Số liệu địa hình vùng biển với độ phân giải 30” được lấy từ GEBCO, dưới sự hỗ trợ của Tổ chức Thủy văn Quốc tế và Ủy ban Hải dương học Quốc tế, UNESCO. Số liệu địa hình khu vực cửa sơng Gianh và cửa sông Nhật Lệ do Viện Khoa học Thủy Lợi Việt Nam đo đạc năm 2009.
Sông Gianh Sông Nhật Lệ Biên triều Biên triều Biên triều
Lưới địa hình tính tốn cho khu vực Quảng Bình được tạo với 10.898 phần từ và 6511 nút lưới, với 5 biên lỏng (biên sông Gianh, biên sông Nhật Lệ và 3 biên biển).
3.3.2. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
Từ quá trình tổng hợp số liệu thu thập cũng như để phù hợp với sự biến đổi đặc trưng của các yếu tố thủy động lực – môi trường theo quy mô thời gian nhất định, tác giả chọn 2 tháng là tháng V và tháng XI đại diện cho 2 mùa trong năm (mùa khô và mùa mưa) để tính tốn, mơ phỏng các q trình. Do vậy các số liệu đầu vào cho các mơ hình là các số liệu trong khoảng thời gian của tháng V và tháng X năm 2012
a) Modul Mike 21 HD
Trong modul Mike 21 HD, với 3 biên lỏng là biển số liệu đầu vào là mực nước được tính từ số liệu dự báo thủy triều tồn cầu của Mike;
Đối với 2 biên lỏng sông Gianh và sông Nhật Lệ, số liệu đầu vào là lưu lượng biến đổi theo thời gian được trích xuất từ kết quả tính tốn của mơ hình Mike 11
HD (q trình tính tốn sử dụng mơ hình Mike 11 HD xem chi tiết trong phụ lục 2).
Điều kiện gió là vận tốc gió trung bình của hướng thịnh hành trong tháng V và tháng XI); được xác định từ số liệu gió tại trạm Cồn Cỏ (1975-2008). Theo đó, trong tháng V có hướng gió thịnh hành là hướng Đơng Nam (SE) chiếm 19,40%, và vận tốc trung bình là 2,93 m/s. Trong tháng XI có hướng gió thịnh hành là hướng Bắc (N) chiếm 21,18% và hướng Đông Bắc (NE) chiếm 12,38 %, trong nghiên cứu tác giả sẽ tính tốn cho cả 2 hướng này.
Đối với khu vực này bên cạnh dòng chảy gió, dịng triều hay dịng chảy từ sơng thì dịng chảy do sóng đóng vai trị quan trọng, do vậy để có nghiên cứu biến động mơi trường đạt kết quả tốt thì việc mơ phỏng bức tranh thủy động lực đầy đủ là rất cần thiết. Trong modul HD này, ứng suất bức xạ sóng được xác định từ kết
quả tính tốn của modul phổ sóng SW (q trình tính tốn và kết quả từ modul SW
Đối với kịch bản cho năm 2020: 3 biên biển số liệu đầu vào là mực nước năm 2020 được tính từ số liệu dự báo thủy triều tồn cầu của Mike; với biên sơng Gianh và sơng Nhật lệ thì lưu lượng giả định là khơng thay đổi so với năm 2012.
b) Modul Ecolab
Các nguồn thải được xác định là: Cửa xả thải Đồng Hới (sông Nhật Lệ), cửa xả thải Ba Đồn, nguồn thải từ sơng Rn, sơng Lý Hịa và sơng Dinh, khu cơng nghiệp Hịn La, khu công nghiệp Đồng Hới, các khu công nghiệp huyện Quảng Trạch. Hình 3.4. Vị trí các nguồn thải KCN Hịn La Sơng Roon Sơng Lý Hịa Sơng Dinh Sơng Nhật lệ CX Đồng Hới CX Ba Đồn Sông Gianh CN Quảng Trạch CN Đồng Hới
Đối với các biên biển được cho là khơng biến đổi nồng độ tại biên vì biên lấy đủ xa. Biên sông Gianh và sông Nhật Lệ được lấy là giá trị các thông số chất lượng nước được quan trắc theo các đợt trong năm (bảng 3.1).
