Mô phỏng quá trình lan truyền vật chất ô nhiễm dưới tác động của các yếu tố động lực tại vịnh cam ranh bằng mô hình số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN …………………… Phan Thành Bắc MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ơ NHIỄM DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐỘNG LỰC TẠI VỊNH CAM RANH BẰNG MƠ HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phan Thành Bắc MƠ PHỎNG Q TRÌNH LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐỘNG LỰC TẠI VỊNH CAM RANH BẰNG MÔ HÌNH SỐ Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Minh Huấn Hà Nội - 2012 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin dành lời bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, giáo khoa Khí tượng, Thủy văn - Hải dương học (trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội) nhà khoa học viện Hải dương học tận tình giúp đỡ, truyền thụ, trao đổi kiến thức chuyên môn tác giả thời gian qua Luận văn hoàn thành nỗ lực làm việc thân cịn có công lớn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Minh Huấn, người không ngừng đôn đốc, động viên truyền thụ kiến thức Tác giả xin gửi lời biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới ThS Nguyễn Chí Cơng tất cán nghiên cứu phịng Vật Lý Biển nói riêng, Viện Hải Dương học – nơi tác giả cơng tác nói chung, giúp đỡ nhiệt tình nguồn số liệu sử dụng Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến dự án “Nghiên cứu khả tự làm sạch, đề xuất giải pháp nhằm bảo vệ cải thiện chất lượng môi trường đầm Thủy Triều - vịnh Cam Ranh” PGS.TS Bùi Hồng Long ThS Nguyễn Hữu Huân đồng chủ nhiệm, cho phép sử dụng nguồn số liệu phục vụ cho luận văn Suốt trình học tập nghiên cứu luận văn, tác giả giúp đỡ từ dự án chống biến đổi khí hậu CLIMEEViet, hợp tác nghiên cứu Viện Hải Dương học với phủ Đan Mạch, mà đứng đầu PGS.TS Nguyễn Ngọc Lâm Tác giả xin trân trọng cảm ơn dự án tài trợ mặt kinh phí, thiết bị hỗ trợ nghiên cứu nguồn số liệu tham khảo vơ q giá Qua đây, tác giả xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thân tình bạn bè, thân hữu trình học tập nghiên cứu trường Đại học Khoa học tự nhiên MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG MƠ HÌNH SỐ TRỊ 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu giới 1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 1.2 MIKE 21 HD 1.2.1 Cơ sở toán học 1.2.2 Phương pháp số 12 1.3 MÔĐUN ECOLAB 16 1.3.1 Cơ sở lý thuyết 16 1.3.2 Ơxy hịa tan (DO) nhu cầu ơxy sinh hóa (BOD) 17 1.3.3 Các hợp phần Nitơ 21 1.3.4 Hợp phần Photpho 23 CHƯƠNG TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU 25 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 25 2.1.1 Vị trí địa lí 25 2.1.2 Đặc điểm gió 25 2.1.3 Đặc điểm thủy, hải văn 26 2.1.4 Đặc điểm nhiệt - muối 28 2.1.5 Đặc điểm dòng chảy 28 2.1.6 Đặc điểm thủy triều dao động mực nước 29 2.2 ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - XÃ HỘI 30 2.3 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG VỊNH CAM RANH 31 2.3.1 Các nguồn thải 31 2.3.2 Chất lượng nước vịnh Cam Ranh 32 CHƯƠNG ÁP DỤNG MƠ HÌNH VÀ KẾT QUẢ 33 3.1 THIẾT LẬP CÁC THƠNG TIN ĐẦU VÀO CHO MƠ HÌNH 33 3.1.1 Thu thập số liệu 33 3.1.2 Địa hình đáy 36 3.1.3 Thiết lập lưới tính 36 3.1.4 Điều kiện biên điều kiện ban đầu 38 3.2 HIỆU CHỈNH MƠ HÌNH 41 3.