(a-lưới thơ phía ngồi; b- lưới chi tiết cho vùng ven biển Hải Phịng)
Trong nghiên cứu này, kiểu tính tốn kết hợp đồng thời (online –coupling) của các module chính là TĐL, sóng và vận chuyển trầm tích đã được sử dụng để đánh giá đặc điểm vận chuyển TTLL.
Lưới tính cho vùng bờ biển Hải Phịng
Mơ hình thuỷ động lực cho khu vực cửa sơng ven bờ Hải Phòng sử dụng hệ lưới (a)
cong trực giao. Phạm vi vùng tính của mơ hình bao gồm các vùng nước của các cửa sông ven biển trải dài từ vùng phía bắc khu vực vịnh Hạ Long đến phía nam cửa Trà Lý. Miền tính có kích thước khoảng 106 km theo chiều Đơng Bắc-Tây Nam và 64 km theo chiều Tây Bắc-Đơng Nam, với diện tích mặt nước khoảng 5085km2 được chia thành 628 x 488 điểm tính và các ơ lưới có kích thước biến đổi từ 8,3 đến 340m (hình 2.2-b). Các ơ lưới tính theo chiều thẳng đứng sử dụng hệ toạ độ . Trong mơ hình thuỷ động lực cho vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng, độ sâu của các điểm tính được chia thành 4 lớp nước với tỷ lệ đều nhau từ mặt xuống đáy là 25% độ sâu cho mỗi lớp nước.
Lưới độ sâu cho mơ hình tính ở khu vực này là file số liệu địa hình đã được xử lý, gắn với lưới tính của mơ hình. Lưới tính của mơ hình thơ phía ngồi dùng để NESTHD các điều kiện biên mở phía biển cho mơ hình lưới chi tiết khu vực nghiên cứu cũng là hệ lưới cong trực giao. Phạm vi vùng tính của mơ hình này mở rộng ra phía ngồi gần với lưới tính thơ hơn (hình 2.2-a). Miền tính này có kích thước khoảng 129km theo phương Đoong-Tây và 122km theo phương Bắc-Nam, diện tích mặt nước khoảng 15738km2 được chia thành 608 x 605 điểm tính với các ơ lưới có kích thước biến đổi từ 9,3 đến 1800,39m. Lưới tính theo chiều thẳng của mơ hình này cũng được chia thành 4 lớp nước với tỷ lệ đều nhau từ mặt xuống đáy là 25%.
Lưới độ sâu của mơ hình thuỷ động lực khu vực nghiên cứu (detailed model) và mơ hình phía ngồi dùng để NESTHD (overall model) được tạo ra bởi trường độ sâu, kết hợp với lưới tính và chương trình Delft3D- QUICKIN trong bộ phần mềm Delft3d.
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
Trong mơ hình Delft3D, điều kiện ban đầu của mơ hình có thể sử dụng từ kết quả tính tốn của các lần chạy trước đó thơng qua các restart file. Đối với trường hợp áp dụng cho vùng ven bờ Hải Phòng, điều kiện ban đầu của các kịch bản hiện trạng là các kết quả tính tốn trong khoảng thời gian trước đó 1 tháng. Đối với các biên sông, các giá trị lưu lượng nước, độ mặn, nhiệt độ, hàm lượng TTLL trung bình theo mùa được sử dụng. Đối với các biên mở phía biển, các kết quả tính dao động mực nước, độ muối, nhiệt độ của mơ hình phía ngồi (phương pháp NESTHD) được áp dụng. Số liệu nhiệt muối của mơ hình lấy từ cơ sở dữ liệu WOA13 với độ phân giải 0,25 độ cho khu vực Biển Đông.
lực- sóng- vận chuyển bùn cát [94, 95]. Trong đó các yếu tố chính được tính đến bao gồm: độ muối; nhiệt độ; ảnh hưởng của gió bề mặt; tương tác với sóng (tính đồng thời kết hợp sóng-online coupling) và TTLL (tính đồng thời). Trong luận án, chỉ xét tới ảnh hưởng của gió, các yếu tố khí tượng khác như độ ẩm, lượng mưa, bức xạ, nhiệt độ khơng khí khơng tính đến trong mơ hình. Số liệu gió đưa vào mơ hình tính là các số liệu quan trắc tại Bạch Long Vỹ và Hòn Dáu trong năm 2016 và 2017 với tần suất 6h/lần.
Mơ hình sóng
Mơ hình sóng được thiết lập chạy đồng thời (online coupling) với mơ hình TĐL và mơ hình vận chuyển trầm tích. Tại mỗi thời điểm tính tốn (1h), mơ hình sóng sử dụng lưới tính, trường gió, các kết quả tính độ sâu, mực nước, dịng chảy của mơ hình TĐL.
