Báo cáo tổng kết nhiệm vụ thực thi mô hình dự báo sự cố tràn dầu trên biển Đôn

Nhiệm vụ: “Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tính toán, dự báo ô nhiễm dầu trên biến Đông” là một nhiệm vụ rẩt quan trọng, nhiệm vụ trọng tâm của nhiệm vụ này là nghiên cứu, xây dựng và ứng d

Dư BÁO Sự CỐ TRÀN DẦU TRÊN BIẺN ĐÔNG

Đ on vị phối hợp : Viện Khoa học Khí tư ợn g T hủy văn và Môi trư ò n g

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU C H U N G 2

II TỒNG ỌUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN c ứ u VẺ MÔ HÌNH D ự BÁO LAN TRUYỀN Ô NHIẺM D Ầ U 3

III ĐIỀU KIỆN T ự NHIÊN KHU v ự c B1ÉN ĐÔNG 23

3.1 Đặc điêm địa hình khu vực biên Đ ông 23

3.2 Đặc điêm khí hậu khu vực biên Đ ô n g 24

IV NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MỒ HÌNH MIKE D ự BÁO Ô NHIẺM DẦU TRÊN BIÉN Đ Ô N G E rro r! B ookm ark not defined 4.1 Cơ sơ lý thuyết của mô hình 39

4 ỉ 1 Mô đun MIKE 21 H D 39

4.1.2 Mỏ đun MIKE 21 & MIKE 3 Particle/Spill Analysis 40

4.1.2.1 Quá trình bình lưu và khuêch tán 40

4.1.2.2 Quả trình lan truyền d ầ u 43

4.2 Điều kiện địa hình, miền tính và lưới tính 45

4.3 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên của mô h ì n h 47

4.4 Quá trình hiệu chỉnh và kiêm nghiệm thủy động lực trên biên Đ ông 47

4.4.1 Quá trình hiệu ch ỉn h E rro r! B ookm ark not defined 3.4.2 Quá trình kiếm nghiệm E rro r! B ookm ark not defined 4.5 Một số kết quả tính toán, dự báo ô nhiễm dầu trên biển Đ ô n g 50

4.6 Mô phỏng thử nghiệm quá trình lan truyền dầu tại cửa Định A n 61

c Mô phỏng quá trình lan truyền dầu tại cửa sông H ậ u 107

V KẾT L U Ậ N 100

I G IỚ I THIỆU CHUNG•

Tốc độ tăng trương kinh tế lớn trong những năm gần đây đã làm gia tăng rât mạnh lượng tiêu thụ xăng dâu Sản lượng khai thác dâu thô toàn thê giới khoảng 3 tỷ tấn 1 năm và nưa sô đó được vận chuyên bằng đường biên (Pavlo, 2003) Hậu quả là một lượng dầu rất lớn bị rò rỉ ra môi trường biến do hoạt động cua các tàu và do các sự cố hư hỏng hay đẳm tàu chơ dầu, do sự cố tại lỗ khoan thăm dò và dàn khoan khai thác dầu Lịch sử thế giới đã ghi nhận hàng trăm vụ

ô nhiễm dâu trên biên

Tại khu vực ngoài khơi và ven biển nước ta ô nhiềm dầu đã và đang xảy

ra ngày càng nhiêu hơn với mức độ ảnh hưởng ngày càng gia tăng và khu vực chịu ảnh hưởng ngày càng rộng lớn Trong khoảng thời gian 10 năm gần đây, đâ

có hơn 10 vụ tràn dầu gây ô nhiễm, ảnh hưởng rất lớn đến môi trường vùng cửa sông và ven biển nước ta Điển hình là vào ngày 3/10/1994, tàu Neptune Aries (Singapore) đã va vào cầu cảng Cát Lái, làm tràn 1.700 tấn dầu; ngày 7/9/2001, tàu Formosa One (Liberia) đụng vào tàu khác tại vịnh Gành Rái làm thoát ra môi trường 900m ’ dầu; ngày 6/2/2002, tàu Bạch Đằng Giang va vào đá tại Hải Phòng, làm thoát ra 2.500m3 dầu Trong mấy năm gần đây, cứ vào khoảng tháng

3, tháng 4 hàng năm là dầu lại trôi dạt vào gây ô nhiễm các khu vực biến miền Trung Đặc biệt từ ngày 29/1/2007 dầu bắt đầu xuất hiện và làm ô nhiễm bãi biên Đà Nằng và Hội An Sau đó, trong thời gian từ đầu tháng 2/2007 tới giữa tháng 5/2007, ô nhiễm dầu đã ảnh hưởng đến 17 tỉnh, thành phố ven biền nước

ta, bao gồm Hải Phòng, Hà Tĩnh, Ọuảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên - Huế, Đà Nằng, Quảng Ngãi, Quảng Nam, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hoà, Vũng Tàu - Côn Đảo, Tiền Giang, Ben Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng và Cà Mau Lượng dầu được thu gom từ các tỉnh trong cả nước tính từ ngày 29/1/2007 đến ngày 18/4/2007 là 1702 tấn, trong đó riêng tỉnh Quảng Nam là 855 tấn Sự cố dầu trôi dạt vào bờ biến là rất nghiêm trọng, lượng dầu trôi dạt lớn gây ảnh hưởng trên diện rộng và chưa đánh giá được hết mức độ thiệt hại về kinh tế, xã hội và môi trường Nguồn gây ra ô nhiễm dầu trong sự cố này là chưa rõ ràng Do tính chất nghiêm trọng của sự cổ ô nhiễm dầu, Thủ tướng Chính Phủ đã chỉ đạo Bộ Tài nguyên và Môi trường nghiên cứu xác định nguyên nhân gây ô nhiễm dầu Hầu hết các cơ quan liên quan thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường như Cục Bảo vệ Môi trường, Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường, Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc Gia, Trung tâm Viễn thám và một số cơ quan ngoài Bộ Tài nguyên và Môi trường như Viện Vật lý Điện tử, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trung tâm Nghiên cứu Phát triển an toàn và Môi trường Dầu khí - Viện Dầu khí Việt Nam đã tham gia tính toán xác định nguyên nhân gây ô

nhiễm dầu dưới sự chỉ đạo của Tô công tác xác định nguyên nhân ô nhiễm dầu

do Thứ trướng Bộ Tài nguyên và Môi trường Phạm Khôi Nguyên đứng đầu Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng công tác xác định nguyên nhân sự cố tràn dầu cũng như nguồn ô nhiễm dầu vần chưa được triển khai đúng tiến độ và với

độ chính xác cần thiết Cơ sở dữ liệu nhận dạng các mẫu dầu thô Việt Nam chưa hoàn chinh nên gặp khó khăn rất nhiều trong việc xác định nguồn gôc dầu ô nhiềm cho vùng biên nước ta từ mẫu dầu ô nhiễm thu được Do chưa có các kết quả phân tích thành phần các mẫu dầu thô đang được khai thác và vận chuyên trên Biên Đông nên các mô hình so trị tính toán phong hoá dầu chỉ sử dụng các

số liệu giả định Điều này hạn chế rất nhiều độ chính xác của các kết quả tính toán quá trình biên đôi của dâu trên biên Các mô hình tính toán, dự báo lan truyền và biến đối của dầu ô nhiễm dầu chưa hoàn chỉnh nên chưa tính toán được với độ chính xác cao quá trình lan truyền và biến đổi ô nhiễm dầu, làm cơ

sở để xác định nguồn ô nhiễm dầu

Nằm trong khuân khổ Dự án: "Điều tra, đánh giá, dự báo nguy cơ sự cố tràn dầu gây tồn thương môi trường biển Đề xuất các giải pháp ứng phó" thuộc

dự án uĐiều tra, đánh giá mức độ tồn thương tài nguyên - môi trường, khí tượng thuỷ văn Việt Nam; dự báo thiên tai, ô nhiễm môi trường tại các vùng biến; kiến nghị các giải pháp bảo vệ” Nhiệm vụ: “Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tính toán,

dự báo ô nhiễm dầu trên biến Đông” là một nhiệm vụ rẩt quan trọng, nhiệm vụ trọng tâm của nhiệm vụ này là nghiên cứu, xây dựng và ứng dụng được một số

mô hình số trị mô phỏng, dự báo quá trình lan truyền và biến đổi của dầu, trên

cơ sở đó đưa ra các biện pháp và kịch bản phục vụ công tác xử lý ô nhiễm và giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và phát triển kinh tế xã hội

LAN TRUYỀN Ô NHIỄM DẦU

2.1 Tình hình nghiên cứu ỏ’ nước ngoài

Ngày nay, với sự phát triên của phương tiện tính toán, mô hình mô phởng quá trình lan truyền và biến đối của dầu sau khi xảy ra sự cố, đánh giá tác động môi trường sinh thái và thử nghiệm các phương án ứng phó khác nhau đã trở thành một phương tiện hiệu quả và rẻ nhất đế tính toán dự báo, xác định phương

án hiệu quả ứng phó với sự cố ô nhiễm dầu Có rất nhiều mô hình số trị tính toán

dự báo quá trình vận chuyển và biến đổi dầu đang được sử dụng hiện nay, từ các

mô hình quỹ đạo đơn giản tới các mô hình 2, 3 chiều tính toán chi tiết quá trình lan truyền và biến đôi dầu, có tính đến các giải pháp ứng phó và đánh giá ảnh hưởng của dầu ô nhiễm tới môi trường sinh thái Đe có the xây dựng được các

mô hình này, cần phai có kiến thức chi tiết về các quá trình vận chuyển, biến đôi cua dầu, tác động của dầu ô nhiễm tới môi trường sinh thái cũng như hiệu quả cua các giải pháp ứng phó sự cô ô nhiễm dâu.

Sau khi xảy ra sự cô tràn dâu trên biên và trải qua quá trình loang dâu cơ học ban đầu, dầu sẽ bị vận chuyên trên biến bởi ảnh hương tống hợp của gió, sóng và dòng chay Vì vậy, đê dự báo quá trình lan truyền và biến đôi cua dầu ô nhiễm, cần phai có các mô hình mô phong các quá trình động lực học biên với

độ chính xác cao Hiện tại, phương pháp dự báo thời tiết bằng mô hình số trị đã đạt được nhiêu kêt quả rât tôt và đã trở thành phương pháp chính dùng đê dự báo thời tiết ở các nước phát triền như Mỹ, Nhật và Châu Ẩu Có một số mô hình dự báo thời tiết số trị như các mô hình phố toàn cầu của Mỹ, Nhật, Châu Âu, các

mô hình dự báo thời tiết khu vực như mô hình phổ khu vực của Mỹ, Nhật và Châu Âu Các mô hình trên cung cấp các điều kiện biên thích hợp cho các mô hình dự báo thời tiết quy mô vừa có độ chính xác cao như các mô hình WRF, MM5, RAMS của Mỹ, HRM của Đức, mô hình JMA MRỈ-NDP của Nhật v.v Các yếu tố khí tượng như vận tốc gió tại độ cao 10 m, nhiệt độ không khí, nhiệt

độ mặt biên và bức xạ mặt trời dự báo bằng các mô hình trên có thê được dùng

đê tính toán các quá trình động lực khác trong biên như dòng chảy, sóng, và được sử dụng trực tiếp để tính toán quá trình vận chuyển và phong hoá dầu Các

mô hình dự báo sóng biến thường được dùng là các mô hình WAM, SWAN kết hợp với các mô hình tính toán quá trình lan truyền sóng ven bờ Có rất nhiều mô hình tính toán dòng chảy 2 và 3 chiều trên biển Thông thường, các mô hình 2 chiều chỉ được sử dụng đe tính toán dòng chảy tại khu vực ven bờ và cửa sông

có độ sâu không lớn Đối với vùng ngoài khơi, vì độ sâu biến lớn và dòng chảy thay đối rất mạnh theo độ sâu, việc sử dụng các mô hình số trị 3 chiều là cần thiết Hơn nữa, như thấy ở các phần trên, cần phải sử dụng mô hình 3 chiều để tính toán quá trình vận chuyến và biến đôi của dầu ô nhiễm trên biên Một số mô hình điền hình như mô hình POM (Princeton University Ocean Model) tại trường Đại học Princeton (Mỹ), mô hình ROMS (Regional Oceanic Modeling System) tại trường Đại học Caliomia, Los Angeles và Đại học Rutgers (Mỹ), mô hình HAMSON (Hamburg Shelf Ocean Model) (Đức, Canada), mô hình AIMS/GHER tại trường đại học Liège (Bỉ) Các mô hình trên dùng cho cả vùng ngoài khơi và ven bờ Mô hình MECCA (Model for Estuarine and Coastal Circulation and Assessment) dùng tính toán dòng chảy vùng cửa sông và ven bờ Bên cạnh đó, các mô hình MIKE3 PA/SA (Đan Mạch), STATMAP (Na Uy) có thê tính toán dòng chảy và lan truyền, biển đôi của ô nhiễm dầu 3 chiều Trong

số các mô hình trên, mô hình POM là mô hình tính toán khá chi tiết các quá

trình rối biên theo sơ đồ khép kín rối mực 2,5 cua Mellor và Yamada và ảnh hương của phân tâng mật độ tới quá trình vận chuyên chât khuyêch tán theo phương thăng đứng Mô hình ROMS xét tới quá trình rối khá đơn gián bằng cách sử dụng một phân bô năng lượng rôi theo phương thăng đứng Mô hình A1MS/GHER cũng tính toán rối bàng một sơ đồ khá đơn íỉiản trên cơ sở gradient vận tốc dòng chay Mô hình MECCA cho phép tính toán dòng chay tông hợp vùng ven bờ và cửa sông với độ chính xác khá cao, nhung do không

mô hình hoá chi tiết quá trình trao đôi rối theo phương thăng đứng khi có phân tâng mật độ nên khi áp dụng cho khu vực ngoài khơi, độ chính xác trong việc tính khuyếch tán và phân tán dầu theo phương thẳng đúng bằng mô hình này có nhiều hạn chế Các mô hình HAMSON, MIKE3 PA/SA, STATMAP (Skognes

và Johansen, 2003) cũng sử dụng một sơ đồ tính rối rất đơn giản nên các kết quả tính toán bằng mô hình không có độ chính xác cao trong điều kiện phân tầng mật độ Các mô hình POM, ROMS và MECCA đều sử dụng các sơ đồ tính toán

có khả năng tách các sóng trọng lực 2 chiều (external mode) ra khỏi các tính toán vận tốc dòng chảy cùng như các đại lượng động lực học 3 chiều (internal mode) nên tiết kiệm thời gian tính toán Trong khi đó, các mô hình AIMS/GHER và MIKE3 PA/SA tính đồng thời dao động mực nước đại dương

và các đặc trung động lực 3 chiều nên yêu cầu bước thời gian tính toán ngắn và

do đó thời gian tính toán tông cộng dài hơn

Tác giả nước ngoài duy nhất xây dựng mô hình tính toán vận chuyển dầu

ô nhiềm trong khu vực Biển Đông là Hang và nnk (1989) Mô hình này đã được Buranapratheprat (1999) áp dụng để tính vận chuyển dầu ô nhiễm trong vịnh Thái Lan Mô hình dựa trên giả thiết là dầu ô nhiễm được vận chuyển trên biển như là vật nổi chịu ảnh hưởng đồng thời của dòng chảy Ekman, dòng Stokes, dòng dư và dòng triều