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 44 3.3.1 Kết tính tốn cho mùa khơ 44 3.3.2 Kết tính tốn cho mùa mưa 73 3.4 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ Ô NHIỄM .105 KẾT LUẬN 123 KIẾN NGHỊ 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 MỞ ĐẦU Trong năm gần , khu vưcc̣ đầm thuỷtriều đứng trước nguy ô nhiêmm̃ nguồn nước Đầm Thủy Triều nằm vịnh Cam Ranh, thuộc địa bàn huyện Cam Lâm thành phố Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa Nơi phong phú đa dạng số lượng trữ lượng thủy sản Trong tương lai, đầm Thủy Triều mắt xích quan trọng việc phát triển du lịch tỉnh Khánh Hòa vịnh Cam Ranh tỉnh quy hoạch thành trung tâm du lịch biển tầm cỡ quốc gia quốc tế đến năm 2025 Theo nhận định người dân nơi đây, vịng gần chục năm nay, tơm, cá loại nghêu, ốc đầm thường chết hàng loạt, chí “sống dai” lồi sá sùng biển (gọi trùn biển) phải chết trắng đầy đầm, môi trường đầm ngày trở nên ngột ngạt, đục ngàu, nước đầm có mùi thối nồng nặc theo thời gian làm cho hệ sinh thái đầm bị biến dạng, nguồn lợi thủy sản khơng cịn Do vậy, việc đánh khai thác nguồn lợi đầm khơng cịn hiệu quả, đời sống nhân dân lại khốn khó Mơṭtrong ngun nhân gây nhi ễm đầm nhà máy đường Cam Ranh Trong quátrinh̀ vâṇ hành nhàmáy , khối nước thải từ nhàmáy sau đươcc̣ xử lí sẽ đổ đầm qua cống xả thải Các kết từ phân tích mẫu nước vị trí cống xả thải khu vực xung quanh nhà máy ghi nhận vượt ngưỡng thông sốmôi trường xung quanh khu vưcc̣ Khi khối nước thải đươcc̣ xảra đầm , q trình thuỷ động lực (dịng chảy, gió, q trình xáo trộn ,…) làm khuếch tán chất đồng thời mang khối nước thải lên phiá bắc hay xuống phiá nam theo dòng chảy triều lên vàt riều xuống Vì vâỵ, trình động lực khu vực đóng vai trị quan trọng việc phân bố, truyền tải, pha loangm̃, làm vùng đầm thuỷ triều Môṭtrong cach tiếp câṇ đểnghiên cưu sư ac̣ nh hương cua k ́́ thải từ nhà máy đường sử dụng mơ hình tính tốn để tính tốn mơ q trình vật lý (dịng chảy ) mơ hình sinh hố diễn khu vưcc̣ đầm cósư tc̣ ác đơngc̣ khối nước thải Các kết tính tốn từ mơ hình kết hơpc̣ vơi sốliêụ khao sat co thểmô phong môṭcach liên tucc̣ vềcac qua trinh đôngc̣ ́́ lưcc̣ va qua trinh truyền tai vâṭchất cung mô phong cac kicḥ ban khac ́̀ ́́ điều k iêṇ đôngc̣ lưcc̣ khac va điều kiêṇ xa thai khac ́m̃ kịch ô nhiễm khác giúp nhà quản lý phản ứng hơn, hiêụ qua chiến lươcc̣ đểquy hoacḥ , khai thac môṭcach hiêụ qua tai nguyên khu vưcc̣ viêcc̣ kiểm soat va điều tiết cac nguồn thai hơpc̣ ly Nhận