- Điều kiện biên mở của mơ hình sóng cịn được tham khảo từ kết quả dự báo sóng Wave Climate ở vùng vịnh Bắc Bộ [96] trong thời gian 2014-2019.
- Kiểu ma sát đáy trong mơ hình sóng được lựa chọn là phổ JONSWAP với hệ số ma sát đáy có giá trị 0,067 [94]. Mơ hình B&J [97] được lựa chọn để tính ảnh hưởng của nước nơng nơi diễn ra q trình sóng đổ [94].
Các tham số tính tốn khác của mơ hình
- Tham số nhám đáy (bottom roughness) được lựa chọn sử dụng các hệ số Manning (n) biến đổi theo không gian với giá trị 0,018-0,023 m-1/3s. Các hệ số manning lớn hơn ở điều kiện trầm tích đáy là vật liệu thơ và nhỏ hơn ở điều kiện trầm tích đáy là hạt mịn. Căn cứ để tính tốn các hệ số này dựa vào phân bố trầm tích tầng mặt và Tài liệu hướng dẫn lựa chọn các hệ số Manning [98-99].
- Các giá trị liên quan đến điều kiện rối có thể được xác định như là một hằng số, hoặc tham số biến đổi theo khơng gian hoặc tính tốn với cách tiếp cận HLES (mơ phỏng xốy lớn bình lưu - Horizontal Large Eddy Simulation). Mơ hình HLES gần đây đã được tích hợp trong hệ thống mơ hình Delft3D theo lý thuyết của Uittenbogaard [100] và được thảo luận trong nghiên cứu của Van Vossen [101]. Trong nghiên cứu này, hệ số khuyếch tán rối và nhớt rối nền theo phương ngang được lựa chọn là 10m2/s. Các hệ số này theo phương thẳng đứng là 10-5m2/s. Mơ hình khép kín rối 2 chiều là mơ hình HLES trong Delft3D. Mơ hình khép kín rối 3 chiều là mơ hình k-є.
- Vận tốc lắng đọng của TTLL được chọn là 0,1mm/s. Đây là giá trị vận tốc lắng đọng trong nước ngọt (ws,f). Trong q trình tính tốn, vận tốc lắng đọng wssẽ tính đến
cả những ảnh hưởng do độ mặn.
- Tiêu chuẩn ứng suất cho q trình xói của trầm tích (c,e) biến đổi trong khoảng
từ 0,1-1,0 N/m2 [102]. Sau các lần hiệu chỉnh, tiêu chuẩn xói được lựa chọn là 0,25 N/m2. - Tiêu chuẩn ứng suất cho quá trình bồi lắng của trầm tích (c,d) biến đổi trong khoảng từ 0,005-0,25 N/m2 [102]. Sau các lần hiệu chỉnh, tiêu chuẩn xói được lựa chọn là 0,1N/m2.
- Tốc độ xói trong tự nhiên đo đạc được biến đổi trong khoảng 10-5-10-3kg/m2s. Với tỷ trọng bùn cát đáy là 2650kg/m3, tỷ trọng TTLL gần lớp biên đáy là 500kg/m3, tốc độ xói ban đầu được giả thiết là 10-3 kg/m2.s.
Để đánh giá mức độ tin cậy trong các tính tốn, các chỉ số được sử dụng là hệ số tương quan Bravais-Pearson và chỉ số Nash và Sutcliffe.
Hệ số tương quan Bravais-Pearson được xác định theo công thức sau:
(1)
Trong đó: Oi – giá trị quan trắc, đo đạc;𝑂̅ - giá trị quan trắc trung bình Pi - giá trị tính tốn, dự báo; 𝑃̅ - giá trị trung bình dự báo.
r nằm trong khoảng từ 0-1. Các kết quả tính tốn dự báo tốt nhất khi r tiến tới 1 và độ tin cậy thấp nhất khi r tiến tới 0 [103].
Một chỉ số khác để đánh giá độ tin cậy của mơ hình là chỉ số hiệu quả của dự báo- chỉ số Nash và Sutcliffe [104]. Chỉ số này đánh giá số lượng dự báo đảm bảo độ tin cậy cho phép.
(2)
tới 0 thì các dự báo khơng đáng tin cậy. Khi E mang dấu âm (-), các đặc trưng trung bình tính từ chuỗi quan trắc cho kết quả dự báo tốt hơn từ mơ hình [103].
