOD biến động theo Theo QCVN08:2008/BTNMT nồng độ BOD nằm mức độ giới hạn cho phép + + Nồng độ chất dinh dưỡng NO3 NH4 : Trong mùa mưa nồng độ NH4 thay đổi từ 0.02 – 0.135 mg/l, mùa khơ từ 427 – 5440 µg/l; NO3 biến đổi mùa mưa từ 0.037 – 0.148 mg/l, mùa khơ từ 423 – 6633 µg/l Sự phân bố về mức độ ô nhiễm chủ yếu tập trung khu vự c cửa sơng Theo QCVN08:2008/BTNM T nồng độ NO3 NH4 nằm mức độ giới hạn cho phép IV KẾT LUẬN Nhóm nghiên cứu xây dựng xây dựng thành cơng mơ hình thủy lực chất lượng nước cho khu vự c biển Đồ Sơn – H ải Phòng áp dụng tính tốn thử nghiệm với hai kịch đặc trưng cho vùng nghiên cứu kịch mùa mưa ảnh hưởng gió mùa Tây Nam mùa khơ ảnh hư ởng gió mùa Đơng Bắc TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Trong báo cáo đánh giá sơ đặc trưng chất lượng nước DO, BOD, NH4+ NO3- Qua kết tính tốn nhận thấy mức độ ô nhiễm giảm dần từ cửa sơng biển, tập trung chủ yếu hai phía Đồ Sơn cửa Nam Triệu, Lạch Huyện phía Đơng khu vực cửa Văn Ú c phía Tây Đồ Sơn Trong mùa mưa nhận thấy mức độ ô nhiễm có phần tác động so với mùa khơ Trong kết nghiên cứu cịn có hạn chế chư a có đầy đủ số liệu chất lượng nước phục vụ cho trình hiệu chỉnh mơ hình chất lượng nước nên kết mang tính dự báo xu thế, nghiên cứu có đầy đủ số liệu hơn, mơ hình s ẽ hồn thiện có kết tính tốn dự báo xác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] Hồ Việt Cư ờng, đề tài KC.08 “N ghiên u s khoa học đề xuất giải pháp nhằm cải thiện tượng nước đục vùng biển Đ Sơn, t hành phố H ải P hịng ”, 2014-2015 Đỗ Trọng Bình, N ghiên cứu đánh giá lan truyền chất ô nhiễm khu vực cửa s ơng ven biển Hải Phịng mơ hình toán học, 2009-2010 Nguyễn Đức Cự, Đánh giá tác động đập chứa thượng nguồn đến diễn biến hình thái tài nguyên môi trư ờng vùng cử a sông ven bờ đồng Bắc Bộ, 2009-2011 Trần Đứ c Thạnh, N ghiên cứu dự báo phòng chống s ạt lở bờ biển Bắc Bộ từ Quang Ninh tới Thanh Hóa KHCN -5A , 1999-2000 Cao Thị Thu Trang, Đánh giá sứ c tải môi trường đảo Cát Bà đề xuất giải pháp phát triển bền vững, 2006-2008 Cao Thị Thu Trang, Đ ánh giá khả tích tụ phân tán chất nhiễm vùng cửa sông ven biển Việt Nam, 2007-2008 Cao Thị Thu Trang, Đánh giá sứ c tải môi trư ờng s ông Bạch Đằng đề xuất giải pháp bảo vệ môi trư ờng, phát triển bền vững”, 2008-2009 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 25 - 2015 ... N am Đồ Sơn Vùng nghiên cứu bao gồm vùng biển Đồ Sơn cử a sơng có khả ảnh hư ởng Các yếu tố nghiên cứu gồm: DO, BOD, NH4+ , NO3- Phương pháp nghiên cứu Do đặc điểm vùng biển vùng nghiên cứu tương... khả lan truyền nhiễm khu vự c biển Đồ Sơn – Hải Phòng b Kết nghiên cứu M ột số kết tính tốn thủy lực chất lượng nước khu vự c nghiên cứu hình vẽ bảng biểu dư ới đây: Phân bố vận tốc khu vực nghiên. .. định mơ hình thủy lực đạt được, sử dụng mơ hình tính tốn dự báo lan truyền ô nhiễm chất lượng nước theo kịch khác Kết nghiên cứu bàn luận a Kịch nghiên cứu Các kịch tính tốn lan truyền nhiễm chất