Mô hình MIKE3 PA/SA nằm trong gói mô hình MIKE do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI phát triển), là một gói phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy, lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyên bùn cát và các chất ô nhiễm ở các cửa sông, sông, hồ, biển và các khu vực chứa nước khác Trong đó, mô đun MIKE 21 & MIKE 3 Particle/Spill Analysis được xây dựng đê mô phỏng quá trình lan truyền dầu Đây là bộ mô hình tiên tiến có khả năng tính toán mạnh và đang được sử dụng rộng rãi trên khắp thể giới

2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Ngay từ những năm đầu của thập niên 90 thế kỷ trước, vấn đề nghiên cứu

sự lan truyền ô nhiễm dầu do sự cố trên biển đã được triển khai trong khuôn khổ

đề tài cấp nhà nước 48.B.05.03 “Ô nhiễm Biển” do cổ GS TSKH Phạm Văn Ninh chu trì Bên cạnh việc nghiên cứu đánh giá chung khá năng, mức độ nguy

cơ xay ra sự cố ô nhiễm dầu, đề tài đã đề cập nghiên cứu các quá trình lý-hóa diễn ra khi xảy ra sự cô như quá trình bay hơi, loang dầu cơ học, phân tán, hòa tan, oxy hóa, nhũ tương hóa, lắng đọng, phân huỷ sinh học, lan truyền Đe tài

đã tiến hành xây dựng chương trình số mô phỏng vệt dầu loang trên mặt biên khi có sự cố xảy ra trên cơ sở phương trình truyền tải khuyếch tán, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn và đã có xét đến một sổ quá trình chính như bay hơi, loang dâu cơ học do trọng lực Tuy nhiên, trong quá trình phát triên mô hình, các tác aiả nhận thấy phương pháp này có nhiều hạn chế, đặc biệt là phương trình khuyếch tán không thể áp dụng cho dầu là chất không hòa tan hoàn toàn trong nước mà ở dạng các mảng, khôi nhỏ Trong những nghiên cứu tiếp theo, phương pháp ngẫu hành (random walk) đã được sử dụng Đây là phương pháp được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là trong lĩnh vực mô phỏng sự lan truyền của dầu trên/ trong biển Các chương trình số mô phỏng sự lan truyền của vệt dầu trên biển (OST-2D, OST-3D) dần dần được hoàn thiện như tính đến quá trình lý-hóa chính xảy ra khi dầu tràn ra biến, bao gồm quá trình bay hơi, quá trình loang dầu cơ học do trọng lực, quá trình nhũ tương hóa Dựa trên các tài liệu về tính chất của các loại dầu, đã xây dựng được cơ sở dừ liệu về tốc độ bay hơi, nhũ tương hóa của dầu phụ thuộc vào nhiệt độ của dầu và môi trường xung quanh và tốc độ gió trên mặt biển Do thiếu số liệu quan trắc về các sự cố tràn dầu nên đã không thế tiến hành việc hiệu chỉnh, kiểm tra mô hình bằng các

số liệu về dầu tràn, thay vào đó, chương trình được kiểm tra (một cách gián tiếp) qua việc mô phỏng sự lan truyền dầu ở các của sông và so sánh với ảnh viễn thám Các mô hình OST đã được áp dụng đề tính toán dầu tràn với nhiều mục đích khác nhau như dự báo khả năng lan truyền vệt dầu ở các vùng biền Bắc, Trung và Nam bộ, tính toán phạm vi lan truyền của dầu trong khu vực cảng Hải Phòng, tính toán các kịch bản tràn dầu qua đó xây dựng các bản đồ nhạy cảm tràn dầu cho các khu vực đang được quan tâm như Vịnh Hạ Long (2004), Vịnh

Đà Nang (2005), Vịnh Văn Phong (2007) Đặc biệt là các chương trình này đã được xây dựng dưới dạng phần mềm đóng, dễ sử dụng và đã chuyến giao cho các cơ sơ cân sử dụng như Công ty Dầu Khí Việt-Nhật (JVPC), Xí nghiệp Liên doanh Dầu Khí Việt-Xô (VIETSOVPETRO) Nhược điểm của mô hình trên là trong mô phong quá trình lan truyền dầu bằng phương pháp ngẫu hành, quá trình

va chạm liên kêt của các giọt dầu iơ lửng trong nước chưa được mô phỏng Hơn nữa, mô hình khép kín rối dùng trong nghiên cứu chưa tính được ảnh hưởng của phân tầng mật độ tới các quá trình rối, liên quan tới các quá trình xáo trộn và

phân tán của các giọt dầu lơ lửng trong biên Trong khi đó, theo các nghiên cứu cua các tác gia nước ngoài thì quá trình trao đôi rối gần mặt biên có vai trò rất quan trọng trong quá trình vận chuyên và biên đôi cua dâu Tính toán mô phong được quá trình này với độ chính xác cao sè giúp nâng cao chât lượng tính toán

mô phỏng quá trình trao đối dầu giữa lớp dầu trên mặt biển và các lớp dưới, quá trình phân tán dầu, nhũ tương hoá và hoà tan cua dầu Mô hình cua các tác giả trên sư dụng hệ toạ độ Đe-các với lưới vuông góc, chỉ áp dụng được với độ chính xác cao tại các khu vực hẹp Khi áp dụng cho các khu vực rộng như toàn Biên Đông, cân phải chinh sửa mô hình đê tính tới độ cong cua trái đất Ngoài ra,

mô hình này cũng chưa tính tới ảnh hưởng của phân tầng nhiệt muối tới dòng chay biên và vận chuyên dầu Trong khi đó, theo tác giả Đinh Văn Ưu, ảnh hưởng của phân tầng nhiệt muối tới dòng chảy trong biến trên quy mô toàn bộ Biên Đông là rất đáng kể Ảnh hưởng của sóng biển tới quá trình nhũ tương hoá dầu được đánh giá gián tiếp thông qua tốc độ gió Do vậy, ảnh hưởng của quá trình sóng vờ ven bờ và sự biến đổi của trường sóng tại các khu vực có địa hình phức tạp chưa được xem xét tới Mô hình cũng chưa được liên kết với một mô hình dự báo khí tượng nên chưa thể áp dụng ngay được để dự báo lan truyền và biến đổi của dầu khi gặp sự cố ô nhiễm dầu

Một tác giả khác cũng đạt được nhiều kết quả nghiên cứu về ô nhiễm dầu

là tác giả Nguyễn Hữu Nhân Tác giả này đã xây dụng phần mềm mô phỏng quá trình lan truyền và biến đổi dầu trên biến, đánh giá tác động môi trường của ô nhiễm dầu Phần mềm do tác giả xây dựng trên cơ sở mô hình có giao diện thuận tiện cho người sử dụng Tác giả đã sử dụng mô hình đế tính toán mô phỏng quá trình ô nhiễm dầu tại Khánh Hoà, Thành Phổ Hồ Chí Minh Gần đây nhất, vào đầu năm 2007, tác giả đã áp dụng mô hình đế tính toán xác định nguồn

ô nhiễm dầu trong sự cổ ô nhiễm dầu ven biển nước ta Mô hình tính toán lan truyền ô nhiễm dầu là mô hình Lagrange Mô hình tính toán dòng chảy dùng trong mô hình mô phong quá trình vận chuyên và biến đôi dầu là mô hình MECCA Như đã nhận xét ở phần trên, đây là mô hình sử dụng đế tính dòng chảy trong khu vực cửa sông và ven bờ Do vậy, sơ đồ khép kín rối khá đơn giản

và ảnh hưởng cua phân tầng mật độ tới quá trình rối, tức là quá trình xáo trộn và phân tán dầu chưa được tính đầy đu Vì vậy, quá trình trao đổi dầu giừa lớp dầu trên mặt với các lớp nước bên dưới và quá trình xáo trộn dầu trong lớp nước dưới mặt chưa được tính toán với độ chính xác thoả đáng Ngoài ra, mô hình này cũng có những nhược điêm như mô hình OST đã được trình bày ở trên Vì vậy, cân phải có những cải tiến thích họp thì mới có thể áp dụng mô hình đê tính toán

dự báo lan truyền ô nhiềm dầu trên biển, đặc biệt là trên phạm vi toàn Biến Đông.

Tác giả Đinh Văn ư u và các cộng tác viên tại Trường Đại học Khoa học

Tự nhiên, Đại học Quôc Gia Hà Nội đâ xây dựng một mô hình dự báo phạm vi lan truyên váng dâu trên mặt biên cùng với các khu vực chịu anh hưởng dâu trong nước và trầm tích đáy với quy mô từ một vài ngày đến vài ba tuần lề và

mỏ hình dự báo các vùng biến có khả năng tích tụ lâu dài các pha dầu khác nhau với thời gian dài hàng tháng trở lên Cơ sở cua mô hình tính toán dòng chảy 3 chiều trong biên là mô hình AIMS/GHER của Bi Mô hình tính toán lan truyền ô nhiễm dầu là mô hình Euler, giải phương trình khuếch tán dầu trong biển Do vậy, các kết quả tính toán chịu ảnh hưởng khá mạnh của độ nhớt số trị Cùng như các mô hình đã nêu ơ trên, sơ đồ khép kín rối dùng trong mô hình là khá đơn giản và chưa mô phỏng thoả đáng quá trình trao đổi dầu giừa các lớp dầu trên mặt và dưới mặt, quá trình xáo trộn, phân tán dầu trong lớp dưới mặt Tác giả cũng chưa kết nổi được mô hình dự báo khí tượng vào trong mô hình tính toán lan truyền và biến đổi của ô nhiễm dầu

Một nhóm tác giả khác nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo quá trình lan truyền và biến đoi của dầu gây ô nhiễm là nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Biển và Tương tác Biển Khí quyển, Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường do tác giả Vũ Thanh Ca đứng đầu Mô hình lan truyền và biến đổi dầu ô nhiễm được kết nối với các mô hình dự báo biển như mô hình MM5 dự báo trường khí tượng, mô hình POM dự báo dòng chảy và mô hình SWAN dự báo sóng Có hai phiên bản của mô hình do nhóm nghiên cứu này phát triển là mô hình 2 chiều tính toán dòng chảy và lan truyền ô nhiễm dầu vùng cửa sông, ven bờ và mô hình 3 chiều tính toán dòng chảy, lan truyền và biến đối ô nhiễm dầu trên khu vực biển rộng Mô hình dòng chảy 3 chiều là mô hình POM do nhóm nghiên cứu tại trường Princeton, Mỹ, đứng đầu là Giáo Sư

G Mellor xây dựng Đây là một mô hình tính toán dòng chảy rất hiện đại, trong

đó mô hình khép kín rối sử dụng sơ đồ mức 2,5 của Mellor - Yamada, cho phép tính với độ chính xác cao ảnh hưởng của phân tầng mật độ tới hệ số trao đổi rối theo phương thăng đứng Lưới tính theo toạ độ địa lý có tính tới độ cong của vỏ trái đất cho phép áp dụng mô hình cho các khu vực có quy mô tưỷ ý Mô hình này cũng cho phép tính dòng chảy gây ra bởi phân tầng nhiệt muối trên toàn bộ Biến Đông Nó cũng cho phép tính toán ảnh hướng của quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời, quá trình trao đổi nhiệt ấn và nhiệt cảm giữa bề mặt biến là lớp khí quyển trên biển Đây là mô hình với mã nguồn mở được cung cấp miễn phí, cho phép người sử dụng can thiệp và biến đổi mô hình phục vụ các mục đích nghiên

cứu và tính toán khác nhau Trường sóng dùng đê tính anh hưởng của sóng tới quá trình lan truyền và biến đối dầu được tính bằng mô hình SWAN Quá trình lan truyên và biên đôi dâu trên biên được tính băng sơ đô Fouler có khử khuyêch tán sô trị băng phương pháp sử dụng đường đặc trưng Dâu ỏ nhiễm được phân thành 2 loại: dâu trên mặt và dâu chìm dưới mặt Tât cả các quá trình quan trọng trong phong hoá dâu trên biên như quá trình bay hơi, nhù tương hoá, phân tán dâu, hoà tan, lắng đọng dầu xuống đáy biên, tương tác dầu với bãi cát và đường

bờ V V , đều được tính tới trong mô hình Các thông số khí tượng dùng để tính toán lan truyền và biến đôi của dầu ô nhiễm như tốc độ gió, nhiệt độ không khí, bức x ạ mặt trời V.V., được cung cấp bơi mô hình dự báo khí tượng MM5 Do vậy,

hệ thông tính toán do nhóm tác giả xây dựng có thê sử dụng, phát triên đê tính toán dự báo lan truyền và biến đối ô nhiễm dầu, phục vụ xác định nguồn gây ô nhiễm dầu, phân vùng ô nhiễm, đánh giá rủi ro ô nhiễm và xây dựng các phương