thức mức độ cấp thiết vấn đề môi trường vịnh Cam Ranh, học viên lựa chọn hướng nghiên cứu với đề tài: “Mơ q trình lan truyền vật chất ô nhiễm tác động yếu tố động lực vịnh Cam Ranh mơ hình số” để mơ số vật chất có khả ảnh hưởng đến chất lượng mơi trường Có nhiều kỹ thuật đánh giá mức độ nhiễm nước dựa vào giá trị thông số chọn lọc Các kỹ thuật sử dụng số để thực mức độ ô nhiêmm̃ Trong đócóthểnêu mơṭsốchỉsốđang đươcc̣ cơng nhâṇ nhiêmm̃ dinh dươ ng (NPI) ́m̃ chlorophyll, đô c̣dâñ điêṇ vàđô c̣đucc̣ Chỉ số ô nhiễm hữu (OPI) dưạ vào thông sốBOD , COD, nhiêṭđơ c̣vàDO Với nguồn số liệu có từ số đề tài thực Viện Hải dương học đề tài cấp Cơ sở phịng Vật lý biển, phịng Thủy địa hóa, đề tài cấp Viện Khoa học Công nghệ, Các Dự án hợp tác quốc tế, tác giả sử dụng gói phần mềm MIKE 21 HD, ECO Lab để mô trình lan truyền số vật chất gây ô nhiễm từ nguồn thải khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản khu dân cư mùa: mùa mưa mùa khô Trong khuôn khổ luận văn, mục tiêu học viên tính tốn, mơ phỏng, đưa tranh trình động lực trình truyền tải vật chất gồm BOD , DO, NO3-, PO4+, NH3+ Môṭkicḥ mô sư c̣lan truyền vâṭchất ô nhiêmm̃ với giả thiết có gia tăng cực đại nồng đô c̣các chất gây ô nhiêmm̃ t số liệu thực đo ́̀ ́̉ cống xả thải công suất tính thời điểm khảo sát từ nguồn thải khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản khu dân cư đểcóthểđánh giámức lc̣ an truyền ảnh hưởng vật chất tới chất lượng nước bãi tắm khu vực Cam Ranh Các kết nghiên cứu luâṇ văn góp phần bổsung thêm thông tin khoa hocc̣ vềnhững nghiên cứu , đánh giávai trịvàsư tc̣ ác đơngc̣ t nguồn thải khu công nghiệp, nuôi trồng thủy sản khu dân cư tác động ngược lại khu vực nuôi trồng thủy sản, du lịch sinh thái bãi tắm CHƯƠNG MƠ HÌNH SỐ TRỊ 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu giới Sử dụng mơ hình số để tính tốn, mô phỏng, đánh giá chất lượng môi trường nước khu vực gần bờ, khu bãi tắm, khu nuôi trồng thủy sản thực phổ biến giới Tùy thuộc vào đối tượng mục đích nghiên cứu, việc áp dụng loại mơ hình tính tốn khác Có thể liệt kê số mơ hình thường áp dụng để đánh giá chất lượng nước giới Mơ hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) mơ hình xây dựng dựa mơ hình trước (WASP – xây dựng Di Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 1988) Mơ hình sử dụng để mơ tả dự báo chất lượng nước giúp nhà quản lý đưa định, giải pháp đối phó với tượng ô nhiễm tự nhiên người Mơ hình cho phép người sử dụng áp dụng khơng gian 1D mô tựa 2D 3D cách chia hộp với đa dạng thành phần chất nhiễm Mơ hình WASP liên kết với mơ hình thủy động lực vận chuyển trầm tích để thu trường dòng chảy, nhiệt độ, độ muối thơng lượng trầm tích Mơ hình WASP sử dụng để mơ q trình yếm khí vịnh Tampa; Cung ứng Photpho cho hồ Okeechobee; Quá trình yếm khí cửa sơng Neuse River; Ơ nhiễm vật chất hữu dễ phân hủy cửa sông Delaware, ô nhiễm kim loại nặng sông