Bảng 3.1. Giá trị các thơng số tính tốn tại biên sông Gianh và sông Nhật Lệ
Tháng Biên DO (mg/l) T (oC) BOD5 (mg/l) COD (mg/l) Coliform (MNP/100ml) Tháng V Sông Gianh 6,05 30,3 16 23 3.190 Sông Nhật Lệ 6,42 32,4 19 26 1.240 Tháng XI Sông Gianh 6,37 28,4 23 31 5.350 Sông Nhật Lệ 6,73 28,0 13 19 3.140
Các sơng Rịon, sơng Lý Hịa và sơng Dinh là các sơng nhỏ, do khơng có số liệu địa hình nên trong các kịch bản tính tốn trong modul Ecolab tác giả coi đó là các nguồn thải giả định.
Đối với điều kiện đầu vào cho kịch bản năm 2020: giá trị các thông số căn cứ theo tải lượng chất thải tính cho năm 2020 so với năm 2012 (đã xác định ở mục 1.1.3. Xác định tải lượng ơ nhiễm). Từ đó xác định những giá trị các thông số tại biên cũng như tại nguồn phù hợp tương tự như đối với năm 2012.
3.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình
Sau khi đã thiết lập mơ hình tính tốn ta tiến hành hiệu chình và kiểm định nhằm xác định bộ thơng số phù hợp để tính tốn và dự báo đạt kết quả tốt.
3.4.1. Hiệu chỉnh mơ hình
a) Đối với modul thủy lực HD:
Mơ hình được hiệu chỉnh với bộ số liệu mực nước thực đo tại trạm Tân Mỹ (cửa Gianh) trong khoảng thời gian từ 17/05 đến 31/05/2012.
Hình 3.5. Mực nước thực đo và tính tốn tại trạm Tân Mỹ (cửa Gianh) từ 17/05 đến 31/05/2012
Để đánh giá độ chính xác của kết quả tính tốn trong mơ hình, tác giả sử dụng chỉ số Nash – Sutcliffe, được xác định như sau:
N i N N i i i X X Y X X X R 1 2 1 1 2 2 2 ) ( ) ( ) (
Trong đó: Xi: Giá trị thực đo tại thời điểm i
X: Giá trị trung bình của chuỗi thực đo
Yi: Giá tính tốn tại thời điểm i N: Tổng số số liệu tính tốn
Với R2 nằm trong khoảng 0,65-0,85 thì kết quả tính tốn đạt loại khá, R2 lớn hơn 0,85 thì kết quả tính tốn đạt loại tốt.
Bên cạnh đó, tác giả cũng tính tốn hệ số tương quan giữa chuỗi số liệu thực đo và chuỗi số liệu tính tốn để xác định độ tin cậy phương pháp sử dụng.
Trong đó: xi, là chuỗi số liệu thực đo, yi là chuỗi số liệu tính tốn; σ là độ lệch bình phương trung bình; rxy là hệ số tương quan; E là độ lệch xác xuất của r.
Với các công thức trên xác định được các hệ số như sau: Bảng 3.2. Các chỉ tiêu thống kê
Tính tốn (yi) Thực đo (xi)
Trung bình -0,103 -0,021 Phương sai 0,112 0,122 Độ lệch chuẩn 0,334 0,349 Hệ số tương quan (r) 0,948 Độ lệch xác suất (E) 0,004 Chỉ số NASH (R2) 0,861
Trong trường hợp này, ta tính được chỉ số Nash R2 = 0,861 và hệ số tương quan r = 0.948, đây là các giá trị được xếp vào loại tốt. Do đó ta có thể sử dụng bộ tham số vừa hiệu chỉnh để tính tốn và kiểm định mơ hình.