án ứng phó sự cố tràn dầu Hệ thống tính toán đã được kiểm chứng bằng các quan trắc trong các sự cố ô nhiễm dầu đầu năm 2007 Các kết quả tính toán kiểm chứng các mô hình thuộc hệ thống cho thấy hệ thống có thể mô phỏng khá tốt quá trình ô nhiễm dầu trên toàn bộ vùng biển Việt Nam Trên cơ sở đó, nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường đã chuyên giao các kết quả tính toán xác định nguồn gây ô nhiễm dầu cho Tố công tác xác định nguyên nhân ô nhiễm dầu vùng biển Việt Nam để tìm giải pháp xừ ỉý ô nhiễm Các tác giả cũng đã áp dụng hệ thống tính toán để tính lan truyền và biến đổi ô nhiễm dầu phục vụ đánh giá tác động môi trường của Cảng Trung chuyển quốc tế Vân Phong, đánh giá rủi ro ô nhiễm dầu tại vùng biến Đà Nang, tính toán xác định nguồn ô nhiễm dầu trong sự cố ô nhiễm dầu ven biển Việt Nam đầu năm 2007

Tác giả Trần Hồng Thái, Nguyễn Xuân Hiển tại Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường đâ nghiên cứu, áp dụng mô hình MIKE31 PA-

SA để tính lan truyền, biến đổi của dầu trên biển và xác định nguồn gây ô nhiễm dầu trong sự cố ô nhiễm dầu ven biên Việt Nam vào đầu năm 2007 Các tác giả cũng xây dựng một mô hình giải bài toán ngược, tính toán xác định nguồn ô nhiềm dầu từ vị trí dầu dạt vào bờ và thông tin gió, dòng chảy biển trong quá khứ Các tác gia cùng đã kết nổi mô hình dự báo khí tượng MM5 vào hệ thống

dự báo tràn dầu nhằm cung cấp các thông tin khí tượng như vận tốc gió, nhiệt độ không khí, bức xạ mặt trời phục vụ tính toán lan truyền và ô nhiễm dầu Các kết quả nghiên cứu này, cũng đã được áp dụng vào các công việc cụ the như tính toán, dự báo ô nhiễm dầu tại khu vực cửa Định An sau khi mở kênh nổi sông Hậu với Biến Đông qua kênh tắt; như tính toán, dự báo ô nhiễm dầu tại khu vực

sông Sài gòn - Đồng Nai phục vụ công tác diễn tập, ứng phó sự cố tràn dầu trên sông Sài gòn - Đồng Nai.

2.3 Các quá trình vận chuyển và biến đổi dầu

Các kết qua nghiên cứu từ trước đên nay cho thây quá trình vận chuyên và biến đôi cua dầu thoát ra ngoài môi trường biên chịu ảnh hưởng bởi các quá trình vật lý, hoá học, sinh học và phụ thuộc vào các điêu kiện môi trường, khí tượng và hải văn Các quá trình này bao gồm: quá trình loang dầu cơ học ngay sau khi dầu thoát ra khỏi nguồn; quá trình vận chuyên của dầu do tác động của gió, sóng và dòng chảy; quá trình phân tán tự nhiên, quá trình phong hoá (kê cả các quá trình nhũ tương hoá, bôc hơi, hoà tan, ô xy hoá, phân huỷ sinh học, phân huỷ do ánh sáng mặt trời), tạo hạt, chìm lắng và đọng lại tại đáy; quá trình tương tác dầu với bãi cát và bờ Các kết quả nghiên cứu về các quá trình trên sẽ được

mô tả chi tiết dưới đây

Ouá trình ¡oang dầu cơ học: Sự loang dầu cơ học là một trong các quá

trình quan trọng trong di chuyển ban đầu cua dầu loang, khi dầu vừa thoát ra khỏi nguồn Mô hình về quá trình loang dầu cơ học cho phép dự báo độ dày của lớp dầu loang và diện tích khu vực dầu loang là rất cần thiết Nó cung cấp các biến quan trọng nhất cho các mô hình tính toán lan truyền và phong hoá dầu Diện tích khu vực dầu loang (hay độ dày lớp dầu loang) được dùng để tính lượng dầu bốc hơi, từ đó tính toán sự thay đổi thành phần và tính chất của dầu theo thời gian Nhiều mô hình sử dụng độ dày lớp dầu loang để tính toán tốc độ phân tán tự nhiên của dầu, từ đó xác định thời gian tồn tại của dầu trên mặt biến Đồng thời, độ dày của lớp dầu loang cũng cần thiết để đánh giá hiệu suất của các giải pháp ứng phó sự cố tràn dầu và đánh giá tác động môi trường Ngày nay, phương trình của Fay (1969, 1971) và Hoult (1972) về quá trình loang dầu cơ học trên mặt biển là cơ sở của hầu hết các thuật toán tính quá trình loang dầu cơ học Tuy vậy, phương trình này không giải thích hết được một số hiện tượng loang dầu quan trắc được trong thực tế như quá trình kéo dài của vệt dầu với một lớp dầu mỏng rất dài sau một lớp dầu dày, quá trình giảm tốc độ loang dầu

do độ nhớt của dầu, quá trình vỡ của lớp dầu ra thành các dải dầu nhỏ, và sự phụ thuộc của tốc độ loang dầu vào tốc độ thoát dầu ra khỏi nguồn MacKay (1980a, b) sửa đôi côna thức của Fay và Hoult bàng cách chia miền dầu loang thành 2 khu vực: khu vực có lớp dầu dầy và khu vực có lớp dầu mỏng, với giả thiết là lớp dầu dày cung cấp dầu cho lớp dầu mỏng Mô hình này của MacKay thiếu cơ

sở vật lý về mối liên hệ giữa các pha dầu loang Lehr và nnk (1984a,b) đề xuất một mô hình cải tiến có tính đến tính bất đối xúng của quá trình loang dầu Tốc

độ loang dâu theo hướng gió được giả thiết là tăng theo thời gian, ty lệ thuận với tôc độ gió với một hệ sổ gió thực nghiệm xác định từ các quan trắc Trong khi

đó, tôc độ dầu loang theo hai hướng vuông góc với hướng gió được thê hiện bàng phương trình loang dầu trọng lực cua Fay Mô hình của Lehr và nnk không tính tới sự biến đôi độ dày lớp dầu trong quá trình loang dầu NOAA (1994) đã

sư dụng mô hình loang dầu cơ học này trong mô hình ADIOS, biêu thị vệt dầu loang bàng một hình e-lip kéo dài theo hướng gió Diện tích ban đầu cua vệt dầu loang được tính bàng diện tích tại thời điềm chuyển tiếp giữa chế độ loang dầu trọng lực - quán tính và chê độ loang dâu trọng lực - nhớt Mô hình này không dùng chê độ sức căng mặt ngoài của Fay mà quá trình loang dầu được giả thiết

là dừng lại khi nó đạt độ dày o.lmm Cách xử lý này tạo ra một lớp dầu có độ dày đông nhất, không phù hợp với các kết quả quan trắc tại hiện trường Johansen (1984) và Elliot và nnk (1986) đưa ra khái niệm loang dầu do quá trình phân tán tự nhiên và quá trình tái nôi các giọt dâu đã chìm Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (Delvigne và Sweeney, 1988 ) và tại hiện trường (Reed

và nnk, 1994) đã đưa ra những bằng chứng thuyết phục khẳng định cách tiếp cận của Johansen (1984) và Elliot và nnk (1986) là có cơ sở khoa học Tới nay, cách tiếp cận này nói chung được chấp nhận là cách giải thích chính xác nhất các quá trình vật lý xảy ra trong quá trình dầu loang sau khi trọng lực không còn đóng vai trò quan trọng nữa Các nghiên cứu thực nghiệm đã cho thấy rằng dầu có độ nhớt lớn hơn thì loang chậm hơn dầu có độ nhớt nhỏ hơn Quá trình này không được tính tới trong các phương trình nguyên thuỷ của Fay, nhưng đã có một số

cố gắng đưa thông số này vào trong mô hình loang dầu dạng Fay Dựa trên các thí nghiệm với dầu có độ nhớt biến đồi trong một khoảng nào đó, Buist và Twardus (1984) đã đề nghị giảm tốc độ loang dầu tính theo các phương trình Fay theo một thông số phụ thuộc vào tỷ số giữa độ nhớt của dầu và nước Buist

và nnk (1989) đã thực hiện một loạt thí nghiệm với dầu thô có hàm lượng nến cao và đã đưa ra một hàm độ dày tới hạn, có tính đến sự khác nhau giữa nhiệt độ hoá lỏng của dâu và nhiệt độ nước Yapa (1994) trên cơ sở xem xét quá trình loang dầu cơ học từ cân bằng giữa lực trọng trường, lực nhớt và sức căng mặt ngoài, đà chia quá trình này thành 4 pha Trong pha ban đầu, lực trọng trường

và lực quán tính đóng vai trò chủ đạo Trong pha thứ 2, lực trọng trường và lực nhớt đóng vai trò làm loang dầu Trong pha thứ 3, sức căng mặt ngoài và lực nhớt đóng vai trò chủ đạo Cuối cùng, vết dầu loang đạt tới trạng thái cân bằng

Mô hình của Yapa (1994) hiện nay là một mô hình khá thông dụng đe tính toán quá trình loang dầu cơ học El-Tahan và Venkatesh (1994) tiếp cận vấn đề trên

cơ sở lý thuyết và tìm cách thêm vào một thành phần nhớt trong phương trình

cân bằng lực cho dầu loang Các tác gia đã so sánh kết qua tính bằng mô hình

mở rộng với số liệu thực nghiệm và đã thấy dạt được nhiều tiến bộ so với phương trình cua Fay Tuy nhiên, khoảng giới hạn của các thí nghiệm làm cho người ta nghi ngờ kha nărm ngoại suy các kêt qua cua các tác giả này cho các loại dầu khác Điều này cần đặc biệt lưu ý đối với các loại dầu có kha năng tạo nhù tương hoá với độ nhớt lớn hơn độ nhớt của dâu trong các thí nghiệm vài ba bậc Các nghiên cứu về mối phụ thuộc của độ dày lớp dầu cuối quá trình loang dâu cơ học vào độ nhót đã không đưa ra được các kết quả rõ ràng Trong các điều kiện tự nhiên, quá trình loang dâu không dừng lại khi đạt tới độ dày tới hạn

mà đám dầu loang sè bị vờ ra thành các đám dầu nhở do tác dụng của sóng và dòng chảy Các đám dầu này sè bị dàn rộng ra do ảnh hưởng của rối đại dương Lehr (1996) chi ra rằng trong thực tế, dầu luôn từ từ thoát ra khỏi nguồn, và do

đó, sẽ bị gió, sóng và dòng chảy mang đi Trong trường hợp này, sự loang dầu

cơ học chỉ đáng kê theo hướng vuông góc với hướng dòng chảy và gió

Trường hợp thoát dầu ngầm từ đáy biển do hở lồ khoan thăm dò dầu là một trường họp rất nghiêm trọng, tạo ra sự thoát dầu liên tục với tốc độ thoát dầu thay đồi theo thời gian Trong trường họp này, quá trình loang dầu bề mặt sẽ chủ yếu do các tác nhân môi trường quyết định Dầu thoát ra từ lồ khoan đáy biển sẽ tạo ra một dòng dầu nổi với tốc độ nổi chủ yếu do khí thoát cùng dầu tạo thành Trong trường hợp này, dầu sẽ nổi lên mặt cùng với nước bị lôi cuốn vào dòng dầu, và quá trình loang dầu tại mặt sẽ chủ yếu do dòng nước chảy loang ra từ tâm theo hướng bán kính Lớp dầu bề mặt trong trường họp này mỏng hơn lớp dầu do nguồn ô nhiễm mặt gây ra khoảng 10 lần hay hơn nừa Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về nguồn thoát dầu dưới đáy biển đã được bắt đầu vào những năm 1980 (Fannelop and Sjuen, 1980 ), và quá trình cải tiến các mô hình vẫn đang được tiếp tục (Swan and Moros, 1993; Rye and Brandvik, 1997; Zheng

và Yapa, 1997; Yapa và nnk, 1999) Mô hình rò dầu tại đáy biến do Zheng và Yapa (1997), Yapa và nnk (1999) xây dựng có thể áp dụng để tính toán quá trình vận chuyên và biển đối dầu từ đáy biển lên mặt với độ chính xác chấp nhận được nếu độ sâu biển tại khu vực xem xét không vượt quá 500m Đối với vùng biển sâu hơn, quá trình xáo trộn dầu với nước xung quanh dòng dầu-khí và dòng chảy biến tại các tầng sâu làm sai lệch kết quả tính toán đáng kể Do vậy, cần phái có nhừng nghiên cứu tiếp tục đe nâng cao độ chính xác tính toán với các vùng biên sâu Đê cung cấp các cơ sở cho việc cải tiến các mô hình tính toán các quá trình vận chuyển và biến đổi dầu khi có rò dầu ở lỗ khoan đáy biển sâu, trong thời gian từ năm 1999 tới năm 2000, các nhà khoa học thuộc Châu Âu và

Mỹ đã tiến hành Dự án nghiên cứu rò dầu tại đáy biển sâu (thực nghiệm

DeepSpill) Dự án có hai mục đích (Johansen và nnk, 2003) Mục đích thứ nhât

là thu thập các số liệu liên quan tới rò dầu tại đáy biên sâu Mục đích thứ hai là kiểm chứng các phương pháp tính toán quá trình vận chuyển dầu khi có rò dầu tại đáy biên Bôn thí nghiệm đã được thực hiện trong dự án Johansen (2000) xây dựng mô hình DeepBlow, đây là mô hình Lagrange cho phép mô phỏng quá trình vận chuyên dâu từ đáy lên mặt trong trường hợp thoát dâu tại đáy biên có

độ sâu trên 500m Các kết quả tính toán kiểm chứng bằng mô hình DeepBlow với các số liệu của thực nghiệm DeepSpill cho thấy rằng mô hình có thê mô phong quá trình vận chuyên và biên đôi dâu từ đáy lên mặt với độ chính xác tôt