Số liệu mực nước dùng để hiệu chỉnh, kiểm chứng kết quả tính của mơ hình trong là các giá trị đo đạc tại trạm Hải văn Hòn Dáu trong năm 2015, 2016 với tần suất 1 giờ/lần. Ngoài số liệu mực nước, các chuỗi số liệu đo dòng chảy, hàm lượng TTLL được sử dụng của đề tài cấp thành phố “Nghiên cứu xây dựng luận cứ phục vụ lập qui hoạch
các bãi đổ bùn cát do nạo vét trên địa bàn Hải Phòng, MT.2015.721” và các kết quả
khảo sát về dịng chảy, hàm lượng TTLL trong khn khổ thực hiện đề tài này để kiểm chứng, hiệu chỉnh mơ hình.
Các kịch bản tính tốn dự báo
Dựa trên các căn cứ về điều kiện tự nhiên, quy hoạch khai thác cát, hiện trạng hoạt động khai thác cát ở vùng cửa sơng ven biển Hải Phịng, các nhóm kịch bản tính tốn dự báo khác nhau đã được xây dựng. Các kịch bản tính tốn dự báo gồm 2 nhóm:
+ Nhóm kịch bản tính tốn mơ phỏng ảnh hưởng đến thay đổi điều kiện dịng chảy, sóng, vận chuyển bùn cát và bồi xói do thay đổi địa hình ở các vị trí khai thác cát.
+ Nhóm kịch bản mơ phỏng, dự báo phát tán chất gây ơ nhiễm trong q trình khai thác cát: khai thác với điều kiện hiện trạng (giả thiết 30% công suất) của các dự án đã cấp phép (khoảng 2.53 triệu m3/năm); dự báo khai thác hết 100% công suất của các dự án đã cấp phép (khoảng 8.429 triệu m3/năm); dự báo khai thác 100% công suất theo quy hoạch khai thác cát.
Thời gian mơ phỏng tính tốn cho mỗi kịch bản là 15 ngày bao gồm kỳ triều cường và triều kém. Đối với mỗi nhóm kịch bản tính cho 3 hướng sóng gió khác nhau: NE, SE và SW. Mỗi hướng gió sẽ được tính làm 2 nhóm trường hợp điều kiện gió bình thường và gió cực đoan.
Nhằm đánh giá trao đổi nước qua một số mặt cắt trong khu vực dưới ảnh hưởng của khai thác cát. Với mỗi kịch bản thời gian chạy là khoảng 15 ngày để tính đến tất cả các ảnh hưởng của kỳ triều cường và kỳ triều kém, bước thời gian tính (t): 60 giây.
2.2.3. Phương pháp GIS và phân tích đa tiêu chí
Đánh giá đa tiêu chí
khác nhau để cho ra kết quả cần quan tâm. Sự phát triển của hai lĩnh vực GIS và phân tích đa tiêu chí góp phần đặc biệt quan trọng trong giải quyết bài toán quyết định đa tiêu chí khơng gian. Trong đó, GIS đóng vai trị phân tích khơng gian; đa tiêu chí đóng vai trị phân tích đa thuộc tính, đánh giá mức độ phù hợp của các phương án quyết định [105]. Mơ hình tích hợp GIS và đa tiêu chí là q trình kết hợp giữa dữ liệu không gian và dữ liệu ra quyết định. Khả năng tích hợp giữa GIS và đa tiêu chí đem lại lợi ích to lớn trong nghiên cứu ứng dụng phương pháp vào các lĩnh vực như: đánh giá khả năng thích nghi đất đai, quy hoạch sử dụng đất [106] .
Phân tích đa tiêu chí trong GIS
Phân tích đa tiêu chí trong GIS chỉ được thực hiện sau khi đã xác định và thu thập đầy đủ thông tin cần thiết để đạt được mục tiêu đề ra. Mơ hình phân tích đa tiêu chí để xác định vị trí nhận chìm bao gồm:
- Xác định mục tiêu: tìm vị trí phù hợp với điều kiện KTXH và tài nguyên môi trường.
- Xác định các tiêu chí: cần quan tâm về KTXH, tài nguyên và môi trường. Các tiêu chí khơng phải là một biến đơn giản mà là tổ hợp các dữ liệu thuộc tính và hình học khác nhau. Các tiêu chí này được quy về các giá trị đại số trong thuộc tính của đối tượng. - Chuẩn hóa dữ liệu: mỗi tiêu chí, chỉ tiêu có tầm quan trọng khác nhau đối với mục đích đặt ra và mỗi một tiêu chí lại có thuộc tính có tầm quan trọng khác nhau. Vì vậy chúng cần được chuẩn hóa về cùng một loại giá trị tùy theo mục đích đặt ra để có thể so sánh được. Có hai cách tiếp cận để chuẩn hóa dữ liệu gồm kiểu Boolean và kiểu phân loại:
o Kiểu Boolean: phân đối tượng quan tâm thành 2 nhóm: nhóm thích hợp và nhóm khơng thích hợp. Trong trường hợp này, các tiêu chí, thuộc tính của đối tượng quan tâm được xếp để nhận dạng những vùng thỏa mãn giới hạn. Cách tiếp cận này có hạn chế nhất định do nó chỉ có 2 kiểu xếp loại là “thỏa mãn” hay không thoả mãn yêu cầu đầu bài do đó nó sẽ khơng lượng hóa được mức độ phù hợp yêu cầu đặt ra.