Bảng 3.3. Giá trị các thông số được lựa chọn trong mơ hình
Thơng số Giá trị
Bước thời gian 30s
Hệ số nhớt rối - Smagorinsky 0,3 m2/s
Số Manning 30-40 m(1/3)/s
Để ổn định các quá trình tại biên, tác giả đã phân vùng giá trị số Manning theo miền tính (như hình 3.5).
Hình 3.6. Giá trị số Manning theo miền tính
b) Đối với modul Ecolab:
Chất lượng nước nói riêng và chất lượng mơi trường nói chung phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố xung quanh (khí tượng, thủy động lực, nguồn phát sinh,…), các giá trị quan trắc mang tính chất tức thời, khơng có quy luật ổn định, do đó để hiệu chình hoặc kiểm định mơ hình dựa vào sự so sánh định lượng giữa giá trị thực đo và tính tốn trong mơ hình là việc hết sức khó khăn. Hơn nữa để hiệu chỉnh và kiểm định
modul Ecolab thì phải có 2 chuỗi số liệu quan trắc chất lượng nước theo thời gian nhất định và liên tục, tuy nhiên số liệu quan trắc môi trường rất hạn chế.
Do vậy trong nghiên cứu này tác giả đưa ra sự so sánh, đánh giá tổng quan giữa số liệu quan trắc chất lượng nước trung bình đợt quan trắc tháng XI (do Sở Tài ngun và Mơi trường Quảng Bình thực hiện) với số liệu tính tốn trung bình trong tháng XI tại 3 điểm quan trắc đó là biển Nhật Lệ (thành phố Đồng Hới), biển Cửa Phú (xã Bảo Ninh, thành phố Đồng Hới) và biển Trung Trạch (xã Thanh Trạch, huyện Bố Trạch).
Hình 3.7. Hàm lượng BOD quan trắc và thực đo trung bình (tháng XI)
Hàm lượng BOD và COD giữa thực đo và tính tốn tại các điểm quan trắc biển Nhật Lệ và biển Trung Trạch chênh lệch không nhiều, tại biển Cửa Phú ở vị trí khá xa nguồn xả thải (cửa Nhật Lệ) có sự chênh lệch lớn hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được. Do vậy có thể sử dụng bộ thơng số đã tính tốn để mô phỏng dự báo chất lượng nước.
3.4.2. Kiểm định mơ hình
Với bộ thông số đã được hiệu chỉnh được sử để tính tốn và kiểm định mơ hình với số liệu mực nước thực đo tại tạm Tân Mỹ (cửa Gianh) trong khoảng thời gian từ 12/11 đến 24/11/2012.
Hình 3.9. Mực nước thực đo và tính tốn tại trạm Tân Mỹ (cửa Gianh) từ 12/11 đến 24/11/2012
Với chuỗi giá trị thực đo và tính tốn này ta xác định được các hệ số như sau:
Tính tốn Thực đo Trung bình 0,271 0,162 Phương sai 0,140 0,164 Độ lệch chuẩn 0,375 0,405 Hệ số tương quan (r) 0,974 Độ lệch xác suất (E) 0,002 Chỉ số NASH (R2) 0,873
Trong trường hợp này, ta tính được chỉ số Nash R2 = 0,873, và hệ số tương quan r = 0,974, đây là giá trị tốt, đảm bảo độ tin cậy và chứng tỏ bộ thông số sử dụng là phù hợp. Vì vậy có thể sử dụng bộ thơng số này để tính tốn và dự báo cho khu vực nghiên cứu.
3.5. Kết quả tính tốn
Kết quả tính tốn của mơ hình bao gồm các q trình thủy động lực và phân bố các thông số chất lượng nước theo không gian và thời gian. Đồng thời tác giả tính tốn mơ phỏng cho cả mùa khô và mùa mưa với các tháng đại diện là tháng V và tháng XI để có thể thấy rõ sự biến động chất lượng nước theo sự biến thiên của các quá trình thủy động lực trong những khoảng thời gian khác nhau.