Quá trình vận chuyên dâu do gió, sóng và dòng chay: dâu chuyên động

theo phương ngang trong biến dưới tác dụng đồng thời của gió, sóng và dòng chảy Vì dầu là một chất lỏng chỉ nhẹ hơn nước một chút, dầu cũng bị chìm lắng vào trong nước và được vận chuyến ngầm trong cột nước dưới mặt dưới dạng những giọt dầu có kích thước khác nhau Tốc độ thay đối theo không gian của dòng chảy theo cả hai hướng đứng và ngang là nhũng yếu tố quan trọng trong quá trình vận chuyển dầu Các nghiên cứu thực nghiệm hiện trường đã cho thấy ràng tốc độ vận chuyển dầu trên mặt biển có thể coi là tổng vector của 3% vận tôc gió và 100% vận tốc dòng chảy mặt (Stolzenbach và nnk, 1977) Nghiên cứu gần đây của Reed và nnk (1994) cho thấy rằng trong điều kiện gió nhẹ và không

có sóng bạc đầu, tốc độ lan truyền của dầu theo hướng gió bằng khoảng 3,5% vận tốc gió Nếu vận tốc gió tăng lên, sóng bạc đầu sẽ làm dầu chìm vào trong nước Ngoài chìm dưới dạng những giọt dầu lơ lửng, dầu còn bị hoà tan vào trong nước Khi đó, tốc độ thay đổi vận tốc dòng chảy theo phương thẳng đứng trở nên rất quan trọng Các nghiên cứu hiện trường và mô hình hoá (Johansen, 1984; Elliot và nnk, 1986; Delvigne và Svveeney, 1988; Reed và nnk, 1994; Leibovich, 1997) đã chỉ rõ rằng cần phải dùng mô hình số trị 3 chiều đê tính toán dự báo quá trình lan truyền và biến đổi của dầu ô nhiễm Các nghiên cứu này đã cho thấy rằng quá trình xáo trộn dầu vào trong nước tại bề mặt do sóng bạc đầu đóng vai trò quan trọng không chỉ trong tính toán cân bàng khối lượng,

mà còn trong việc xác định phân bố không gian và thời gian của dầu trong biến Các nghiên cửu khác (Reed và nnk, 1995a,b, 1989ab, 2004) cũng cho thấy tầm quan trọng của quá trình xáo trộn bề mặt tới vận chuyển dầu Một số nghiên cứu

đo đạc hiện trường (Spaulding và nnk, 1992, 1994; Spaulding và Haynes, 1996) cho thấy rằng có trường hợp dầu thô được vận chuyển bởi dòng chảy ngầm theo hướng gần như ngược với hướng gió Youssef và Spaulding (1993) đă đề xuất một mô hình tính eió và dòng chảy sóng có khả năng mô phỏng thành công hiện tượng trên với giả thiết là lớp vận chuyển dầu có bề dày 2,5 tới 5 lần chiều cao

sóng Một sô tác giả (Howlett và Jayko, 1998; Hodgins và nnk, 1995; Morita và nnk, 1997) đã sử dụng m ô hình sô trị tính toán dòng chảy đc mô phỏng quá trình lan truyền và biến đôi dầu Một số mô hình dùng trong hệ thống ứng phó sự cố tràn dầu (Galt, 1994; Martinsen và nnk, 1994) đà kết nôi các m ô hình dự báo số trị khí tượng hai văn với mô hình phong hoá dâu, cho phép dự báo thời gian thực quá trình lan truyền và phong hoá dầu Một số m ô hình cho phép sư dụng các số liệu đo đạc dònR chav m ặ t bằng radar đê tính toán lan truyền ô nhiễm dầu Ngày nay, với tốc độ tính toán tăng rất nhanh theo theo thời gian, hầu hết những mô hình sổ trị được sư dụng để tính toán lan truyền và biển đổi dầu đều là những mô hình số trị cho kết quả dự báo thời gian thực Tốc độ tính toán cao cũng đã cho phép sử dụng các mô hình số trị rất chính xác đề tính toán quá trình loang dầu Thí dụ, Fang và Wong (2006) đà sử dụng mô hình VOF đế tính toán quá trình loang dầu cơ học Sterling và nnk (2003) đã xây dựng một mô hình số trị rất hiện đại tính toán dự báo quá trình lan truyền dầu, trong đó quá trình vận chuyến

và biến đôi của các giọt dầu lơ lửng trong nước được mô phỏng bàng phương pháp Lagrange, có tính đến các quá trình va chạm, liên kết và vờ ra của các giọt dầu Các sổ liệu đầu vào cho các mô hình số trị 3 chiều dự báo quá trình lan truyền và biến đổi dầu được cung cấp bởi các phương tiện thiết bị quan trắc hiện đại, có độ chính xác cao và trên diện rộng Vì vậy, độ chính xác của các kết quả tính toán bằng các mô hình là đủ để sử dụng trong công tác ứng phó sự cố tràn dầu

Ouá trình bốc hơi dầu: Đánh giá lượng dầu mất mát do bốc hơi là rất

quan trọng để tính toán thời gian tồn tại của dầu và những thay đổi trong các tính chất của dầu theo thời gian Các phương pháp đơn giản được sử dụng rộng rãi chủ yếu dựa trên mô hình giải tích của Stiver và Mackay (1984) NOAA cùng dùng phương pháp này trong mô hình ADIOS Gần đây, Fingas (1996a), Fingas và nnk (1995,1996b, 1999) đà đề xuất một phương pháp thực nghiệm đơn giản đe xác định tốc độ bay hơi của dầu bằng chậu đo bốc hơi Jones (1997)

đã so sánh các kết quả dự báo bàng các phương pháp bay hơi dầu khác nhau Theo các nghiên cứu trên, có the chia các phương pháp đánh giá tốc độ bay hơi của dầu thành phương pháp thành phần và phưong pháp giải tích Theo phương pháp thành phần, phần dầu bay hơi được tính như hàm của thời gian và nhiệt độ Trong các mô hình theo phương pháp này, dầu được chia thành các thành phần với nhiệt độ sôi nằm trong các khoảng khác nhau Phần thể tích của mồi thành phần được tính và chuyến thành phần trọng lượng phân tử Áp suất hơi của mồi thành phần được tính từ giá trị điếm sôi và các công thức thực nghiệm Với điều kiện áp suất riêng của các thành phần là không đáng kế trong không khí, tốc độ

bôc hơi cua mỗi thành phần được giả thiết ty lệ với áp suất riêng của mồi thành phân Lượng bôc hơi thực tê được gia thiết là phụ thuộc vào hệ sô trao đôi chất

và là hàm cua nhiệt độ và tốc độ gió Fine,as và link ( 1996b, 1999) cho rằng tốc

độ gió không phải là một thông sổ phù hợp Jones (1997) đà cai biến phương pháp này băng cách đưa ra môi liên hệ thực nghiệm giữa thê tích phân tử và điếm sỏi Tác giả này cũng đề xuất mối liên hệ thực nghiệm giữa áp suất hơi với điêm sôi và nhiệt độ của dâu Nhờ đó, tác giả đã sử dụng được mô hình ngay cả trong trường hợp không có số liệu về trọng lượng riêng cua mồi thành phần Phương trình của Jones cho kết quả gân thực tê hơn so với áp suât hơi tính theo phương trình Clausius - Clapeyron hay phương pháp tính theo Payne và nnk(1987) Một phương pháp thành phần tương tự đã được dùng trong mô hình phong hoá dầu SINTEF (Daling và nnk, 1997) Tuy nhiên, hệ số trao đổi chất trong mô hình này dựa trên công thức thường được dùng đê tính thông lượng nhiệt, ẩm tại mặt biên (Smith, 1988) Điều này có nghĩa là hệ số trao đổi chất phụ thuộc vào tốc độ gió Amorocho và DeVries (1980), và Blake (1991) cho rằng hệ số trao đổi chất phụ thuộc vào tốc độ gió do thay đối độ nhám mặt biển theo tốc độ gió Theo các kết quả của các tác giả này, hệ số trờ kháng mặt biển thay đồi từ giá trị gần bàng hằng số (lx lO '3) tại vận tốc gió dưới 6 hay 7m/s, khi bắt đầu xuất hiện sóng bạc đầu, tới khoảng gấp đôi giá trị đó tại vận tốc gió 20m/s (Amorocho và DeVries, 1980) Do yêu cầu nhiều số liệu và thuật toán phức tạp, các phương pháp đơn giản hơn đã được đề xuất như phương pháp giải tích của Stiver và Mackay (1984) Phương pháp này hiện được dùng trong nhiều

mô hình lan truyền dầu, kể cả mô hình ADIOS của NOAA (1994) Phương pháp này dựa trên một vài phép đơn giản hoá, trong đó có mối liên hệ tuyển tính giữa điểm sôi của pha dầu lỏng và lượng dầu mất mát do bốc hơi Mối liên hệ tuyến tính này được xác định theo nhiệt độ điểm sôi ban đầu của pha lỏng và gradient của nhiệt độ điêm sôi này theo phần trăm bay hơi Trong mô hình ADIOS (NOAA, 1994), nhiệt độ điểm sôi ban đầu được tính toán theo thuật toán thử sai với áp suất hơi trên mặt dầu vừa thoát ra được giả thiết bằng áp suất không khí Jones (1997) so sánh mô hình giải tích mơ rộng và mô hình thành phần và thấy rằng mô hình giải tích mở rộng nói chung dự báo lượng bốc hơi lớn hơn đáng kể

so với mô hình thành phần của ông Ông cho rằng sự khác nhau có thê do khác nhau về thuật toán, cũng có thể do mô hình giải tích sử dụng xấp xỉ tuyến tính để biểu diền đường cong điểm sôi Stiver và Mackay (1984) đưa ra thông số “lộ bôc hơi” trong mô hình giải tích Họ chứng minh rằng mối liên hệ giữa lượng mất mát do bốc hơi và thông số này có bản chất động lực và không phụ thuộc vào mức lộ bốc hơi Do vậy, mối liên hệ chi phụ thuộc vào thành phần dầu ban

đầu và nhiệt độ của dầu Với vận tốc gió không đối, thông sổ lộ bốc hơi có thê biểu thị bằng biếu thức với K là hệ so trao đôi chất, h là độ dày ban đầu của lớp dầu và t là thời gian lộ Khi vận tổc gió thay đôi, hệ sô lộ bỏc hơi có thê tính băng cách tích phân theo thời gian Johansen và Skognes (1988) áp dụng phương pháp này trong mô hình thống kê quỹ đạo giọt dầu đê giảm thời gian tính toán lượng bốc hơi Trong mô hình này, lượng dầu mất mát do bôc hơi được xem là hàm của thời gian, loại dầu và các điều kiện ban đầu (như độ dày lớp dầu, vận tốc gió) Trong quá trình tính, lượng dầu mất mát do bốc hơi được xác định băng phương pháp nội suy đơn gian trên cơ sở lộ bôc hơi tích luỳ theo mổi quỳ đạo Fingas (1997) tiến hành các thí nghiệm với nhiều loại dầu thô khác nhau đê xác định các công thức thực nghiệm đơn giản cho phép tính lượng dầu mất mát

do bốc hơi theo thời gian, dựa theo số liệu chưng cất dầu Tuy nhiên, Fingas (1997) cũng kết luận ràng vận tốc gió và diện tích lộ bốc hơi không ảnh hưởng đáng kể tới tốc độ bốc hơi Do vậy, ông cho rằng các công thức của ông có thể được dùng mà không cần hiệu chỉnh vận tốc gió hay độ dày lóp dầu, mà chỉ cần hiệu chỉnh nhiệt độ Các kết luận này hiện chưa được đồng ý rộng rãi trong giới chuyên môn Jones (1997) so sánh các kết quả tính toán theo mô hình thành phần và theo các phương trình thực nghiệm Fingas và kết luận rằng các mối liên

hệ thực nghiệm của Fingas cho tốc độ bốc hơi nhỏ hơn đáng kể so với mô hình thành phần Jones (1997) chỉ ra rằng Fingas đã sử dụng tốc độ gió nhỏ và lớp dầu khá dày để xác định các thông sổ trong mô hình của ông Khi kiểm tra với các điều kiện tương tự, ông thấy rằng kết quả tính toán bằng mô hình thành phần phù hợp tốt với kết quả của Fingas

Quá trình phân tán tự nhiên: tính toán quá trình phân tán tự nhiên là cần

thiết để đánh giá thời gian tồn tại của dầu Tốc độ phân tán tự nhiên của dầu phụ thuộc vào các thông sô môi trường (trạng thái mặt biên), nhưng cũng phụ thuộc vào các thông so dầu như độ dày lớp dầu và tính chất dầu (mật độ, sức căng mặt ngoài, độ nhớt) (Li, 1996) Quá trình nhũ tương hoá đóng góp quan trọng vào sự tồn tại của dầu, chủ yếu do tăng mạnh độ nhớt của dầu và độ dày lớp dầu có chứa nước (làm chậm quá trình loang dâu, tăng thê tích, làm giảm quá trình phân tán tự nhiên) Mất mát dầu do quá trình phân tán tự nhiên có thê được tính toán theo các phương trình do Mackay và nnk (1980a,b) đề xuất Phương pháp của Mackay và nnk dựa trên đánh giá phần F của mặt biển chịu ảnh hưởng của quá trình phân tán trong một đơn vị thời gian, tính theo phần FB của dầu được phân tán dưới dạng các giọt dâu có kích thước đủ nhỏ đê phân tán vào trong nước Tổc độ tống cộng lôi cuổn dầu vào trong nước (m3/m2s) được tính bằng cách nhân F với độ dày lớp dầu Tốc độ phân tán dầu được tính bằng cách nhân