o Các tiếp cận phân loại: khi các tiêu chí có mức độ ảnh hưởng khác nhau, gán trọng số ảnh hưởng cho mỗi tiêu chí. Trọng số có thể được xác định bằng phương pháp phân tích thứ bậc. Các tiêu chí có thể được phân loại theo thang điểm chuẩn và có thể so sánh được với nhau.
Trong luận án, cách tiếp cận phân loại được áp dụng các tiêu chí. Ma trận cặp đơi được áp dụng để xác định trọng số ảnh hưởng cho mỗi tiêu chí.
cho tất cả các lớp thơng tin đầu vào của mơ hình. Chồng lớp các lớp thơng tin để tính chỉ số phù hợp cho từng vị trí trong vùng quan tâm.
2.2.4. Phân tích mơ hình động lực đáp ứng
Mơ hình động lực – đáp ứng (DPSIR) được phát triển bởi Tổ chức Môi trường châu Âu năm 1999 để phân tích các tác động của mơ hình canh tác lúa truyền thống đến hiện trạng KTXH và môi trường tại khu vực nghiên cứu [107]. Khung phân tích tổng hợp DPSIR đã được áp dụng ở nhiều nghiên cứu trên thế giới trong nhiều lĩnh vực khác nhau và được đánh giá là có hiệu quả trong phân tích đánh giá tác động qua lại với nhau giữa các yếu tố trong hệ thống [108-109]. Mơ hình động lực – đáp ứng bao gồm 5 hợp phần được mô tả như sau:
D (Driving forces – Động lực) - Phân tích nguyên nhân sâu xa: làm rõ các chiến lược, quy hoạch, kế hoạch, chính sách, chương trình đặt mục tiêu định hướng phát triển, thói quen văn hóa, trình độ khoa học cơng nghệ,… từ đó tạo sức ép lên các dự án (khai thác cát, nạo vét luồng hàng hải gồm cả hoạt động nhận chìm chất nạo vét) phải được triển khai.
P (Pressure –Áp lực/sức ép): chỉ rõ các sức ép kinh tế, xã hội, an ninh, quốc phịng, mơi trường mà các động lực tạo ra.
S (State – Hiện trạng): chỉ rõ hiện trạng KTXH, môi trường và sinh thái: ở đâu? phạm vi, quy mơ, tính chất, cơng nghệ, nhân lực, nhằm đáp ứng P.
I (Impact – Tác động): chỉ rõ các tác động tích cực và tiêu cực về các mặt KTXH – môi trường và sinh thái mà việc thực hiện dự án tạo ra dưới các sức ép, như là kết quả của State.
R (Respose – Đáp ứng): các chính sách điều chỉnh các tác động từ hoạt động của dự án, các giải pháp, các cách ứng phó (về các mặt luật pháp, cơng nghệ, quản lý, nguồn lực).
Trong Luận án, động lực là các yếu tố thúc đẩy hoạt động khai thác cát ven bờ và nạo vét luồng hàng hải dẫn đến những biến đổi về môi trường biển ven bờ. Các yếu tố này có thể bao gồm các hoạt động thúc đẩy trực tiếp hoặc gián tiếp đến hoạt động khai thác cát và nạo vét luồng hàng hải vùng bờ biển Hải Phịng. Chúng có thể là các hoạt động kinh tế, xã hội hoặc sinh thái và có ảnh hưởng tiêu cực hoặc tích cực. Chúng là nguyên nhân của sự biến đổi chất lượng môi trường biển và các tác động đến HST biển. Ở góc độ địa phương, động lực thúc đẩy các dự án khai thác cát và nạo vét luồng hàng
hải ngày càng tăng xuất phát từ nhu cầu phát triển KTXH của thành phố Hải Phòng, đặc biệt trong lĩnh vực san lấp và xây dựng cơ sở hạ tầng, hoạt động cảng và hàng hải. Bên cạnh đó, sự thúc đẩy từ việc gia tăng nhu cầu cát cho san lấp và xây dựng trên thế giới. Động lực gây ra các sức ép đến tài nguyên vùng ven biển Hải Phịng thơng qua việc gia tăng hoạt động mở mỏ khai thác cát, gia tăng hoạt động khai thác trái phép, khai thác