3.5.1. Kết quả tính tốn cho mùa khơ a) Đặc điểm thủy động lực a) Đặc điểm thủy động lực
Dòng chảy vùng cửa sông ven bờ là dòng chảy tổng hợp của nhiều thành phần: dịng triều, dịng chảy sơng, dịng ven do sóng, dịng gió, dịng mật độ và các dòng hải lưu khác. Dòng chảy trong vùng cửa sơng là dịng thuận nghịch có chu kỳ do sự kết hợp giữa dòng chảy từ thượng lưu sông đổ về và dịng triều từ ngồi truyền vào.
Hình 3.11. Dịng chảy cửa Gianh tại chân triều (tháng V/2012)
Hình 3.12. Dịng chảy cửa Nhật Lệ tại chân triều (tháng V/2012)
Vào thời điểm chân triều, dòng chảy tại khu vực cửa Gianh và cửa Nhật Lệ có hướng khá phức tạp. Tại cửa Nhật Lệ, trục động lực của sông theo hướng Nam – Bắc, sự kết hợp giữa dòng chảy sơng và dịng chảy do sóng hướng Đơng Nam chiếm ưu thế do đó dịng chảy hướng về phía Bắc. Tại cửa Gianh, trục động lực của sông theo hướng Tây – Đơng, có sự kết hợp giữa dòng chảy sơng, dịng triều và
Hình 3.13. Dịng chảy vùng biển cửa sông tại đỉnh triều (tháng V/2012)
Hình 3.15. Dịng chảy cửa Nhật Lệ tại đỉnh triều (tháng V/2012)
Tại thời điểm đỉnh triều, tại cửa Gianh và cửa Nhật Lệ, dòng chảy đi vào trong sơng, cịn phía ngồi biển dịng triều chiếm ưu thế so với dịng chảy sóng nên dịng chảy hướng về phía Nam.
Vào mùa khô lưu lượng từ các sông đổ ra biển không lớn, tuy nhiên trong khoảng thời gian triểu rút thì vận tốc dịng chảy vùng cứa sơng khá lớn, khi ra phía ngồi biển hướng dịng chảy sẽ phụ thuộc vào dòng chảy ven bờ.
Trong tháng V, vùng biển chịu tác động bởi trường sóng và gió hướng Đơng Nam thịnh hành. Tuy nhiên sự tác động của trường sóng Đơng Nam thời kỳ này khá yếu, độ cao sóng trung bình hướng Đơng Nam tháng V tại trạm Cồn Cỏ là 0,75 m và khi truyền vào bờ có sự thay đổi đáng kể, theo kết quả tính tốn từ modul phổ
sóng SW (phụ lục 3) thì sóng hướng Đơng Nam khi lan truyền vào bờ trong khu
vực này có độ cao sóng ở khu vực gần bờ khoảng 0,3 m đến 0,5 m và hướng sóng khoảng từ 1120 đến 1180. Do dịng chảy ven bờ do sóng thời kỳ này khơng lớn lắm nên hướng dòng chảy ven bờ chủ yếu vẫn là theo hướng Bắc – Nam, nhìn chung bức tranh dịng chảy vùng biển cửa sơng tùy thuộc vào dịng chảy nào chiếm ưu thế trong từng chu kỳ triều.
b) Đặc điểm chất lượng nước
Sự biến động chất lượng nước vùng biển cửa sơng với q trình tải và khuếch tán phụ thuộc vào các yếu tố thủy động lực của khu vực. Khi chân triều các chất ô nhiễm từ trong sông Nhật Lệ theo đó đổ ra cửa biển và sẽ bị khuếch tán lan truyền theo hướng dịng chảy ven bờ, thời điểm này dịng chảy sóng có phần chiếm ưu thế do đó chất ơ nhiễm có phần bị đẩy lên phía Bắc, cịn tại cửa Gianh do dòng chảy chủ yếu hướng phía Nam nên các chất ơ nhiễm cũng bị đẩy xuống phía Nam. Vào thời điểm này, nồng độ BOD tại các vị trí gần nguồn thải lớn (cửa Gianh, cửa Nhật Lệ) khoảng 8-10 mg/l, các khu vực kế cận nồng độ BOD khoảng 4-6 mg/l.