đại Itrợng tìm được với FB Mackay và nnk ( 1980a,b) cho rằng F phụ thuộc vào trạng thái mặt biên, tăng tỷ lệ với bình phương vận tốc gió Phần dầu bị phân tán lại chịu ảnh hương bởi các tính chất cua dầu Các nghiên cứu cho rằng các lớp dâu mỏng với độ nhớt nhỏ sẽ phân tán nhanh hơn các lớp dâu dây có độ nhớt lớn hơn Trong một sô mô hình (Payne và nnk, 1987; Reed và nnk, 198%), chi có phần dày của dầu tràn được xem xét, trong khi Mackay và nnk (1980a,b) áp dụng các phương trình phân tán cho cả phân dày và phân mong cua dâu Do bo qua quá trình vận chuyển dầu từ phần lớp dầu dày sang phần lớp dầu mỏng, các

mô hình này cho kết quả tính tốc độ phân tán chung nhỏ hơn thực tê Các mô hình phân tán dầu dựa trên các kết quả thực nghiệm của Delvigne và Sweeney(1988) giờ đã gân như trở thành các mô hình tiêu chuân Delvigne và Sweeney

đã nghiên cứu quá trình phân tán tự nhiên của dầu do sóng vỡ trong máng sóng

và bế sóne và đã rút ra mối liên hệ thực nghiệm giữa tốc độ lôi cuốn dầu vào trong nước (phần dầu mất vào trong nước trong 1 đơn vị thời gian) như là hàm của loại dầu và năng lượng sóng vỡ Các tác giả cũng tìm ra mối liên hệ đế dự báo phân bổ kích thước giọt dầu theo các thông số trên Các tác giả cũng thấy rằng số lượng giọt dầu trong một khoảng kích thước nào đó liên hệ với kích thước giọt theo mối quan hệ hàm mũ Biểu thức phân bổ kích thước giọt dầu của

lượng dầu bị lôi cuốn vào trong nước do mỗi con sóng vỡ có dạng Q(jin =C'DP, trong đó 0 Jm là lượng dầu bị lôi cuốn vào nước trong mồi đơn vị diện tích bề

mặt với các giọt dầu có kích thước từ 0 tới D s ố mũ 1,7 được rút ra từ quan trắc phân bổ hàm mũ của kích thước hạt, xác định từ thí nghiệm Hệ số tỷ lệ c phụ

thuộc vào loại dầu và độ cao sóng vỡ H, c = aH'1, với hệ số phân tán a phụ thuộc

vào loại dầu, biếu thị qua hệ số nhớt, số mũ q tìm được trong thí nghiệm máng sóng là 1,14 và trong thí nghiệm be sóng là 1,4 (Delvigne và Hulsen, 1994) Các tác giả cho ràng hệ số phân tán có giá trị hầu như không đổi với dầu có độ nhớt nhỏ cho tới một giá trị giới hạn nào đó Khi độ nhớt lớn hơn giá trị giới hạn, hệ

sổ phân tán giảm đáng kể khi hệ số nhớt tăng lên Các kết quả nghiên cứu trên phù hợp với các kết quả quan trắc hiện trường là hệ sổ phân tán của dầu bị nhũ tương hoá nhỏ hơn hệ số phân tán của dầu không bị nhũ tương hoá một cách đáng kê (Reed và nnk, 1994) Tốc độ phân tán như trình bày ở trên được tính cho mồi sóng vỡ Đê thu được tốc độ lôi cuốn dầu vào trong nước, cần phải

nhân phương trình tìm được với hệ sổ tốc độ Fw, được tính bàng tỷ số phần mặt

biên được bao phủ bởi sóng vỡ chia cho chu kỳ sóng Các tác giả cho rằng các phương trình mô ta các quá trình phân tán dâu có thê đúng trong giới hạn từ các giọt dầu nhỏ nhất cho tới kích thước mà lượng dầu lôi cuốn bằng hàm lượng dầu trên mặt (lượng dầu trên một đơn vị diện tích bề mặt) Điều này có nghĩa là kích

thước giọt dâu lớn nhât sẽ phụ thuộc vào độ dày lớp dâu, trạng thái mặt biên, loại dầu và trạng thái phong hoá Phương pháp Delvigne và Sweeney hiện đang dược sử dụng rộng rãi trên thê giới, kê cả trong mô hình AD10S (NOAA, 1994),

mô hình phong hoá dầu SINTEF (Aamo và nnk, 1993; Daline và nnk, 1997), OSCAR (Reed và nnk, 1995a,b; Aamo và nnk, 1997), và OILMAP (Spaulding

và nnk, 1992) Trong một số mô hình, các giọt dâu có kích thước nho hơn một giới hạn nào đó sẽ bị coi là phân tán mạnh vào trong nước và có rất ít khả năng tái xuất hiện tại khu vực ô nhiễm dầu Khi đó, các giọt dầu không có khả năng tái xuât hiện tại khu vực ô nhiếm dâu sẽ bị coi là biên mât vĩnh viễn Giới hạn đường kính của giọt dầu để nó biến mất vĩnh viễn nói chung nằm trong khoảng 70-100 m (Lunel, 1993) Tuy nhiên, việc dùng một bán kính giới hạn đế giọt dầu biến mất là đáng nghi ngờ do một số nguyên nhân sau đây Các giọt dầu bị lôi cuốn vào nước sê có khả năng biến mất vĩnh viễn nếu vận tốc chuyển động rối theo phương thăng đứng lớn hơn vận tốc nổi của giọt dầu Khi chuyển động rối là thống trị, các giọt dầu bị phân tán có xu hướng xáo trộn vào trong cột nước,

do vậy thời gian nôi lên mặt sẽ tăng lên, tức là làm gia tăng khả năng các giọt dầu biến mất vĩnh viễn Điều đó có nghĩa là giới hạn để phân tán vĩnh viễn có nhiều khả năng phụ thuộc vào vận tốc nổi của giọt dầu và trạng thái mặt biển, hơn là vào kích thước giọt dầu Hơn nữa, các giọt dầu bị phân tán có xu hướng chuyên động chậm hơn lớp dầu bề mặt do vận tốc dòng nước phía dưới nhỏ hơn Quá trình nối lên từ từ của những giọt dầu bị nhấn chìm trong một khoảng kích thước nào đó sẽ đóng góp vào sự kéo dài của vết dầu, với một vùng có lớp dầu móng ở phía sau vùng có lớp dầu dày Các quá trình như đã nêu ở trên đã được đưa vào các mô hình vận chuyến dầu theo phương pháp theo dõi hạt (Johansen, 1987; Elliot, 1991; Reed và nnk, 1994) Các quá trình này tạo ra sự vận chuyên dầu từ vùng có vết dầu dày tới vùng có vết dầu mỏng, do vậy làm tăng cường quá trình phân tán dầu Các nghiên círu gần đây nhất theo hướng xem xét sự cân băng giữa lực nôi của các giọt dầu và động lực của sóng vỡ là công trình của Tkalich và Chan (2002) Các tác giả này đã xây dựng một mô hình động học mới về xáo trộn thăng đứng của dầu, sử dụng thông lượng năng lượng giữa sóng

vờ và các giọt dâu nôi Các tác giả đà hiệu chỉnh mô hình với các thực nghiệm, cho phép sử dụng mô hình trong nhiều điều kiện môi trường và loại dầu khác nhau

Ọuá trình va chạm liên kết hay vờ ra của các giọt dầu có thể là không quan trọng ở ngoài khơi đại dương, nhưng ảnh hưởng của nó rất quan trọng trong vùng gần bờ khi tốc độ pha loãng và lôi cuốn dầu giảm một cách đáng kề

Do quá trình này, các giọt dầu nhỏ có thể liên kết với nhau để tạo ra các giọt dầu

lớn và nôi lên mặt biên Do vậy, một sô mô hình sô trị đã tính tới quá trình này như mỏ hình của Sterling và nnk (2003).

Quá trình nhũ tương hoa: Trong nhiều mô hình, quá trình nhũ tương hoá

được tính toán bằng một thuật toán được Mackay và nnk (1980a,b,c, 1982, 1996) xây dựng Các tác giả này cũng xây dựng thuật toán số trị đê tính toán dưới dạng sai phân Thuật toán này đâ được dùng trong mô hình ADIOS của NOAA, và dưới dạna, biến đổi một chút trong mô hình phong hoá dầu SINTEF Thuật toán đơn gian hoá chứa hai thông số, tốc độ lấy nước và độ ngậm nước cực đại Cả hai thông sổ này đều có thể rút ra được từ các thí nghiệm, nhưng thông số về tốc

độ lấy nước cần chinh theo các điều kiện hiện trường và các trạng thái mặt biển khác nhau Các nghiên cứu thí nghiệm về quá trình nhũ tương của các loại dầu thô khác nhau đã cho thấy rằng cả tốc độ lấy nước và độ ngậm nước cực đại thay đôi đáng kế từ loại dầu này sang loại dầu khác và bị ảnh hưởng bởi cả trạng thái phong hoá của dầu (Daling và Brandvik, 1988) Nói chung, độ ngậm nước cực đại dường như giảm theo độ nhớt của dầu Sự khác nhau trong tốc độ lấy nước

có thê là do thành phần hoá học của dầu (nhựa, nến, hac ín V V ) , nhưng người ta vân chưa tìm ra được các biêu thức đáng tin cậy đê tính toán quá trình này Do

có sự khác biệt đáng kể trong quá trình nhũ tương hoá của các loại dầu khác nhau, Daling và nnk (1990) đề nghị rằng các thông sổ nhũ tương cần được xác định trên cơ sở các số liệu thí nghiệm cho các loại dầu cho trước Fingas và nnk (1999) đã tổng quan các mô hình mô phỏng quá trình nhũ tương hoá của dầu Các tác giả kết luận rằng các mô hình nhũ tương hoá trong quá khứ dựa trên các phương trình tốc độ nhũ tương hoá bậc nhất, được phát triển trước khi có rất nhiều kết quả thực nghiệm về bản chất vật lý của quá trình; và các số liệu thực nghiệm cần được sử dụng làm cơ sở để phát triến các mô hình nhũ tương hoá mới; và các mô hình đó cần tính đến tính on định của quá trình nhũ tương hoá của các loại dầu khác nhau (ổn định, chuẩn ổn định và không ổn định) Tính ổn định là thước đo độ ngậm nước của nhũ tương khi giữ ở các điều kiện tĩnh Các nhũ tương ổn định tương đối sẽ mất một phần nước khi giừ ở trạng thái tĩnh trong 24 giờ Trong khi độ nhớt hiệu dụng của nhù tương ổn định có the lớn hơn

độ nhớt của dầu nguyên chất 2 hay 3 bậc, độ nhớt của nhũ tương không ổn định không lớn hơn độ nhớt của dầu nguyên chất 1 bậc Do vậy, cần tính đến ảnh hưởng của quá trình nhũ tương hoá lên độ nhớt của nhũ tương Mô hình phong hoá dầu SINTEF (Aamo và nnk, 1993; Daling và nnk, 1997 dùng độ ổn định phong hoá trong tính toán độ nhớt thích hợp dùng đê tính toán sự phân tán dâu

Quá trình chìm dầu: hầu hết các thành phần của dầu thô là không hoà tan

trone, nước, do vậy chúng có xu hướng dính kết với các hạt ran lơ lửng trong

nước, trở nên có khôi lượng riêng lớn hơn nước biên và chìm dân xuông đáy Quá trình chìm dâu xảy ra khi dâu thô đã trai qua quá trình phong hoá và tương tác với các chât lơ lửng tự nhiên trong biên hay bìm đáy do rôi biên khuây lên Ọuá trình dâu tươníỉ tác với bùn đáy thường xảy ra khi độ sâu nho hơn 2 đen 5 lần độ cao sóng vỡ (Reed và nnk, 1999a) Thậm chí, quá trình này không được xem xét đên trong hai bài báo tông quan vê các mô hình mô phong tràn dâu quan trọng nhất (ASCE, 1996; Reeđ và nnk, 1999a) Các quá trình liên kết của các giọt dầu lơ lửng với các hạt rắn lơ lửng có thế thông qua các quá trình hoá học và sinh học Stoffyn-Egli và Lee (2002) đã nghiên cứu quá trình tương tác của dầu với các chất lơ lửng trong nước và tìm ra ràng rối biển tăng cường rất mạnh quá trình tương tác và lắng đọng của dầu Hiện tại, chưa có mô hình nào

mô phong tường minh quá trình tương tác giữa dầu và các chất lơ lửng do chưa tính toán được với độ tin cậy cao độ nôi của các hạt dầu liên kết với các hạt bùn cát lơ lưng Tuy vậy, có một số mô hình có tính tới tính kết nối của dầu và chất

lơ lửng và quá trình lẳng đọng của dầu xuống đáy theo công thức thực nghiệm (Tkalich và nnk, 2003) Yapa (1994) cũng mô phỏng quá trình lắng đọng dầu xuống đáy tại vùng cửa sông và ven bờ bằng một hệ số thực nghiệm Đối với vùng xa bờ, đa số các mô hình tính toán lan truyền ô nhiễm dầu theo phương pháp Lagrange coi dầu bị biến mất vĩnh viễn khi kích thước giọt dầu nhỏ hơn một giới hạn nào đó Lượng dầu mất mát do quá trình phân tán này đôi khi cũng được coi là lượng dầu mất mát do lắng đọng