Deep, bắc Carolina Mô hình AQUATOX mơ hình mơ hệ sinh thái thủy sinh Mơ hình dự báo q trình suy tàn nhiều loại chất gây nhiễm môi trường dinh dưỡng, hóa học hữu cơ, ảnh hưởng chúng lên hệ sinh thái, bao gồm lồi cá, động vật khơng xương sống lồi thực vật thủy sinh AQUATOX công cụ hữu hiệu cho nhà môi trường học, sinh học, nhà mơ hình hóa chất lượng nước cần quan tâm tới việc đánh giá rủi ro suy giảm hệ sinh thái thủy sinh SBC DLCL DTCL 112 Hình 3.66: Biểu đồ biểu diễn giá trị cực đại, cực tiểu trung bình yếu tố tính tốn vị trí tuyến điểm, tháng 05/2011, thời kỳ mùa khô, kỳ triều cường 113 114 Hình 3.67: Biểu đồ biểu diễn giá trị cực đại, cực tiểu trung bình yếu tố tính tốn vị trí tuyến điểm, tháng 05/2011, thời kỳ mùa khô, kỳ triều kiệt 115 116 117 Hình 3.68: Biểu đồ biểu diễn giá trị cực đại, cực tiểu trung bình yếu tố tính tốn vị trí tuyến điểm, tháng 10/2011, thời kỳ mùa mưa, kỳ triều cường 118 119 Hình 3.69: Biểu đồ biểu diễn giá trị cực đại, cực tiểu trung bình yếu tố tính tốn vị trí tuyến điểm, tháng 10/2011, thời kỳ mùa mưa, kỳ triều kiệt 120 121 122 KẾT LUẬN Qua kết thu từ mơ hình tính tốn, sở phân tích, thống kê, tác giả đưa số kết luận sau: - Việc sử dụng gói cơng cụ MIKE đáp ứng mục tiêu nội dung đặt luận văn Các kết tính tốn từ mơ hình mơ q trình dịng chảy, q trình lan truyền chất gây ô nhiễm khu vực vịnh Cam Ranh từ nguồn thải - Dòng chảy khu vực vịnh Cam Ranh chủ yếu dòng triều chịu tác động chế độ gió mùa khu vực Trường phân bố dòng chảy từ cửa vịnh truyền vào chi làm hai hướng từ đơng nam lên phía bắc truyền vào đầm thủy triều từ phía đơng nam sang tây nam truyền vào vịnh Trong thời gian triều lên triều xuống có xuất xốy thuận khu vực vịnh - Trong thời kỳ mùa khô, thành phần vật chất gây ô nhiễm khu vực vịnh Cam Ranh không ảnh hưởng tới chất lượng bãi tắm dọc theo bãi biển Cam Ranh, bắt đầu xuất dấu hiệu đạt ngưỡng giới hạn tiêu ô nhiễm từ khu vực cảng Ba Ngòi đến khu vực nhà máy chế biến thực phẩm bán kính 2km Trong thời kỳ mùa mưa, tiêu chất tiệm cận giới hạn cho phép có phần đáng quan ngại mùa khơ lan truyền chất gây nhiễm vươn tới khu bãi tắm khu vực dân sinh xung quanh khu vực nói phạm vi lớn - Theo tiêu chuẩn chất lượng nước ni trồng thủy sản khu vực vịnh Cam Ranh có nhiều khu vực ven bờ bị nhiễm NH4, điển khu vực cảng Ba Ngịi, sân bay Cam Ranh cửa đầm Thủy Triều - Do yếu tố chủ quan nhà qui hoạch nhằm phục vụ phát triển thành phố Cam Ranh yếu tố khách quan đặc điểm khí tượng thủy văn, địa hình, cấu tạo địa chất chủ yếu cát nên lượng nước sông truyền vào vịnh thấp, ảnh hưởng từ cửa sông tới chất lượng nước 123 bãi tắm mùa mưa khô không đáng kể Nhưng khả truyền nước từ địa hình xung quanh vào vịnh qua đường nước ngầm lớn hạn chế điều kiện số liệu mơ hình nên tác giả chưa tính tốn - Tuy cịn số hạn chế, song kết nghiên cứu luận văn góp phần làm sáng tỏ thêm tranh thủy động lực – môi trường vịnh