Hình 3.17. Phân bố nồng độ BOD tại đỉnh triều (tháng V/2012)
Khi đỉnh triều, tại cửa Nhật Lệ do dòng chảy hướng phía Nam chiếm ưu thế chất ơ nhiễm lại bị đẩy xuống phía Nam, tại cửa Gianh dịng chảy cũng hướng phía Nam nên chất ơ nhiễm bị đẩy xuống phía Nam. Vào thời điểm này nồng độ BOD khá thấp, nồng độ BOD tại các vị trí gần nguồn thải cũng chỉ khoảng 4-6 mg/l, cịn những khu vực xa nguồn hơn nồng độ BOD không đáng kể khoảng 1-2 mg/l, thậm chí được làm sạch. Tại khu vực các cửa sơng nhỏ như sơng Rịon, sơng Lý Hịa và sông Dinh, nồng độ BOD chỉ khoảng 2-4 mg/l và không đáng kể tại thời điểm đỉnh triều.
Chân triều Đỉnh triều
3.5.2. Kết quả tính tốn cho mùa mưa a) Đặc điểm thủy động lực a) Đặc điểm thủy động lực
Khu vực Trung bộ khác với Bắc bộ mùa mưa kéo dài từ tháng IX đến tháng XII, trùng với thời gian có gió mùa Đơng Bắc. Trong gió mùa Đơng Bắc vận tốc gió lớn hơn nhiều so với gió mùa Tây Nam. Dịng chảy tổng hợp chịu tác động rất lớn của gió.
Vào mùa mưa tháng XI, vùng biển khu vực chịu tác động của trường sóng hướng Bắc và hướng Đơng Bắc thịnh hành. Vận tốc gió trung bình hướng Đơng Bắc là 5m/s, độ cao sóng trung bình hướng Đơng Bắc ở ngoài khơi là 1,43 m/s, theo
kết quả tính tốn từ modul phổ sóng SW (phụ lục 3) thì độ cao sóng hướng Đơng
Bắc khu vực cửa sông ven bờ khoảng 0,8 m đến 0,9 m nên gây ra dịng chảy dọc bờ khá lớn.
Hình 3.19. Dịng chảy vùng biển cửa sơng tại tại chân triều với sóng hướng Đơng Bắc (NE)
Hình 3.20. Dịng chảy cửa Gianh tại tại chân triều với sóng hướng Đơng Bắc (NE)
Hình 3.21. Dịng chảy cửa Nhật Lệ tại chân triều với sóng hướng Đơng Bắc (NE)
Hình 3.22. Dịng chảy vùng biển cửa sơng tại đỉnh triều với sóng hướng Đơng Bắc (NE)
Dịng chảy với ảnh hưởng của sóng Đơng Bắc, khu vực ven bờ vận tốc dịng chảy khoảng 0,2 – 0,3 m/s. Tuy nhiên tại các cửa sông, vào thời điểm đỉnh triều hoặc chân triều thì vận tốc dịng chảy lớn, đặc biệt tại những vũng sâu ở vùng cửa sơng vận tốc dịng chảy lớn có thể hơn 1 m/s.
Hình 3.23. Dịng chảy cửa Gianh tại đỉnh triều với sóng hướng Đơng Bắc (NE)
Hình 3.24. Dịng chảy cửa Nhật Lệ tại đỉnh triều với sóng hướng Đơng Bắc (NE)
Hình 3.25. Dịng chảy vùng biển cửa sơng tại chân triều với sóng hướng Bắc (N) với sóng hướng Bắc (N)
Xét sự tác dộng của trường sóng hướng Bắc (phục lục 3), thấy rằng độ cao
sóng ngồi khơi khá lớn (1,3 m), tuy nhiên do đặc điểm địa hình của khu vực, nên