Tương tác dầu với bờ: Một số mô hình hiện nay đã tính toán ảnh hưởng

của các quá trình động lực vùng ven biến tới quá trình dầu Một trong những mô hình xử lý khá kỳ vấn đề này là mô hình tràn dầu COZOIL (Reed và nnk, 198%; Howlett và Jayko, 1998) Ngoài tính toán khá chi tiết quá trình tương tác giữa dầu và bãi, COZOIL còn bao gồm một mô hình lan truyền sóng ven bờ, vận tốc dòng ven do sóng gây ra (Reed and Gundlach, 1989a) Một số mô hình khác có tính đến khả năng giữ dầu của bãi biến và tốc độ đọng dầu trên các loại bãi khác nhau (Humphrey và nnk, 1993) Khả năng giữ dầu trên bãi hay mồi loại chất liệu bãi được định nghĩa là lượng dầu được giữ lại trên 1 đơn vị chiều dài hay một đơn vị diện tích bãi Gundlach (1987) đã tổng kết các kết quả quan trắc về khả năng giừ dầu trên bãi Reed và nnk (198% ) tính khả năng giữ dầu trên bãi từ độ nhót cua dầu, độ thấm nước và độ rồng của vật liệu đáy, và mực nước triều Định luật Darcy dược dùng để tính độ sâu thấm dầu, cho phép tính mực nước triều lên xuông Humphrey và nnk (1993) sử dụng một phương pháp đơn giản với các giá trị không đôi cho tất cả các thông số Phương pháp của Humphrey và nnk cho các kết quả tính toán không phù hợp tốt với các sổ liệu quan trắc (Hayes

và link, 1991; Baker và nnk, 1993; Sveum và Bech, 1993) Tuy vậy, các mô hình don gian dạng này rất tiện lợi trong những trường hợp không the quan trắc hoặc

mô hình hoá được các thông số môi trường

Quá trình phân huy sinh học: quá trình phân huy sinh học là một trong

những quá trình phong hoá quan trọng nhất dần tới sự biến mất cùa dâu khỏi môi trường, nhất là làm biến mất nhừng thành phần không bay hơi Nhiều công trình nghiên cứu đâ làm sáng tở nhũng khía cạnh khác nhau cua quá trình này cùng như các yếu tố môi trường làm thay đôi tốc độ phân huỷ sinh học (Atlas, 1981) Quá trình phân huy sinh học của dầu xảy ra do một số loại vi khuân có kha năng đông hoá hydrocarbons trong dâu Một sô loại vi khuân không có khả năne, đồng hoá hydrocarbons cũng có thể đóng góp vào việc làm biến mất dầu trong tự nhiên Quá trình phân huỷ dầu bao gồm một chuồi các quá trình, trong

đó một sổ vi khuấn tác động ban đầu, tạo ra các sản phẩm trung gian để một số nhóm sinh vật khác sử dụng Owens (1999), Venosa và Zhu (2003), và Cybulski

và nnk (2003), Prince và nnk (2003) đã trình bày những kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về quá trình phân huỷ sinh học của dầu cũng như ảnh hưởng của các vếu tổ môi trường (như trạng thái nhũ tương, nhiệt độ nước biển, ánh sáng mặt trời v.v.) tới các quá trình phân huỷ sinh học Cho tới nay, mặc dù

đã đạt được nhiều kết quả nghiên cứu về quá trình phân huỷ sinh học của dầu trong môi trường biển, các nhà khoa học vẫn chưa có được những kết quả định lượng đáng tin cậy đe có thê sử dụng trong mô hình dự báo quá trình biển đổi của dầu ô nhiễm Bởi vậy, trong các mô hình tính toán dự báo sự lan truyền và biến đôi của dầu ô nhiễm, quá trình phân huỷ sinh học của dầu thường bị bò qua

Quá trình hoà tan: Các thành phần có thề hoà tan trong nước của dầu có

thế bị hoà tan trong quá trình phong hoá Quá trình hoà tan của dầu phụ thuộc vào thành phần và trạng thái của dầu, và xảy ra nhanh nhất khi dầu bị phân tán vào trong nước Các thành phần dễ tan vào trong nước nhất là các thành phần hydrocarbon thơm như benzen và toluene Tuy nhiên, đây củng là những thành phần bốc hơi nhanh nhất nên nếu dầu ở trên mặt biển thì quá trình hoà tan của các thành phần này là không quan trọng Lượng dầu hoà tan vào trong nước là rất nhỏ (nói chung nhỏ hơn 1 phần triệu) và không đóng góp đáng kể vào quá trình mất dầu tại mặt biên Tuy vậy, dầu hoà tan vào trong nước lại cực kỳ độc cho môi trường sinh thái Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá mức độ hoà tan của dầu vào nước là cần thiết Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng tốc độ hoà tan của dầu vào trong nước có thể tính theo thước đo trọng lượng Viện Dầu Hoa Kỳ (The American Petroleum Institute gravity scale) °API Do có rất nhiều khó khăn trong việc xác định mức độ hoà tan của các thành phần dầu thô trong nước,

mãi tới gân đây, Hamam và nnk (1988) mới lân đâu tiên tiên hành các thí nghiệm đo đạc mức độ hoà tan của các thành phần dầu thô với dâu thô thực Trong các thí nghiệm, các tác gia đã đo đạc độ hoà tan cua dâu thô có °AP1 nằm trong khoang từ 11 đẽn 28 trong nước biên tại các nhiệt độ 25, 35, và 45 °c

Trên cơ sở phân tích các kết quả thí nghiệm, các tác giả đã tìm được một phương pháp đánh giá mức độ hoà tan cua dầu thô vào nước biên như là hàm của nhiệt độ, độ muôi

Trong trường hợp tính toán quá trình lan truyên dâu từ nguôn xa đê xác định nguồn gây ô nhiễm dầu, có thể bo qua quá trình hoà tan dầu vào trong nước

mà không gây ra sai số đáng kê tới các kết quả tính toán Tuy vậy, nếu đánh giá tác động môi trường của ô nhiễm dầu, cần xem xét cả quá trình này, đặc biệt ở gân bờ

Quả trình ô Xy hoả dầu: Các thành phần hydrocarbon trong dầu có thể tác

dụng với ô xy, tạo ra các hợp chất hoà tan hay không hoà tan Quá trình ô xy hoá dâu được tăng cường khi có ánh nắng mặt trời nhưng nói chung xảy ra rất chậm Thí dụ, ngay cả dưới ánh nắng gay gắt, lớp dầu mòng chỉ bị ô xy hoá với tốc độ 0,1% khối lượng trong 1 ngày Các đám dầu bị nhũ tương hoá có thế bị ô xy hoá lớp bên ngoài, tạo ra một lớp màng cứng ngăn cản quá trình nhũ tương hoá của dâu ở bên trong Vì tốc độ ô XV hoá của dầu khá chậm, trong các mô hình tính loán lan truyền và biến đổi ô nhiễm dầu, chúng thường được bỏ qua

Các tính chat của dầu: Các tính toán dự báo những thay đổi cứa các tính

chất dầu theo thời gian bằng cách mô phỏng tổng hợp quá trình vận chuyển dầu với các quá trình phong hoá dầu cho phép phân tích, lựa chọn giải pháp ứng phó

sự cổ tràn dầu hiệu quả nhất và đánh giá ảnh hưởng môi trường của sự cố tràn dầu Các tính chất và thành phần của dầu khi chưa phong hoá có thể được lấy từ các ngân hàng dữ liệu dầu (NOAA, 1994; Comerma, 2003) Tính chất quan trọng nhất cúa dầu cần được dự báo là độ nhớt của dầu vì nó được sử dụng trong nhiều tính toán như quá trình nhũ tương hoá, quá trình phân tán, kích thước giọt dầu chìm trong nước, V.V Các tính chất khác của dầu như điểm tan chảy, điểm đốt đều quan trọng để đề xuất phương pháp xử lý dầu tràn Mô hình phong hoá dầu tính toán sự thay đổi thành phần dầu do mất các thành phần dễ mất trong quá trình phong hoá Các thay đổi tính chất của dầu thường được tính toán trên

cơ sở mất mát do bốc hơi, lấy nước, hoà tan và phân huỷ dầu Một số tác giả đã thử tính độ nhớt của dầu theo độ nhớt của phần dầu còn lại trong quá trình phong hoá nhung đã tạo ra các kết quá phi lý Do đó, một số tác giả khác đă đề xuất phương pháp tính toán độ nhớt của dầu từ độ nhớt của dầu khi vừa thoát ra khỏi nguồn tại nhiệt độ tiêu chuẩn (25°C) và phần dầu mất mát trong quá trình

phong hoá Sự tăng độ nhớt do nhũ tương hoá được tính từ độ nhớt của dâu đã phong hoá và độ ngậm nước theo công thức cua Mackay và nnk ( 1980a,b) Các kết quả kiểm chứng đã cho thấy rằng cách tiếp cận theo phương pháp trên có thể tạo ra sai sổ rất nghiêm trọng Theo Reed và nnk (1999a), Daling và nnk (1997), các tính chất cua dâu thay đôi trong quá trình phong hoá, nhưng vì hiện tại chưa

có một phương pháp đáng tin cậy đê dự báo chúng nên sô liệu thực nghiệm cho mồi loại dâu vần là rất cần thiết và đáng tin cậy nhât

Biên Đông nằm ở phía tây của Thái Bình Dương, là một biên kín được bao bọc bơi đảo Đài Loan, quần đảo Philippin ở phía đông; các đảo Inđônêxia (Bomeo, Sumatra) và bán đảo Malayxia ở phía nam và đông nam, bán đảo Đông Dương ở phía tây và lục địa nam Trung Hoa ở phía bẳc Theo định nghĩa của

Uỷ ban Thủy văn quốc tế, đường ranh giới cực bắc của Biền Đông là đường nối điểm cực bắc của đảo Đài Loan đến Thanh Đảo lục địa Trung Hoa, gần vị trí vĩ

độ 25010'N, ranh giới phía cực nam của biên là vùng địa hình đáy bị nâng lên giữa đảo Sumatra và Borneo (Kalimantan) gần vĩ độ 30 00'S (Bản đồ Biển Đông) Diện tích Biển Đông khoảng 3.400.000km2*, độ sâu trung bình khoảng 1140m và độ sâu cực đại khoảng 5016m (hình 3.1)

Hình 3.1 Bản đồ Biển Đông ở tây bắc Thái Bình Dương

Địa hình đáy Biên Đông rất đa dạng và phức tạp, với tính chât cua một biên rìa, sự đan xen cua bôn trũng nước sâu trên 4000m với những khôi sót lục địa cô đâ tạo nên tính tương phản của địa hình Địa hình đáy Biên Đông ngoài tính chất của địa hình đáy đại dương, còn có các yếu tố của địa hình lục địa với

sự có mặt đầy đủ các đơn vị địa hình như: thêm lục địa, sườn lục địa, chân lục địa và đáy biền thăm Trong quá trình tiến hoá của mình, địa hình đáy biến chịu ảnh hướng sâu sẳc các quá trình dao động mức nước đại dương và quá trình giãn tách của Biến Đông Quá trình sụt lún không đều của vỏ trái đất đã đóng vai trò quan trọng trong việc phân dị địa hình tạo nên những cảnh quan núi, đôi, cao nguyên và các dạng đông bằng phân bố ở những độ sâu khác nhau, các quá trình động lực ngoại sinh góp phần tạo ra tính đa dạng và phong phú của bề mặt địa hình ở các phân vị thấp hơn

Chê độ khí hậu của vùng biên phía băc Biên Đông mang tính nhiệt đới đại dương, không có mùa đông lạnh, gần như ấm áp quanh năm Nhiệt độ trung bình năm 26,90C, trong những tháng mùa đông nhiệt độ tới thấp hơn 220C, trong những tháng mùa hè nhiệt độ cao nhất trung bình tháng không vượt quá 310C (Bảng 9) Chế độ ẩm ở đây luôn luôn nhỏ hơn 85%, thấp hơn nhiều so với chế độ ấm trên đất liền và vùng biển ven bờ Việt Nam Lượng mưa trung bình năm khoảng 1200mm, tương đương giá trị này ở vùng khô hạn nam Trung bộ Việt Nam Bão và áp thấp nhiệt đới có khả năng đem mưa đặc trưng cho chế độ khí hậu nhiệt đới lại xuất hiện ỏ vùng nghiên cứu này với tần xuất rất lớn (33 cơn bão/năm) Rõ ràng chế độ khí hậu vùng biển phía bắc Biển Đông không thuần túy khí hậu hải dương Nhân tố nào đã chi phối, cần phải được điều tra nghiên cứu đầy đủ hơn Trong khi đó các sổ liệu khí tượng quan trắc được ở Trường Sa phía nam Biên Đông rất đặc trưng cho chế độ khí hậu nhiệt đới xích đạo hải dương

Khí hậu vùng phía nam của Biên Đông đặc trưng cho khí hậu gió mùa mang tính chất xích đạo với những đặc trưng cơ bản sau đây:

Nhiệt độ luôn luôn cao, ôn định và biến thiên theo mùa không lớn Nhiệt

độ trung bình năm khoảng 26,5 - 27,0°c Trong biến trình năm có hai cực đại chính xảv ra vào tháng IV với giá trị là 27,5°c, cực đại thứ hai xảy ra vào tháng

IX với giá trị là 27,0°c Giá trị cực tiếu là 25,5°c xảy ra vào tháng II, chậm pha hơn trên đât liền một tháng do tính chất đại dương Như vậy biên độ năm của nhiệt độ chi vào khoảng 2°c, tương ứng điều kiện khí hậu xích đạo

Lượng mưa tương đôi cao và có sự phân chia mùa rõ rệt Lượng mưa trung binh năm trên các đao Trường Sa là 2000mm và sô ngày mưa lớn hơn 150 ngày trong năm Hàng năm, mùa mưa bắt đầu cùng với gió mùa hạ (vào tháng V) nhưng kết thúc muộn vào nửa đầu mùa đông (vào tháng XII) Mưa kéo dài 8 tháng và có thê phân biệt được hai thời kỳ nhiều mưa vào đầu và cuối mùa, xen giữa là một thời kỳ ngấn tương đối ít mưa vào khoảng tháng VIII Thời kỳ nhiều mưa nhât là các tháng X, XI, XII có lượng mưa gân như nhau từ 250 - 300mm/tháng, tháng XI có lượng mưa lớn hơn Tháng VII và tháng IX lượng mưa không vượt quá 200mm Trong suốt 5 - 6 tháng giữa mùa mưa, sổ ngàymưa ơ mức xấp xi 20 ngày mỗi tháng.