Cam Ranh Góp phần giải vấn đề nhiễm mơi trường, quy hoạch, sử dụng khai thác hợp lý tài nguyên môi trường KIẾN NGHỊ Mặc dù trạng môi trường vịnh Cam Ranh chưa vượt ngưỡng tiêu cho phép song đáng quan ngại Nhiều yếu tố môi trường bắt đầu tiệm cận ngưỡng giới hạn nội dung nghiên cứu luận văn trình bày Do qui hoạch thành phố tương lai cần thiết phải bổ sung thêm nhà máy xử lý chất thải nước thải để xử lý trước đổ vào vịnh tránh trường hợp phần lớn xả trực tiếp vào vịnh Bên cạnh đó, địa hình chủ yếu cát nên khả thấm nước mùa mưa cao nên cần phải có nghiên cứu chất lượng nguồn nước ngầm đổ vào vịnh nhằm phản ánh xác chất lượng mơi trường vịnh Cam Ranh Ngồi ra, giới hạn kinh phí khả chun mơn nên chưa có số liệu xác tồn diện mặt không gian thời gian nhằm tiếp tục nghiên cứu sâu để tiến tới xây dựng kịch lan truyền vật chất ô nhiễm số vị trí nhạy cảm đưa dự báo, cảnh báo, tư vấn cho ngành nghề liên quan đến môi trường biển 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Đồn Văn Bộ (2001), “Hóa học biển”, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội Bùi Hồng Long - Trần Văn Chung (2006), “Tính tốn thử nghiệm dịng chảy ba chiều (3-D) cho vùng vịnh Vân Phong”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ biển, 6(1), tr 12-27 PGS.TS Bùi Hồng Long, ThS Nguyễn Hữu Huân (2011), “Nghiên cứu khả tự làm sạch, đề xuất giải pháp nhằm bảo vệ cải thiện chất lượng môi trường đầm Thủy Triều - vịnh Cam Ranh” GS.TS Mai Trọng Nhuận (2008), “Điều tra đánh giá tài nguyên môi trường vũng vịnh trọng điểm ven bờ phục vụ phát triển kinh tế - xã hội bảo vệ môi trường” Phạm Văn Thơm (2005), “Hiện trạng môi trường vịnh Cam Ranh” Phạm Văn Thơm (2008), “Điều tra đánh giá trạng môi trường vịnh Cam Ranh làm sở phát triển kinh tế” UBND tỉnh Khánh Hịa (2003), “Địa chí Khánh Hịa”, NXB Chính trị quốc gia UBND tỉnh Khánh Hịa (2010), “Quy hoạch phát triển tỉnh Khánh Hòa đến năm 2015 ” Sởkhoa hocc̣ vàcơng nghê c̣tinh̉ Khánh Hịa văn tỉnh Khánh Hịa” (2004), “Đặc điểm khí hậu – thủy 10 http://www.khanhhoa.gov.vn Tiếng Anh 11 Mike Flow model (DHI 2007), Hydronamic module: Scientific Documentation 12 Mike Flow model (DHI 2007), ECO Lab module: Scientific Documentation 125 ... tài: ? ?Mô q trình lan truyền vật chất nhiễm tác động yếu tố động lực vịnh Cam Ranh mơ hình số? ?? để mơ số vật chất có khả ảnh hưởng đến chất lượng mơi trường Có nhiều kỹ thuật đánh giá mức độ ô nhiễm. .. NHIÊN Phan Thành Bắc MƠ PHỎNG Q TRÌNH LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ơ NHIỄM DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐỘNG LỰC TẠI VỊNH CAM RANH BẰNG MƠ HÌNH SỐ Chun ngành: Hải dương học Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC... mùa khô Trong khuôn khổ luận văn, mục tiêu học viên tính tốn, mơ phỏng, đưa tranh trình động lực trình truyền tải vật chất gồm BOD , DO, NO3-, PO4+, NH3+ Môṭkicḥ mô sư c? ?lan truyền vâṭchất