3.3 Đặc điểm trường dòng chảy và hoàn lưu biển Đông

Hoàn lưu và cấu trúc khối nước Biển Đông luôn luôn được các nhà Hải Dương Học quan tâm Cho đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu hoàn lưu nước Biển Đông được công bố đã góp phần hiểu biết ngày càng đầy đủ hơn về điều kiện tự nhiên của biến

Trong thời kỳ từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau gió mùa đông bắc ôn định tác động mạnh mẽ lên chế độ thủy văn của biển, đặc biệt là khu vực bắc và đông bắc Biên Đông Các số liệu điều tra của các tàu nghiên cứu từ những năm 80 cho thấy: Tốc độ gió dao động trong khoảng 6 - 8m/s, nhiệt độ nước trung bình 240C và độ muối lớn hơn 34 0/00, thể hiện khổi nước ở đây lạnh hơn và mặn hon có nguồn gốc của khối nước tây bắc Thái Bình Dương xâm nhập vào Biến Đông qua eo biển Đài Loan và eo biển Luson, Bocdanốp gọi là khối nước nhiệt đới Biển Đông Sau đó, tiếp tục lan truyền đến tận vùng biển ven bờ miền trung Việt Nam dưới dạng dòng nước ổn định, đồng thời khổi nước này được tăng cường bởi dòng nước từ Vịnh Bắc Bộ chảy xuống phía nam, ở đây tốc độ cực đại có the đạt đến 60 - 70cm/s Ớ khu vực trung tâm của biến hình thành một

xoáy thuận Cùng với sự tác động của nước dâng gió mùa ở Nam Trung Bộ một

dòng nước ven bờ ở đây dồn ép khối nước ngọt của sông Cửu Long vào vùng bờ Mimh Hái - Cà Mau Những mô tả trên thế hiện rõ trên hệ thống bán đồ hoàn lưu của K Wyrki (h9 - 14) và bản đồ dòng chảy lớp mặt Biến Đông trong AtlatQuốc gia và hoàn lưu tầng mặt cua Bogdanov.K (hình 19a, 19b)

Gió nước dâng đã tạo ra hoàn lưu vuông góc với bờ biển, dồn lớp nước mặt vào bờ, sau đó được chìm xuống và trườn theo sườn dốc bờ ngầm, rồi lại trồi lên ở vùng địa hình lồi ở thềm lục địa có độ sâu gần 200m Như vậy khu vực ven bờ Nam Trung Bộ xây ra hiện tượng cương hóa của dòng nước bề mặt trong hướng đông bấc tràn về và dòng nước tại cho do gió nước dâng gây ra Khi dòng

nước lan truyên theo sườn lục địa Nam Trung Bộ - Đông Nam Bộ với tôc độ 30

- 40 cm/s đã khép kín với dòng nước phía bẳc tạo nên hoàn lưu mùa đông của biên Dòng nước chính trong hướng Đông Bắc - Tây Nam ven bờ biên Việt Nam khi đạt đên khu vực ven bờ Đông Nam Bộ chia thành hai nhánh, một nhánh nhỏ

di vào vịnh Thái Lan, còn nhánh chính tiếp tục chảy qua eo biên nông phía nam đưa một khối lượng lớn nước vào biên Giava, và một phần còn lại gặp bờ bắc bán đao Karimata chảy ngược lên phía bẳc dọc theo các đảo Philippines nhập vào hoàn lưu xoáy thuận trung tâm Biển Đông Hệ thống hoàn lưu xoáy thuận mùa đông ở trung tâm Biên Đông tồn tại trong cả độ dày lớp nước nghiên cứu

và tốc độ dòng chảy ở lófp mặt thường đạt cực đại vào tháng 12 và tháng 1 năm sau, khi gió mùa đông băc phát triên mạnh trên biên, ơ khu vực phía băc của biên tốc độ dòng chảy này có thê đạt 40cm/s, trong khi đó ớ khu vực ven bờ Philippines và đảo Kalimanta tốc độ dòng chảy chỉ đạt tối đa 25cm/s

Những kết quả nghiên cứu khác của Đinh Văn Ưu đã có những nhận xét chi tiết hơn Tại khu vực ngoài khơi Nam Trung Bộ xoáy thuận mùa đông quy

mô toàn Biển Đông bị thu hẹp chiều ngang đến mức có thể cảm nhận như đã hình thành một xoáy thuận mùa đông nam Biên Đông với dải hội tụ chạy theo hướng kinh tuyến 110 - 1110E và kéo dài từ vĩ độ 6 - 70N đến 14 - 150N và có

xu thế chuyển hướng dần về phía đông bắc Trên khu vực ven bờ Tây Bắc, đảo Borneo cũng tồn tại một xoáy thuận với quy mô nhỏ hon Nguyên nhân của những hiện tượng phức tạp này có thể liên quan đến sự có mặt của xoáy dương của ứng xuất gió thuộc vùng biên phía nam, khi gió mùa đông bắc thịnh hành Những kết quả nghiên cứu của Đinh Văn Ưu còn thể hiện rõ sự tham gia của khối nước Kuroshio xâm nhập vào khu vực đông bấc cúa Biến Đông, qua eo biến Luzon hay còn gọi là eo biến Bashi và sự xuất hiện dòng nước ấm ở đây đổi nghịch với hướng gió Đinh Văn Ưu cho rằng hiện tượng này có liên quan tới đặc điểm biến đổi địa hình vùng eo biển Luzon và bờ biển Quảng Đông Như vậy, trong thời kỳ gió mùa đông bắc trên Biển Đông phát triển một hoàn lưu xoáy thuận quy mô lớn, hay có thế nói hai xoáy thuận đồng thời trên vùng biên phía bắc và vùng biển phía nam và những xoáy nghịch qui mô nhỏ ở khu vực Borneo và khu vực Luzon, nơi có sự xâm nhập của dòng nước Kuroshio

Đối với thời kỳ chuyển tiếp xuân hè hoặc thu đông phụ thuộc vào quá trình chuyến đối của các trường khí tượng trong từng mùa cụ thể mà đặc trưng hoàn lưu có thể đến sớm hoặc lưu lại dài hơn Trong mùa chuyển tiếp xuân hè gió mùa đông bắc yếu dần, gió mùa tây nam bắt đầu phát triển, dòng nước hướng đông bắc chay xuống cũng đã yếu đi, ớ vùng nước ven bờ tây nam của

Long bắt đầu khuyếch tán rộng ra xa bờ Mặc dù vậy anh hương cua mùa đông vần còn mạnh Trên bản đồ hoàn lưu lớp nước mặt tháng 4 của Wyrki tồn tại khá rò nét hai hoàn lưu xoáy thuận mùa đông ở hai phân phía băc và phía nam cua biên, cái khác quan trọng nhât là cường độ dòng chảy, tốc độ phô biên là 12

- 25 cm/s và dòng nước ngược chiều gió đông bắc qua eo biến Đài Loan và eo biên Luzon khá rõ

Trong thời kỳ mùa hè điên hình là từ tháng 6 đến tháng 8 gió mùa tây nam ngự trị đã tạo ra những dòng nước mạnh xuất phát từ biển Giava qua eo biển phía nam, xâm nhập thăng vào Biền Đông và hình thành dòng nước uốn theo địa hình và đường bờ biển Việt Nam chuyển động trong hướng tây nam - đông bắc

và cuối cùng thoát ra eo biên Đài Loan và Bashi Ngay từ tháng 6 đã có dấu hiệu hình thành một xoáy nghịch ở nam Biên Đông, sang tháng 8 đã phát triên thành hoàn lưu xoáy nghịch quy mô lớn nam Biên Đông, toạ độ tâm vào khoảng 70N

và 1100E, phần ngoại vi phía tây là dòng chảy xiết tây nam - đông bắc ranh giới phía bắc của xoáy là đường chia dòng sw - NE tạ i vĩ độ 14 - 150N, còn ngoại vi phía đông là các dòng chảy yếu xa bờ khép kín hoàn lưu này Trong khi đó vùng nước sát bờ Borneo dòng chảy có hướng song song với đường bờ và chảy ngược lên phía bắc theo đường bờ đảo Palawan Philippines, c ầ n nói rõ thêm dòng nước tây nam - đông bắc phân dòng ở vĩ độ 14 - 150N, nhánh chính tiếp tục chuyên động trong hướng tây nam - đông băc, nhánh thứ hai chảy theo vĩ tuyến 150N sang phía đông để một phần thoát ra biển Xulu Trên bản đồ dòng chảy tháng 8 của K Wyrki khó phát hiện thấy các xoáy ớ khu vực phía bắc Biển Đông, mà chỉ thấy duy trì quanh năm hoàn lưu xoáy thuận Vịnh Bắc Bộ Từ Vịnh Bắc Bộ một dòng nước thường kỳ chảy theo đường bờ Vịnh Bắc Bộ đến vĩ

độ 15 - 160N gặp dòng nước từ phía nam lên chặn lại và đối sang hướng tây nam - đông bắc hoà cùng hướng chính tây nam - đông bắc Hiện tượng chia dòng ở vĩ đ ộ 14 - 150N trong thời kỳ mùa hè có nhiều đánh g iá khác nhau Trong đó K Wyrki cho rằng dòng nước có nguồn gốc từ biển Giava chảy vào Biến Đông, hình như không cung cấp đầy đủ năng lượng cho dòng nước chính tây nam - đông bắc để tiếp tục đi thẳng theo hướng chủ đạo, trong khi đó có sự khống chế của dòng nước ven bờ Vịnh Bắc Bộ, còn trong thời kỳ mùa đông dòng nước ven bờ Vịnh Bắc Bộ lại tiếp sức thêm Đinh Văn Ưu nhấn mạnh thêm vai trò quyết định của chế độ gió mùa Theo kết quả nghiên cứu của Đinh Văn Ưu, Võ Văn Lành và Bogdanôp thì trên lớp nước mặt xuất hiện hoàn lưu xoáy thuận ở khu vực ngoài khơi phía băc của biên trong thời kỳ gió mùa tây nam như một hiện tượng tự nhiên tổng hòa các yếu tố khí hậu, địa hình còn chưa được nghiên cứu đầy đủ

IV c o SỞ LỶ T H U Y Ế T CÁC M Ồ HÌNH

4.1 Mô hình 1VI1YỈ5 (Mesoscal Model 5)

Theo phương thăng đứng mô hình MM5 sử dụng hệ toạ độ địa hình sigma (ơ) Tốc độ cua biên dưới bằng 0 do nó là mặt đất Các mực theo phương đứng trong hệ toạ độ a có đặc điểm uốn sát địa hình ở lớp dưới và gần sát với các mực khí áp ơ lớp trên (hình 2.1) ơ biến đôi từ 1 (mặt đất) tới 0 (mực khí quyên đỉnh mô hình) và các mực khí quyển được xác định bởi tập giá trị ơ trong

khoảng [0,1] Các biến ơ , co được xác định trên các mực nguyên (K=l,2, ), các

biến còn lại được xác định trên các mực phân ( K = l- ,2 - ) Ưu điểm của hệtoạ độ ơ là theo đó ta tính được anh hưởn£ của địa hình đến các quá trình nhiệt động lực học xảy ra trong khí quyên Ngoài ra, điêu kiện biên của tương tự tôc

độ thăng (co) tại biên dưới của mô hình là chính xác Ta có biên dưới của mô hình dự báo là mặt đất với ơ =1 và điều kiện biên co(l )=0, chính xác hơn điều kiện biên co(l)=0 khi sư dụng hệ toạ độ khí áp (vì mặt lOOOmb không trùng với mặt đất nên điều kiện cuối cùng này chỉ là gần đúng) [Trần Tân Tiến,2003],

âm riêng, nhiệt độ Trên các điêm tròn thực hiện việc tích phân cho các thành phần gió ngane

lí Hệ phương trình thủy nhiệt dộng lực học trong MM5:

Hệ các phương trình thủy nhiệt động lực học được viết trong hệ tọa độ ơ

với gần đúng thủy tĩnh

ơ p - p,

p, - p,

(4.1)

trong đó, /7 — khí áp; p s - khí áp mặt đât, p, - khí áp trên đinh khí quyên mô hình

Với hệ tọa độ này thi hệ phương trình thúy nhiệt động lực học có dạng như sau:

- Phương trình chuyên động ngang:

c „ c„

trong đó, Cp = C p /1 +0.8qv) - nhiệt dung của khí ẩm với áp suất cố định, cpd -

nhiệt dung của khí khô với áp suất cố định, q v - tỷ sổ xáo trộn hơi nước, Q - năng lượng đoạn nhiệt, D j - biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng,

trong đó, ơ ’ là biến vi phân và ơ ( =ọ) = 0

- Phương trình thuỷ tĩnh xác định độ cao địa thê vị từ nhiệt độ ao Tv:

cộ

ỡln(ơ + P' / p*) -R T + C

L + <h

trong đó, u và V - các thành phần vận tốc theo hướng đông và bắc; ệ - độ cao địa

thế vi; m - nhân tổ bản đồ; <7 = — ; p - mât đô không khí; f - tham số Coriolis;

dt

Du và Dy - biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng; p * = p s - p h R - hằng số

khí khô; Ty=T(1 +0.608qv); qc vầ qr là tỷ số xáo trộn nước mây hoặc băng và

nước mưa hoặc tuyết

Đối với động lực học bất thuỷ tĩnh, các biến được phân tích thành tổng cứa trạng thái nền và nhiễu động như sau:

trong đó, p s và p, là khí áp trạng thái nền tại bề mặt và tại đỉnh khí quyển mô

hình, chúng không phụ thuộc thời gian, áp suất tông cộng tại mỗi nút lưới được tính như sau:

p = p * ơ + P' + p' (4.1 1 )

trong đó, p ' là nhiều động rối; p*(x,v) = p s(x,y)-p,.

Khi đó, hệ phươru’ trình của mô hình MM5 với động lực học bât thuỷ tĩnh

trong hệ toạ độ ơ chuyên thành:

Các phương trình chuyên động ngang và thăng đứng :

+ p ữgyp1r z + P* PoK® dơ

Phương trình xu thê nhiệt độ:

PUỊỊ MCTÕp* mơ ồp* ÍA ÌQ\

Mô hình chạy cho bất kỳ lưới địa phương hoặc toàn cầu nào với tập hợp

dừ liệu địa hình đã cho Có thê chạy trong kiểu lưới lồng Trong một lưới thô, có thê truy xuât phô tại ranh giới của lưới tinh, nội suy theo không gian và thời gian cho những điêm biên của lưới tinh và mô hình có thê chạy lại trên lưới tinh Độ phân giải lưới có thế tuỳ ý theo không gian và thời gian Tính toán lan truyền sóng có thế thực hiện trên lưới kinh vĩ hoặc lưới carthesian

Mô hình truy xuất chiều cao sóng có nghĩa, hướng và tần số sóng trung bình, chiều cao và hướng sóng lừng trung bình, trường ứng suất gió được hiệu chỉnh do xét đến ứng suất sóng và hệ số cản, và phố sóng 2 chiều tại những thời điểm và điếm lưới được chọn Tính toán có thể ngắt và khởi động lại ở thời điểm bất kỳ Những số hạng nguồn và sự lan truyền của chúng có thể tính toán với những phương pháp và bước thời gian khác nhau Tích phân số hạng nguồn thực hiện bằng một sơ đồ ẩn, trong khi sơ đồ lan truyền là sơ đồ tiến bậc nhất Bước thời gian gió có thê chọn tùy ý

Thời gian tính và sử dụng bộ nhớ phụ thuộc vào khu vực nghiên vứu và

độ phân giải Hiện nay sử dụng lưới kinh vĩ toàn cầu với độ phân giải 3°, chạy

dự báo mười ngày, 26 tần số, 12 hướng và 512 điểm lưới trong một block

Với qui mô toàn cầu và qui mô khu vực trong vùng nước sâu và trung bình (độ sâu 15-20m), WAM đã được áp dụng và cho những kết quả khả quan, hầu như tất cả các quốc gia và các tổ chức KTTV trên thế giới đều sử dụng mô hình này Chương trình viêt theo chuân DOCTOR, mồi chương trình chứa một đầu mục mô tá mục đích, phương pháp cùng các giao diện, và các chương trình con sử dụng

Mô hình liên tục được cập nhật để hợp nhất với những kết quả nghiên cứu Các phát triên xa hơn của mô hình được qui êt định bởi nhóm phát triên WAModel (Chủ tịch là K Hasselmann) WAModel có sằn cho toàn bộ cộng

đồng nghiên cứu và dự báo với hy vọng những kết quả đạt được bằng mô hình

sẽ phan hồi lại cho nhóm mô hình

Cho đến nay WAM và người bạn song hành với nó là WAVEWATCH III

là các mô hình hiện đại nhât mô tả sự phát triên và lan truyền sóng trong đại dương có xét đến độ cong cua Trái Đất WAM đã được cài đặt cho khoảng 35 cơ quan trên thế giới và sử dụng cho nghiên cứu và dự báo nghiệp vụ Nó cũng được áp dụng cho việc đông nhât dừ liệu sóng từ vệ tinh Mô hình liên tục được cập nhật, đã có bôn phiên bản được công bố Phiên ban cuối cùng, phiên bản 4,

là một cải tiến về mặt kỹ thuật của phiên bản 3, thực hiện bởi H Gunther và bổ sung thêm cơ chê đưa gió vào bởi p Janssen (1991) Khi có một phiên bản mới của mô hình, những thành viên của nhóm WAM được thông báo Không chỉ các nước thuộc khu vực Băc Đại Tây Dương, các nước thuộc khu vực Thái Bình Dươne, thường sử dụng WAM đê dự báo nghiệp vụ Riêng khu vực APEC, hội thảo về sóng được tổ chức mỗi năm một lần, Hội nghị lần thứ 10 đà tổ chức tại Việt Nam năm 2003

Mô hình WAM mô tả sự tiến triển của phô sóng hai chiều bàng phươngtrình:

trong đó: F- mật độ phố ứng với (f, 9, (j), X), f - tần số, 0 - hướng, (Ị) - vĩ độ, X -

kinh độ, s - hàm nguồn,(ị>.Ấ.ò- là suất biến đổi vị trí và hướng lan truyền của

sóng

Hàm nguồn s được biếu thị bàng tổng của gió đầu vào Sin, tiêu tán do bạc

đầu sóng Sdis, và lan truyền phi tuyến Sn|!

Số hạng gió đầu vào lấy theo Snyder và nnk (1981) Gió đầu vào và những sô hạng tiêu tán của mô hình sóng này là một phát triên dựa trên lý thuyết tựa tuyến tính cua Janssen về phát sinh sóng gió (Janssen 1989, 1991) Sóng mặt lây động lượng từ luồng không khí và bởi vậy ứng suất trong lớp mặt phụ thuộc

cả vào tốc độ gió và úng suất sóng Tw Sự tăng trưởng sóng phụ thuộc vào vận tốc ma sát u*, và độ dài nhám z0 số hạng gió đầu vào được cho bằng:

với F phô hai chiều và Y là tốc độ tăng trương của sóng

Theo Miles, đối với phân bố gió lô-ga-rít, y chỉ phụ thuộc vào hai tham sổ:

ứng suất T của luồng không khí trên sóng phụ thuộc vào trạng thái biển, từ

sự cân bằng động lượng của không khí:

ở đây, L là độ cao trung bình ở trên sóng và I w là ứng suất sóng, bằng:

r M = p w ịa)ỵF cos(ớ - (p)đfdO (4.28)Trong thực hành, ứng suất sóng Tw lấy theo hướng gió Hằng sổ a chọn theo quan hệ Charnock đối với sức cản trên sóng, s ổ hạng tiêu tán lấy theo Komen và nnk., (1984), dựa trên lý thuyết sóng bạc đầu của K Hasselmanns (1974)

Đế nhận được cân bàng năng lượng ở những tần số cao, tiêu tán bởi sự bạc đầu sóng được bổ sung bằng sổ hạng k2 như sau:

ở đây Cdis = 4,5 là hằng số, E là độ biến thiên sóng tông cộng, k là số sóng, ÕJ và

k là tần sổ góc và số sóng trung bình.

(!) = (

\ \ F ( j \ 9 ) k irĩdfJ0 2

(4.32)(4.33)

Sự phụ thuộc của hệ sô tỷ lệ vào bình phương của tân sô là phù hợp với hàm tiêu tán sóng bạc đầu, đã được dần xuất bởi Hasselmann (1974) số hạng nguồn phi tuyến là một tham sô của những tương tác phi tuyến được đê xuât bởi Hasselmann và nnk (1981 và 1985) Lời giai số của WAM hạn chế bởi tiêu chuân CFL thê hiện sự ràng buộc của bước thời gian theo bước không gian nhỏ nhất Đế giảm bớt sự hạn chế này, một lưới kinh vĩ được phát triển Lưới kinh vĩ đảm bảo khoảng cách không đổi theo vĩ độ nhưng điều chỉnh kích thước ứng với kinh độ sao cho khoảng cách thực tế giữa những điểm lưới là gần như hàng số

đẻ thực hiện trong WAM

Ngoài lưới 3°, mô hình toàn cầu còn sử dụng lưới kinh vĩ không đều 0.5° Điều này có nghĩa là những điếm lưới được thiết lập cách nhau 0.5 độ vĩ hoặc khoang 55 km, và theo định nghĩa chúng cách nhau cùng khoảng đó ứng với từng kinh độ Một phiên bản mô hình cho Địa Trung Hải sử dụng lưới 0.25° Mô hình sóng EPS hiện thời sử dụng lưới kinh vĩ 1 °.Trong đề tài này mô hình sử dụng lưới 0.25° và bởi vậy khoảng cách lưới là khoảng 28 km

a) Câu trúc lưới mô hình

Đẻ tính toán số hạng nguồn phi tuyến, nhũng điếm lưới được đặt vào vòng lặp trong cùng chạy từ nam đến bắc trong dạng những khối mảng 1 chiều Khi tính toán sóng lan truyền qua ranh giới phía bắc hoặc phía nam của khối, những khối gối lên nhau bởi hai vĩ độ Tính toán được thực hiện từ vĩ độ nam thứ hai đến một vĩ độ trước vĩ độ bắc cuối cùng

Khác với những phiên bản trước đây của mô hình, các điêm lưới chỉ là những điểm biển Các điểm lưới ở gần chúng được coi như điểm đất

b) Đầu ra mô hình

Mô hình tính toán biên thiên phô sóng 2D tại tât cả các điêm lưới Nhừng phô này có thê được cập nhật vào file Restart đê chương trình có thê khởi động lại Người dùng có the chọn những điếm lưới và ngày tháng đặc trimg trong thời gian tích phân đe lấy ra phô sóng 2D

Phổ được biểu thị bởi một số dải tần số cách nhau, trải rộng từ một tần so cực tiêu tuỳ chọn theo các hướng cách đều nhau, bat đầu từ không (phía Bẳc)

Độ cao, hướng và tần sô trung bình cứa sóng gió và sóng lùng có thê xuât

ra tại các điêm lưới và thời điêm bât kỳ

Một số hằng số mô hình được tính sẵn và lưu trữ cùng với lưới mô hình, thông tin góc và tần sổ, và dòng chảy lưu trừ trong hai file đầu ra

Nếu những lưới lồng được yêu cầu, thông tin cho đầu ra, đầu vào và nội suy pho tại ranh giới được tính trước và lưu trữ trong những file tách biệt cho

mô hình lưới tinh và thô

- Chương trình tiền x ử lý PRESET

PRESET phát sinh trường sóng ban đầu cho mô hình sóng khởi động Được cho bởi người sử dụng, hoặc cho theo phổ JONSWAP tại tất cả các điếm biên, hoặc phô ban đầu được tính toán từ gió địa phương phù hợp với đà gió theo phân bố hướng COS2.

- Chưong trình thực hiện CHIEF

Chương trình CHIEF là chương trình chính của mô hình sóng, gọi các chương trình con cua mô hình Tất cả những biến theo thời gian và những tham

sô do người dùng xác định đều cố định, trường gió được chuyên đôi theo format

mỏ hình, và phương trình tải được tích phân theo một thời kỳ được chọn Chương trình sử dụng những file đầu ra của PREPROC và nhừng file phát sinh bởi PRESET hoặc một lần chạy trước đó như những giá trị ban đầu File gió đầu vào phải do neười dùng cung câp Tât cả thông tin bô sung phải được xác định

trong file đâu vào của người dùng.

Mô hình có thê tích phân theo các bước thời gian khác nhau cua sô hạngnguôn, gió Tuy nhiên, tất cả những ty lệ bước thời gian phải là một số nguyênhoặc nghịch đao sô nguyên Một số tham số và tùy chọn mô hình có thê được chọn bơi người dùng trong đâu vào chương trình Các tùy chọn mô hình như sauđây:

- hệ carthesian hoặc hệ cầu,

- nước sâu hoặc nước nông,

- không có hoặc có khúc xạ theo độ sâu hoặc do dòng chảy,

- lưới lông

- nội suy thời gian của gió hoặc không nội suy theo thời gian,

- đầu ra mô hình tại những khoảng đều hoặc theo chỉ định,

- in và/hoặc xuất file đầu ra theo những tham số được chọn

Những kết quả mô hình được lưu trữ trong bốn file, gồm:

- chiêu cao sóng có nghĩa

- hướng sóng gió trung bình

- tân sô sóng lừng trung bình

- phô t ại điêm lưới được chọn

- phô sóng lừng tại điêm lưới được chọn

- Chưong trình lirói lồng BOUINT

Chương trình BOUINT nội suy phố đầu ra tại ranh giới từ mô hình lưới

thô cho lưới tinh Chương trình này được ứng dụng nếu những lưới lồng được sử dụng

- Chương trình hậu xử lý

3.2.4 Mô hình tính sóng SW AN

SWAN là một mô hình sóng thế hệ ba nhăm thu được ước lượng thực cua các tham sô sóng trong các khu vực bờ biên, hô và cưa sông từ các điêu kiện gió, địa hình và dòng chảy Tuy nhiên, SWAN có thê sử dụng với quy mô bât kì đôi với sóng mặt trọng lực do gió Mô hình được xây dựng dựa trên các phương trình mô ta phô sóng gió, phương trình lan truyên năng lượng sóng và phương trình cân bằng động của phổ sóng

Dừ liệu đâu vào của SWAN bao gồm: địa hình đáy, mựa nước, dòng chảy,

ma sát đáy và gió (nêu có liên quan), trường sóng tại các biên của mô hình (nếu

có liên quan), các điều kiện ban đầu Đối với điều kiện biên cần xác định dạng phô (ca tần số và hướng), xác định phổ các tham số sóng tại biên

Đầu ra cua mô hình là các dạng của các điểm bao gồm:

- Xác định đầu ra trên lưới kinh vĩ, Đề các hoặc lưới cong

- Xác định đầu ra dọc theo 1 đường cong

- Xác định đâu ra dọc theo 1 đườns, đăng sâu

- Xác định đầu ra theo các điểm cho trước

- Xác định đầu ra để chạy SWAN trong trường hợp sử dụng lưới lồng.Các tham số đầu ra bao gồm: độ cao sóng có nghĩa, độ cao sóng lừng,hướng sóng trung bình, hướng đỉnh sóng, hướng vận chuyên năng lượng, chu kì sóng trung bình tuyệt đối, chu kì sóng trung bình tương đối, chu kì đỉnh của phổ Variance mật độ, độ rộng phô tân sô và phô hướng, độ sâu nước, cao trình đáy, vận tốc dòng chảy, hệ sổ ma sát, vận tốc gió, năng lượng tiêu tán do ma sát đáy, sóng vờ và sóng bạc đầu, tốc độ vận chuyến năng lượng, lực tác động của sóng trên một đơn vị diện tích bề mặt (ứng suất sóng),

Phương trình mô tả phô sóng gió

Phương trình chuyên động sóng

= c„ + u =

Với:

k = ( k x k ) = (jA'j c o s 6* 1^1 sin ớ ) , ii = (uxj i v)

Phương trình cân băng động phô sóng

kỳ vọng toán học của các biến ngẫu nhiên

E : năng lượng phô sóng

4.4 C ơ sở lý thuyết của mô hình M IK E

Mô hình MIKE do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI phát triển), là một gói phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy, lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát và các chất ô nhiềm ở các cửa sông, sông, hồ, biến và các khu vực chứa nước khác Trong đó, mô đun MIKE 21 & MIKE 3 Particle/Spill Analysis được xây dựng đế mô phỏng quá trình lan truyền dầu Đây là bộ mô hình tiên tiến có khả năng tính toán mạnh và đang được sử dụng rộng rãi trên khăp thế giới

4.4.1 M ô đun M IKE 21 HD

Hệ phương trình sử dụng là hệ phương trình vi phân cho bài toán không gian hai chiều, gồm phương trình liên tục và 2 phương trình động lượng: