Báo cáo tổng hợp kết quả thực hiện năm 2009 Thực thi mô hình dự báo và ứng phó sự cố tràn dầu

Nhiệm vụ: “Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tính toán, dụ báo ô nhiễm dầu trên biển Đ ông” là một nhiệm vụ rất quan trọng, nhiệm vụ trong tâm của nhiệm vụ này là nghiên cứu, xây dựng và ứng

TỐNG CỤC MỐI TRƯỜNG

c ư c K ĨẺ M SOÁT Ô N H IỄ M

Nhiệm vụ:

“ĐIỀU TRA, ĐÁNH GIÁ VÀ D ư BÁO s ụ CỐ

TRÀN DẦU GẢY TỎN THƯƠNG M ồ i TRƯỜNG BIẾN;

ĐỀ XUẤT CẮC GIÃ I PHÁP PHÒNG NGỪA VÀ ỨNG PH Ò ”

BÁO CÁO TỎNG H Ợ P K ÉT QUẢ T H Ụ C HIỆN NĂM 2009

T H Ụ C THI MÔ HỈNH

D ự S Á O VÀ ỨNG PHÓ S ự C ố TRÀN DÂU

Đo*n vị ch« trì: Trung tâm Tư vấn KTTV&MT

Ngưòi thực hiện: Trần Hồng Thái, Nguyễn Xuân Hiển

Nguyên Đăng Đức Thọ, Trân Duy ỉ íién I

Lê Ọuốc Huy, Nguyễn Thị Thanh,

ỉs

Dương Văn Tiến, Doản Thị Thu í là ,

Nguyễn Thị Xuân Quỳnh, Trần Văn Trà

-là nội, 12/2009

_ _ 1

Phan Đăng Đức Thọ, Trần Duy Hiền,

Lê Quốc Huy, Nguyễn Thị Thanh, Phạm Văn Tiến, Khương Văn Hải, Dương Văn Tiến, Đoàn Thị Thu Hà, Nguyễn Thị Xuân Quỳnh, Trần Văn Trà

Hà nội, 12/2009

M ỤC LỤC

A - PH Ầ N I T H ự C T H I M Ồ H ÌN H D Ụ B Á O s ự C Ó T R À N DẦU TRÊN

B IỂN Đ Ô N G

I GIÓI THIỆU CHƯNG 4

II TÔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN c ứ u VÊ MÔ HÌNH D ự BÁO LAN TRUYỀN Ỏ NHIẼM D Ầ U 5

III ĐIỀU KIỆN T ự NHIÊN KHƯ v ự c BIÊN ĐÔNG 25

3.1 Đặc điểm địa hình khu vực biển Đ ông 25

3.2 Đặc điểm khí hậu khu vực biển Đông 26

IV NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE D ự BÁO Ô NHIỄM DẦU TRÊN BIẾN ĐỔNG 30

4.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình 30

4 ỉ 1 M ô đun M IK E 21 H D 30

4.1.2 M ô đun M IK E 21 & M IK E 3 P a rtic ỉe /S p ill A n a ly s is 30

4.1.2.1 Q uá trìn h bình lư u và khuếch t á n 31

4.1.2.2 Quá trìn h lan tru yề n d ầ u 33

4.2 Điều kiện địa hình, miền tính và lưới tín h 35

4.3 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên của mô hình 35

4.4 Quá trình hiệu chỉnh và kiểm nghiệm thủy động lực trên biến Đ ông 36

4.4.1 Quá trình hiệu chỉnh 36

3.4.2 Quá trình kiểm nghiệm 38

4.5 Một số kết quả tính toán, dự báo ô nhiễm dầu trên biển Đông 40

4.6 Mô phỏng thử nghiệm quá trình lan truyền dầu tại cửa Định An 51

c Mô phỏng quá trình lan truyền dầu tại cửa sông Hậu 54

V KÉT LUẬN 61

B - PH Ầ N II T H ự C T H I M Ồ H ÌN H Ứ N G PH Ó s ự C Ó TR À N DẦU T R Ê N SÔ N G SÀI G Ò N - Đ Ồ N G NAI I GIỚI THIỆU CHUNG 65

II MỤC TIÊU CỦA NHIỆM v ụ 66

III KỊCH BẢN DIỄN TẬP ỨNG PHÓ s ự CỐ TRÀN DẦU 66

3.1 Kịch bản diễn t ậ p 66

3.2 Công nghệ áp d ụ n g ■ 67

3.3 Trang thiết bị sử dụng tương ứng với công nghệ áp dụng 67

IV DIẺN BIẾN CUỘC DIỄN TẬP ỨNG PHÓ s ự CÓ TRÀN DẦU 69

4.1 Tiếp cận, khống chế và dập tắt lửa cháy trên tàu bị n ạ n 69

4.2 Tìm kiếm, phát hiện và vá lỗ thủng 71

4.3 Triển khai phao quây dầu và thu gom dầu tràn 71

4.4 Chống cháy trên sông 75

4.5 Giải phóng sông và làm sạch môi trường 75

4.6 Xử lý sau tràn d ầu 76

4.7 Đánh giá kết quả việc thực thi mô hình ứng phó sự cố tràn d ầ u 76

V PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG DO s ự CỔ TRÀN D Ầ U 76

5.1 Đánh giá tác động môi trường do sự cố tràn dầu: 77

5.2 Các tác động gây hậu quả lâu dài cho môi trường và hệ sinh th á i 78

VI KÉT LUẬN 84

2

PHẦN I

TH ựC THI MÔ HÌNH Dự BÁO

Sự CÓ TRÀN DẦU TRÊN BIỂN ĐÔNG

I GIỚI T H IỆ U C H U N G•

Tốc độ tăng trưởng kinh tế lớn trong những năm gần đây đã làm gia tăng

r ẫ t mạnh lượng tiêu thụ xăng dầu Sản lượng khai thác dầu thô toàn thế giới klhcảng 3 tỷ tấn 1 năm và nửa số đó được vận chuyển bàng đường biển (Pavlo, 2(0(3) Hậu quả là m ột lượng dầu rất lớn bị rò rỉ ra môi trường biến do hoạt động của các tàu và do các sự cố hư hỏng hay đắm tàu chở dầu, do sự cố tại lồ khoan

t h ă n dò và dàn khoan khai thác dầu Lịch sử thế giới đã ghi nhận hàng trăm vụ

ô nhiễm dầu trên biển

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

ra r.gày càng nhiều hơn với mức độ ảnh hưởng ngày càng gia tăng và khu vực chịu ảnh hưở ng ngày càng rộng lớn Trong khoảng thời gian 10 năm gần đây, đã

có hơn 10 vụ tràn dầu gây ô nhiễm, ảnh hưởng rất lớn đến môi trường vùng cứa 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 Form osa One (Liberia) đụng vào tàu khác tại vịnh Gành Rái làm thoát ra môi trường 900m 3 dầu; ngày 6/2/2002, tàu Bạch Đằng Giang va vào đá tại Hải Phòng, làm thoát ra 2.500m 3 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 biển miền Trung Đặc biệt từ ngày 29/1/2007 dầu bắt đầu xuất hiện và làm ô nhiễm bãi biển Đà N ằn g 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 biển nước

ta, bao gồm Hải Phòng, H à Tĩnh, Quảng Bình, Q uảng Trị, Thừa Thiên - Huế, Đà Nang, Q uảng Ngãi, Q uảng Nam, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hoà, Vũng Tàu - Côn Đảo, Tiền Giang, Bến 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 đen ngày 18/4/2007 là 1702 tấn, trong đó riêng tỉnh Quảng N am là 855 tấn Sự cố dầu trôi dạt vào bờ biển là rất nghiêm trọng, lượng dầu trôi dạt lớn gây ảnh hương trên diện rộng và chưa đánh giá được hết mức độ thiệt hại về kinh tế, xà hội và mỏi trường N guồn gây ra ô nhiễm dầu trong sự cố này là chưa rõ ràng Do tính chất nghiêm trọng của sự cố ô nhiễm dầu, Thủ tướng Chính Phủ đã chỉ đạo Bộ Tài nguyên và M ôi 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 Báo vệ Môi trường, Viện K hoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường, Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc Gia, Trung tâm Viễn thám và một sổ cơ quan ngoài Bộ Tài nguyên và Môi trường như Viện Vật lý Điện tử, Viện Khoa học và Công nghệ Việt N am , 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 gâv ô

4

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

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

đc chính xác cần thiết C ơ sở dừ liệu nhận dạng các mẫu dầu thô Việt Nam chưa hoàn chỉnh nên gặp khó khăn rất nhiều trong việc xác định nguồn gốc dầu ô nHễm cho vùng biển nước ta từ mẫu dầu ô nhiễm thu được Do chưa có các kết qiả phân tích thành ph ần các mẫu dầu thô đang được khai thác và vận chuyển trén Biển Đông nên các mô hình số trị tính toán phong hoá dầu chỉ sử dụng các

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

sẻ để xác định nguồn ô nhiễm dầu

N ằm trong khuân khổ D ự án: “ "Điều tra, đánh giá, dự báo nguy cơ sự cố trai dầu gây tổn th ư ơ n g môi trường biển Đề xuất các giải pháp ứng phó" thuộc

dv án “Điều tra, đánh giá mức độ tổn thương tài nguyên - môi trường, khí tượng thiỷ văn Việt N am; dự báo thiên tai, ô nhiễm môi trường tại các vùng biên; kiên nghị các giải pháp bảo v ệ ” Nhiệm vụ: “Nghiên cứu, ứng dụng mô hình tính toán,

dụ báo ô nhiễm dầu trên biển Đ ông” là một nhiệm vụ rất quan trọng, nhiệm vụ trong tâm của nhiệm vụ này là nghiên cứu, xây dựng và ứng dụng được một sô m) hình số trị m ô phỏng, dự báo quá trình lan truyền và biến đổi của dầu, trên

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

II T Ỏ N G Q U A N T ÌN H H ÌN H N G H IÊN c ứ u VỀ M Ô HÌNH DỤ BÁO LAN T R Ư Y ÈN Ô N H IẺ M DẦU

2.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Ngày nay, với sự phát triển của phương tiện tính toán, mô hình mô phỏng qiá trình lan truyền và biến đổi của dầu sau khi xảy ra sự cố, đánh giá tác động mòi trường sinh thái v à thử nghiệm các phương án ứng phó khác nhau đã trơ thrnh m ột phương tiện hiệu quả và rẻ nhất để tính toán dự báo, xác định phương

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

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

mó hình quỹ đạo đơn giản tới các mô hình 2, 3 chiều tính toán chi tiết quá trình lar truyền và biến đổi dầu, có tính đến các giải pháp ứng phó và đánh giá anh huởng của dầu ô nhiễm tới môi trường sinh thái Đe có thê xây dựng được các

m ô hình này, cần phải có kiến thức chi tiết về các quá trình vận chuyển, biến đôi của dầu, tác động của dầu ô nhiễm tới môi trường sinh thái cũng như hiệu qua của các giải pháp ứng phó sự cố ô nhiễm dầu.

Sau khi xảy ra sự cố tràn dầu trên biển và trái qua quá trình loang dầu cơ học ban đầu, dầu sẽ bị vận chuyển trên biển bởi ảnh hưởng tổng hợp của gió, sóng và dòng chảy Vì vậy, để dự báo quá trình lan truyền và biến đối của dầu ô nhiễm, cần phải có các mô hình m ô phỏng các quá trình động lực học biến với

độ chính xác cao H iện tại, phươ ng pháp dự báo thời tiết bằng mô hình sổ trị dã đạt được nhiều kết quả rất tốt và đ ã trở thành phươ ng pháp chính dùng đẻ dự báo thời tiết ở các nước phát triển n h ư Mỹ, N hật và Châu Âu Có một số mô hình dir báo thời tiết số trị n h ư các m ô hình phổ 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 m ô hình trên cung cấp các điều kiện biên thích hợp cho các mô hình dự báo thời tiết quy m ô vừa có độ chính xác cao như các m ô hình WRF, MM5, R A M S của Mỹ, H R M của Đức, mô hình JM A M R I-N D P của Nhật V.V

Các yếu tố khí tượng n h ư vận tốc gió tại độ cao 10 m, nhiệt độ không khí, nhiệt

độ mặt biển và bức xạ m ặt trời dự báo bàng các m ô hình trên có thề được dùng

để tính toán các quá trình động lực khác trong biển 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 biển thư ờ ng được dùng là các m ô hình W A M , SW AN kết hợp với các m ô hỉnh tính toán quá trình lan truyền sóng ven bờ Có rất nhiều mô hình tính toán dòng chảy 2 và 3 chiều trên biển T hông thường, các mô hình 2 chiều chỉ được sừ dụng để tính toán dòng chảy tại khu vực ven bò và cửa sông

có độ sâu không lớn Đ ối với vùn g ngoài khơi, vì độ sâu biển lớn và dòng chảy thay đổi rất m ạnh theo độ sâu, việc sử dụng các m ô hình số trị 3 chiều là cần thiết Hơn nữa, như thấy ở các ph ần trên, cần phải sử dụng mô hình 3 chiều đề tính toán quá trình vận chuyển và biến đổi của dầu ô nhiễm trên biến Một sô mô hình điển hình như m ô hình P O M (Princeton University O cean Model) tại trường Đại học Princeton (Mỹ), m ô hình R O M S (Regional Oceanic Modeling System) tại trường Đại học C aliom ia, Los A ngeles và Đại học Rutgers (Mỹ), mô hình H A M S O N (H am burg S h e lf Ocean M odel) (Đức, Canada), mô hình

A IM S/G H ER tại trường đại học Liège (Bỉ) Các m ô hình trên dùng cho cả vùng ngoài khơi và ven bờ M ô hình M E C C A (M odel for Estuarine and Coastal Circulation and A ssessm ent) dùng tính toán dòng chảy vùng cửa sông và ven bờ Bên cạnh đó, các mô hình M I K E 3 PA /SA (Đan M ạch), S T A T M A P (Na Uy) có thể tính toán dòng chảy và lan truyền, biến đổi của ô nhiễm dầu 3 chiêu Trong

số các mô hình trên, m ô hình P O M là mô hình tính toán khá chi tiết các quá

6

trình rối biển theo sơ đồ khép kín rối mực 2,5 của M ellor và Yamada v à ảnh hưởng của phân tầng m ật độ tới quá trình vận chuyển chất khuyếch tán theo phương thẳng đứng M ô hình ROM S xét tới quá trình rối khá đơn giản bằng cách sử dụng một phân bố năng lượng rối theo phương thẳng đứng Mô hình

A IM S/G H ER cũng tính toán rối bằng một sơ đồ khá đơn giản trên CO' sớ gradient vận tốc dòng chảy Mô hình M EC CA cho phép tính toán dòng chay tổng hợp vùng ven bờ và cửa sông với độ chính xác khá cao, nhưng do không

mô hình hoá chi tiết quá trình trao đổi rối theo phương thẳng đứng khi có phân tầng 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 đứng bằng mô hình này có nhiều hạn chế Các mô hình HAM SO N, MIKE3 PA/SA, STATM AP (Skognes

và Johansen, 2003) cũng sử dụng một sơ đồ tính rối rất đơn giản nên các kết qua tính toán bằng mô hình không có độ chính xác cao trong điều kiện phân tầng mật độ Các m ô hình POM , ROM S và M E C C A đều sử dụng các sơ đồ tính toán

có khả nàng tách các sóng ừ ọ n g lực 2 chiều (external mode) ra khỏi các tính toán vận tốc dòng chảy cũng như các đại lượng động lực học 3 chiều (internal mode) nên tiết kiệm thời gian tính toán Trong khi đó, các mô hình

A IM S /G H E R và M IKE3 PA/SA tính đồng thời dao động mực nước đại dương

và các đặc trưng động lực 3 chiều nên yêu cầu bước thời gian tính toán ngấn và

do đó thời gian tính toán tổng cộng dài hơn

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

ô nhiễm trong khu vực Biển Đông là Hang và nnk (1989) M ô hình này đã được Buranapratheprat (1999) áp dụng để tính vận chuyển dầu ô nhiễm trong vịnh Thái Lan M ô hình dựa trên giả thiết là dầu ô nhiễm được vận chuyển trên biên 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 M IKE do Viện Thủy lực Đan M ạch (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 nhiễm ở các cưa sông, sông, hồ, biển và các khu vực chứa nước khác Trong đó, mô đun

M IK E 21 & M IK E 3 Particle/Spill Analysis được xây dựng đê mô phong 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 thế giới

2.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

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

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

7

đé tìi cấp nhà nước 4 8 B.05.03 “Ô nhiễm Biến” do cố GS TSKH Phạm Văn Nim chủ trì Bên cạnh việc nghiên cứu đánh giá chung khả năng, mức độ nguy

cc >ảy ra sự cố ô nhiễm dầu, đề tài đã đề cập nghiên cứu các quá trình lý-hóa diễr ra khi xảy ra sự cố như quá trình bay hơi, loang dầu cơ học, phân tán, hòa

ta.1, oxy hóa, nhũ tương hóa, lắng đọng, phân huỷ sinh học, lan truyền Đe tài

đỉ iế n hành xây dựng chương trình số mô phỏng vệt dầu loang trên mặt biến khi :ó sự cố xảy ra trên cơ sở phương trình truyền tải khuyếch tán, sử dụng phưong pháp sai phân hữu hạn và đã có xét đến một số quá trình chính như bay hci, loang dầu cơ học do trọng lực, Tuy nhiên, trong quá trình phát triển mô hình, cá: ‘á c giả nhận thấy phươ ng 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 trcng nước mà ở dạng các mảng, khối nhỏ Trong những nghiên cứu tiếp theo, phương pháp ngẫu hành (random walk) đã được sử dụng Đây là phương pháp đuợc sử dụng khá rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là trong lĩnh vực mô phỏng sự lai t u y ề n của dầu trên/ trong biển Các chương trình số mô phỏng sự lan truyền củi vệt dầu trên biển (OST-2D, OST-3D) dần dần được hoàn thiện như lính đến qui trình lý -h ó a chính xảy ra khi dầu tràn ra biển, bao gồm quá trình bay hơi, quí 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 dữ liệu về tốc dộ ba/ hơi, nhũ tương hóa của dầu phụ thuộc vào nhiệt độ của dầu và môi trường xmg quanh và tốc độ gió trên mặt biển Do thiếu số liệu quan trắc về các sự cố trài dầu nên đã không thể 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) qui việc mô phỏng sự lan truyền dầu ở các của sông và so sánh với ảnh viễn than Các m ô hình OST đã được áp dụng để tính toán dầu tràn với nhiều mục đích khác nhau như dự báo khả năng lan truyền vệt dầu ở các vùng biến Bắc, Tring và N am bộ, tính toán phạm vi lan truyền của dầu trong khu vực cảng Hải Ph)ng, tính toán các kịch bản tràn dầu qua đó xây dựng các bản đồ nhạy cam trài dầu cho các khu vực đang được quan tâm như Vịnh Hạ Long (2004), Vịnh

Đà Nằng (2005), Vịnh V ăn Phong (2007) Đặc biệt là các chương trình này đã đưíc xây dựng dưới dạng phần mềm đóng, dễ sử dụng và đã chuyển giao cho cá( cơ sở cần sử dụng như Công ty Dầu Khí Việt-Nhật (JVPC), Xí nghiệp Liên doinh Dầu Khí Việt-Xô (VIETSOVPETRO) Nhược điểm của mô hình trên là troig mô phỏng quá trình lan truyền dầu bằng phương pháp ngẫu hành, quá trình

va ;hạm liên kết của các giọt dầu lơ lửng trong nước chưa được mô phong Hơn nữ;, m ô hình khép kín rối dùng trong nghiên cứu chưa tính được ảnh hưởng của phin tầng mật độ tới các quá trình rối, liên quan tới các quá trình xáo trộn và

8

phân tán của các giọt dầu lơ lửng trong biển Trong khi đó, theo các nghiên cứu cia các tác giả nước ngoài thì quá trình trao đổi rối gần mặt biển có vai trò rất quan trọng trong quá trình vận chuyển và biến đối cứa dầu Tính toán mô phỏng được quá trình này với độ chính xác cao sẽ giúp nâng cao chất lượng tính toán m3 phỏng quá trình trao đổi dầu giữa lớp dầu trên mặt biến và các lớp dưới, quá trnh phân tán dầu, nhũ tương hoá và hoà tan của dầu Mô hình của các tác gia trèn sử dụng hệ toạ độ Đề-các với lưới vuông góc, chỉ áp dụng được với độ cHnh xác cao tại các khu vực hẹp Khi áp dụng cho các khu vực rộng như toàn Ben Đông, cần phải chỉnh sửa mô hình để tính tới độ cong của trái đất Ngoài ra,

mì hình này cũng chưa tính tới ảnh hưởng của phân tầng nhiệt muối tới dòng ctảy biển và vận chuyến dầu Trong khi đó, theo tác giả Đinh Văn Ưu, ảnh huờng của phân tầng nhiệt muối tới dòng chảy trong biển trên quy mô toàn bộ

B ển Đông là rất đáng kể Ảnh hưởng của sóng biển tới quá trình nhũ tương hoá dài được đánh giá gián tiếp thông qua tốc độ gió Do vậy, ảnh hưởng của quá trnh sóng vỡ ven bờ v à sự biến đổi của trường sóng tại các khu vực có địa hình pKrc tạp chưa được xem xét tới Mô hình cũng chưa được liên kết với một mô

h h h dự báo khí tượng nên chưa thể áp dụng ngay được để dự báo lan truyền và biìn đổi của dầu khi gặp sự cố ô nhiễm dầu

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

là tác giả N guyễn H ữu Nhân Tác giả này đã xây dựng phần mềm mô phỏng quá trìih lan truyền và biến đổi dầu trên biển, đánh giá tác động môi trường cua ô

n h ễm dầu Phần m ềm do tác giả xây dựng trên cơ sở mô hình có giao diện thiận tiện cho người sử dụng Tác giả đã sử dụng mô hình để tính toán mô pfông quá trình ô nhiễm dầu tại Khánh Hoà, Thành Phố Hồ Chí Minh Gần đây nhit, vào đầu năm 2007, tác giả đã áp dụng mô hình đế tính toán xác định nguồn

ô ìhiễm dầu trong sự cố ô nhiễm dầu ven biến nước ta Mô hình tính toán lan

tn y ề n ô nhiễm dầu là mô hình Lagrange Mô hình tính toán dòng chav dùng trm g mô hình m ô phỏng quá trình vận chuyển và biến đổi dầu là mô hình M2CCA N hư đã nhận xét ở phần trên, đây là mô hình sử dụng để tính dòng chty trong khu vực cửa sông và ven bờ Do vậy, sơ đồ khép kín rối khá đơn giản

và ảnh hưởng của phân tầng mật độ tới quá trình rối, tức ỉà quá trình xáo trộn và phin tán dầu chưa được tính đày đủ Vì vậy, quá trình trao đổi dầu giừa lớp dầu tréi mặt với các lớp nước bên dưới và quá trình xáo trộn dầu trong lớp nước chói mặt chưa được tính toán với độ chính xác thoả đáng Ngoài ra, mô hình này cũig có những nhược điểm như mô hình OST đã được trình bày ở trên Vì vậy, cầi phải có những cải tiến thích hợp thì mới có thể áp dụng mô hình đế tính toán

9

d ự báo lan truyền ô nhiễm dầu trên biến, đặc biệt là trên phạm vi toàn Biên Đông.

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

T ự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội đã xây dựng một mô hình dự báo phạm vi lan truyền váng dầu trên mặt biển cùng với các khu vực chịu ảnh hưởng dầu trong nước và trầm tích đáy với quy mô từ một vài ngày đến vài ba tuần lề và

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

M ột nhóm tác giả khác nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo quá trình lan truyền và biến đổi của dầu gây ô nhiễm là nhóm nghiên cứu tại Trung tâm

N ghiên cứu Biển và T ương tác Biển Khí quyển, Viện Khoa học Khí tượng Thuý văn và Môi trường do tác giả V ũ 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

M M 5 dự báo trường khí tượng, mô hình PO M dự báo dòng chảy và mô hình

S W A N dự báo sóng Có hai phiên bản của mô hình do nhóm nghiên cứu này phát triển là m ô 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 đổi ô nhiễm dầu trên khu vực biển rộng Mô hình dòng chảy 3 chiều là mô hình P O M do nhóm nghiên cứu tại trường Princeton, Mỹ, đứng đầu là Giáo Sư

G M ellor xây dựng Đây là m ột m ô hình tính toán dòng chảy rất hiện đại, trong

đó m ô hình khép kín rối sử dụng sơ đồ mức 2,5 của M ellor - Yamada, cho phép tính với độ chính xác cao ảnh hưởng của phân tầng mật độ tới hệ số trao đổi rối theo phương thẳng đứng Lưới tính theo toạ độ địa lý có tính tới độ cong của vo trái đ ấ t cho phép áp dụng mô hình cho các khu vực có quy mô tuỳ ý Mô hình này c ũ n g cho phép tính dòng chảy gây ra bởi phân tầng nhiệt muối trên toàn bộ

B iển Đông N ó cũng cho phép tính toán ảnh hưởng của quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời, quá trình trao đổi nhiệt ẩn và nhiệt cảm giữa bề mặt biến là lớp khí quyển trên biển Đây là mô hình với m ã nguồn m ớ được cung cấp miền phí, cho

p h ép người sử dụng can thiệp và biến đổi mô hình phục vụ các mục đích nghiên

10

cứu và tính toán khác nhau Trường sóng dùng đê tính ảnh hưởng của sóng tới quá trình lan truyền và biến đổi dầu được tính bằng mô hình SWAN Quá trinh lan truyền và biến đổi dầu trên biển được tính bằng sơ đồ Euler có khử khuyếch tán số trị bằng phương pháp sử dụng đường đặc trưng Dầu ô nhiễm được phân thành 2 loại: dầu trên mặt và dầu chìm dưới mặt Tất cả các quá trình quan trọng trong phong hoá dầu trên biển như quá trình bay hơi, nhũ tương hoá, phân tán dầu, hoà tan, lắng đọng dầu xuống đáy biến, tương tác dầu với bãi cát và đường

bờ V.V., đều được tính tới trong mô hình Các thông số khí tượng dùng đế tính toán lan truyền và biến đổi của dầu ô nhiễm như tốc độ gió, nhiệt độ không khí, bức xạ m ặt trời V.V., được cung cấp bởi mô hình dự báo khí tượng MM5 Do vậy,

hệ thống tính toán do nhóm tác giả xây dựng có thể sử dụng, phát triển để tính toán dự báo lan truyền và biến đổi 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 kiếm chứng bàng các quan trắc trong các sự cố ô nhiễm dầu đầu năm 2007 Các kết quả tính toán kiêm chứng các m ô 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 K hoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường đâ chuyến giao các kết quả tính toán xác định nguồn gây ô nhiễm dầu cho Tổ công tác xác định nguyên nhân ô nhiễm dầu vùng biển Việt Nam để tìm giải pháp xứ lý ô nhiễm Các tác giả cũng đã áp dụng hệ thống tính toán để tính lan truyền và biến đổi ô nhiễm d ầu 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 biển Đà Nằng, tính toán xác định nguồn ô nhiễm dầu trong sự cố ô nhiễm dầu ven biển Việt Nam đầu năm 2007

Tác giả Trần H ồng Thái, Nguyễn Xuân Hiển tại Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và M ôi trường đã nghiên cứu, áp dụng mô hình MIKJE31 PA ­

SA để tính lan truyền, biến đổi của dầu trên biển và xác định nguồn gây ô nhiềm dầu trong sự cố ô nhiễm dầu ven biển Việt N am vào đầu năm 2007 Các tác gia cũng xây dựng một m ô hình giải bài toán ngược, tính toán xác định nguồn ô nhiễm dầu từ vị trí dầu dạt vào bờ và thông tin gió, dòng chảy biển trong quá khứ Các tác giả cũng đã kết nối 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 m ở kênh nối sông Hậu với Biển Đ ông 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 - Đ ồng Nai.

2.3 Các quá trình vận chuyển và biến đổi dầu

Các kết quả nghiên cứu từ trước đến nay cho thấy quá trình vận chuyên và biến đổi của dầu thoát ra ngoài môi trường biển chịu ảnh hưởng bởi các quá trình vật lý, hoá học, sinh học và phụ thuộc vào các điều 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 chuyển của dầu do tác động cua gió, sóng và dòng chảy; quá trình phân tán tự nhiên, quá trình phong hoá (kê ca các quá trình nhũ tư ơ n g hoá, bốc hơi, hoà tan, ô xy hoá, phân huỷ sinh học, phân huỷ do ánh sáng m ặt trời), tạo hạt, chìm lắng và đọng lại tại đáy; quá trình tương tác dầu với bãi cát và bợ Các kết quả nghiên cứu về các quá trình trên sẽ được

mô tả chi tiết dưới đây

Quá trình loang dầu cơ học: Sự loang dầu cơ học là một trong các quá trình quan trọng trong di chuyển ban đầu của dầu loang, khi dầu vừa thoát ra khỏi nguồn M ô hình về quá trình loang dầu cơ học cho phép dự báo độ dày cua 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 hoa dầu Diện tích khu vực dầu loang (hay độ dày lớp dầu loang) được dùng đẽ tính lượng dầu bốc hơi, từ đó tính toán sự thay đổi thành phần và tính chất của dầu theo thời gian N hiều m ô 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 biên 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, phươ ng trình này không giải thích hết được một số hiện tượng loang dầu quan trắc được trong thực tế như quá trình kéo dài cùa vệt dầu vơi một lớp dầu m ỏng rất dài sau một lớp dầu dày, quá trình giám tốc độ loang dầu

do độ nhớt của dầu, quá trình vỡ của lớp dầu ra thành các dai dầu nho, và sự phụ thuộc của tốc độ loang dầu vào tốc độ thoát dầu ra khỏi nguồn MacKay ( 1980a, b) sửa đổi công thức của Fay và Hoult bằng cách chia miền dầu loang thành 2 khu vực: khu vực có lófp dầu dầy và khu vực có lớp dầu mỏng, với giá thiết là lớp dầu dầy cung cấp dầu cho lớp dầu mỏng M ô 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 xứng của quá trình loang dầu Tốc

12

độ loang dầu theo hướ ng gió được giả thiết là tăng theo thời gian, tý lệ thuận với tốc độ gió với một hệ số gió thực nghiệm xác định từ các quan trắc Trong khi

đó, tốc độ dầu loang theo hai hướng vuông góc với hướng gió được thê hiện bằng phương trình loang dầu trọng lực của Fay Mô hình của Lehr và nnk không tính tới sự biến đổi độ dày lớp dầu trong quá trình loang dầu N OA A (1994) đã

sử dụng mô hình loang dầu cơ học này trong mô hình ADIOS, biếu thị vệt dầu loang bằng một hình e-lip kéo dài theo hướng gió Diện tích ban đầu của vệt dầu loang được tính bằng diện tích tại thòi điểm chuyển tiếp giữa chế độ loang dầu trọng lực - quán tính v à chế độ loang dầu trọng lực - nhớt Mô hình này không dùng chế độ sức căng m ặt ngoài của Fay mà quá trình loang dầu được gia thiết

là dừng lại khi nó đạt độ dày 0.1 mm Cách xử lý này tạo ra một lớp dâu có độ dày đồng nhất, không phù họp 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 q u á trình tái nổi các giọt dầu đã chìm Các nghiên círu trong phòng thí nghiệm (Delvigne và Sweeney, 1988 ) và tại hiện trường (Reed

và nnk, 1994) đã đưa ra những bằng chứny, 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 Q uá 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 nhót biến đổi 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 p hụ 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 dộ hoá lỏng của dầu 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, đã 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 bàng

M ô 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

13

cân bằng lực cho dầu loang Các tác giả đã so sánh kết qua tính b ă n g m ỏ h ì n h

mở rộng với số liệu thực nghiệm và đã thấy đạt được nhiều tiến b ộ so với

phương trình của Fay Tuy nhiên, khoảng giới hạn của các thí nghiệm làm cho người ta nghi ngờ khả năng ngoại suy các kết quả của các tác giả này cho các loại dầu khác Điều này cần đặc biệt lưu ý đối với các loại dầu có khả năng tạo nhũ tương hoá với độ nhớt lớn hơn độ nhớt của dầu trong các thí nghiệm vài ba bậc Các nghiên cứu về mối phụ thuộc của độ dày lớp dầu cuối quá trình loang dầu cơ học vào độ nhớt đã không đưa ra được các kết quả rõ ràng Trong các điều kiện tự nhiên, quá trình loang dầu không dừng lại khi đạt tới độ dày tới hạn

mà đám dầu loang sẽ bị vỡ ra thành các đám dầu nhỏ do tác dụng cua sóng và

dòng chảy Các đám dầu này sẽ bị dàn rộng ra do ảnh hưởng của rối đại dương Lehr (1996) chỉ ra rằng trong thực tế, dầu luôn từ từ thoát ra khói nguồn, và do

đó, sẽ bị gió, sóng và dòng chảy m ang đi Trong trường họp này, sự loang dầu

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

Trường hợp thoát dầu ngầm từ đáy biển do hở lỗ khoan thăm dò dầu là một trường hợp rất nghiêm trọng, tạo ra sự thoát dầu liên tục với tốc độ thoát dầu thay đổi theo thời gian Trong trường hợp này, quá trình loang dầu bề mặt sẽ chủ yếu do các tác nhân m ôi trường quyết định Dầu thoát ra từ lỗ lchoan đáy biến 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 v à o 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 hợp này mỏng hơn lớp dầu do nguồn ô nhiễm m ặt gây ra khoảng 10 lần hay hơn nữa Các nghién cứu iý thuyết và thực nghiệm về nguồn thoát dầu dưới đáy biển đã được bắt đầu v à o

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 v à nnk, 1999) M ô hình rò dầu tại đáy biển do Zheng và

Yapa (1997), Y apa và nnk (1999) xây dựng có thể áp dụng để tính toán quá trình vận chuyển và biến đổi 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 v à dòng chảy biển tại các tầng sâu làm sai lệch kết quả tính toán đáng kế Do vậy, c ả n

phải có những nghiên cứu tiếp tục để nâng cao độ chính xác tính toán v ớ i c ác

vùng biển sâu Đe 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 ớ lỗ khoan đáy biên sâu, trong thời gian từ năm 1999 tới năm 2000, các nhà khoa học thuộc Châu Âu và

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

14

DeepSpill) D ự án có hai mục đích (Johansen và nnk, 2003) Mục đích thứ nhất

là thu thập các số liệu liên quan tới rò dầu tại đáy biển sâu Mục đích thứ hai là

kiêm chứng các phươ ng pháp tính toán quá trình vận chuyên dầu khi có rò dâu tại đáy biển Bốn thí nghiệm đã được thực hiện trong dự án Johansen (2000) xây dựng m ô hình DeepBlow, đây là mô hình Lagrange cho phép mô phong quá trình vận chuyển dầu từ đáy lên mặt trong trường hợp thoát dầu 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 thể mô phỏng quá trình vận chuyển và biến đổi dầu từ đáy lẽn mặt với độ chính xác tốt

Quá trình vận chuyển dầu do gió, sóng và dòng chảy: dầu chuyển động theo phương ngang trong biển 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 chuyển ngầm trong cột nước dưới mặt dưới dạng những giọt dầu có kích thước khác nhau Tốc độ thay đổi theo không gian của dòng chảy theo cả hai hướng đứng và ngang là những yếu tố quan trọng trong quá trình vận chuyển dầu Các nghiên cứu thực nghiệm hiện trường đã cho thấy rằng tốc độ vận chuyển dầu trên mặt biển có thể coi là tổng vector của 3% vận tốc gió và 100% vận tốc dòng chảy mặt (Stolzenbach và nnk, 1977) Nghiên cứu gần đây của R eed và n nk (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 N ếu vận tốc giỏ 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 thăng đứng trở nên rất quan trọng Các nghiên cứu hiện trường và mô hình hoá (Johansen, 1984; Elliot và nnk, 1986; Delvigne và Sweeney, 1988; Reed và nnk, 1994; Leibovich, 1997) đã chỉ rõ rằng cần phải dùng mô hình số trị 3 chiều đế tính toán dự báo quá trình lan truyền và biến đổi của dầu ô nhiễm Các nghiên cứu này đã cho thấy rằng q uá 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 bằng khối lượng,

mà còn trong việc xác định phân bố không gian và thời gian của dầu trong biển Các nghiên cứu 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 n h ư ngược với hướng gió Y oussef và Spaulding (1993) đã đề xuất một mô hình tính gió và dòng chảy sóng có khả năng mô phỏng thành công hiện tượng trên với giả thiết là lớp vận chuyên dầu có bê dày 2,5 tới 5 lần chiều cao

15

sóng Một số tác giả (H ow lett và Jayko, 1998; H odgins và nnk, 1995; Morita và nnk, 1997) đã sử dụng m ô hình số trị tính toán dòng chảy đê mô phong quá trình lan truyền và biến đổi dầu M ộ t số m ô hình dùng trong hệ thống ứng phó sự cố tràn dầu (Galt, 1994; M artinsen và nnk, 1994) đã kết nối các mô hình dự báo số trị khí tượng hải văn với m ô hình phong hoá dầu, cho phép dự báo thời gian thực quá trình lan truyền và phong hoá dầu M ột sổ m ô hình cho phép sử dụng các sổ liệu đo đạc dòng chảy m ặt bằng radar để 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 số trị được sử dụng để tính toán lan truyền và biến 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 để tính toán quá trình loang dầu Thí dụ, Fang và W ong (2006) đã sử dụng m ô hình V O F để tính toán quá trình loang dầu cơ học Sterling và nnk (2003) đã xây dựng m ột mô hình số trị rất hiện đại tính toán dự báo quá trình lan truyền dầu, trong đó quá trình vận chuyến

và biến đổi 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 vỡ ra cua các e,iọt dầu Các số liệu đầu vào cho các m ô hình số trị 3 chiều dự báo quá trình lan truyền và biến đổi dầu được cung cấp bởi các p h ươ ng tiện thiết bị quan trắc hiện đại, có độ chính xác cao và trên diện rộng Vì vậy, độ chính xác của các kết quá tính toán bằng các m ô hình là đủ để sử dụng trong công tác ứng phó sự cố tràn dầu

Quá trình bốc hơi dầu: Đ ánh giá lượng dầu m ất m át do bốc hơi là rất quan trọng đế 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 m ô hình giải tích của Stiver và M ackay (1984) NO A A cũng dùng phươ ng pháp này trong mô hình ADIOS G ần đây, Pingas (1996a), Fingas và nnk (1995,1996b, 1999) đã đề xuất một phươ ng pháp thực nghiệm đơn giản để xác định tốc độ bay hơi của dầu bằng chậu đo bốc hơi Jones (1997)

đ ã so sánh các kết quả dự báo bằng các phươ ng pháp bay hơi dầu khác nhau

T heo các nghiên cứu trên, có thể chia các ph ươ n g pháp đánh giá tốc độ bay hơi của dầu thành phương pháp thành phần và p h ư o n g pháp giải tích Theo phương pháp thành phần, phần dầu bay hơi được tính n h ư hàm của thời gian và nhiệt độ

T rong các m ô hình theo phươ ng pháp này, dầu được chia thành các thành phần với nhiệt độ sôi nằm trong các khoảng khác nhau Phần thể tích của mỗi thành phần được tính và chuyển thành phần trọng lượng phân tử Áp suất hơi của mỗi thanh phần được tính từ giá trị điểm sôi và các công thức thực nghiệm Với điều kiện áp suất riêng của các thành phần là không đáng kể trong không khí, tốc độ

16

bóc hơi của mỗi thành phần được giả thiết tỷ lệ với áp suất riêng của mồi thành pl-ần Lượng bốc hơi thực tế được giả thiết là phụ thuộc vào hệ sổ trao đối chất

vả là hàm của nhiệt độ và tốc độ gió Fingas và nnk (1996b, 1999) cho ràng tốc

đc gió không phải là một thông số phù hợp Jones (1997) đã cải biến phương ptáp này bằng cách đưa ra mối liên hệ thực nghiệm giữa thể tích phân tử và

điềm sôi Tác giả này cũng đề xuất mối liên hệ thực nghiệm giữa áp suất hơi với điềm sôi và nhiệt độ của dầu N hờ đó, tác giả đã sử dụng được mô hình ngay ca trcng trường hợp không có số liệu về trọng lượng riêng của mỗi thành phần

P tư ơ n g trình của Jones cho kết quả gần thực tế hơn so với áp suất hơi tính theo phương trình Clausius - Clapeyron hay phương pháp tính theo Payne và nnk (P 8 7 ) M ột phương pháp thành phần tương tự đã được dùng trong mô hình phong hoá dầu SIN TEF (Daling và nnk, 1997) Tuy nhiên, hệ số trao đổi chất trcng mô hình này dựa trên công thức thường được dùng để tính thông lượng nhiệt, ẩm tại mặt biển (Smith, 1988) Điều này có nghĩa là hệ số trao đổi chất

ph i thuộc vào tốc độ gió A m orocho và DeVries (1980), và Blake (1991) cho rằng hệ số trao đổi chất phụ thuộc vào tốc độ gió do thay đổi độ nhám mặt biến theo tốc độ gió Theo các kết quả của các tác giả này, hệ số trớ kháng mặt biên thay đổi từ giá trị gần bằng hằng số ( l x lO '3) tại vận tốc gió dưới 6 hay 7m/s, khi

bắ đầu xuất hiện sóng bạc đầu, tới khoảng gấp đôi giá trị đó tại vận tốc gió

2 0 n /s (A m orocho và DeVries, 1980) Do yêu cầu nhiều số liệu và thuật toán

p h íc tạp, các phương pháp đơn giản hơn đã được đề xuất như phương pháp giải tíci của Stiver và M ackay (1984) Phương pháp này hiện được dùng trong nhiều

mc hình lan truyền dầu, kể cả mô hình ADIOS của N O A A (1994) Phương phap

n àY dựa trên một vài phép đơn giản hoá, trong đó có mối liên hệ tuyến tính giữa điểm sôi của pha dầu lỏng và lượng dầu mất mát do bốc hơi Mối liên hệ tuyến tím này được xác định theo nhiệt độ điểm sôi ban đầu của pha lỏng v à gradient cik nhiệt độ điểm 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 thứ sai với áp suất hơi trên m ặt dầu vừa thoát ra được giả thiết bằng áp suất không khí Jores (1997) so sánh m ô hình giải tích m ở rộng và mô hình thành phần và thấy rằng mô hình giải tích m ở rộng nói chung dự báo lượng bốc hơi lớn hơn đáng kể

so /ới m ô hình thành phần của ông Ông cho rằng sự khác nhau có thê do khác

n h a i về thuật toán, cũng có thể do mô hình giải tích sử dụng xấp xỉ tuyến tính để

b iể i diễn đường cong điểm sôi Stiver và Mackay (1984) đưa ra thông số “ lộ bốc h ơ i” trong mô hình giải tích Họ chứng minh rằng mối liên hệ giữa lượng mấ" mát do bốc hơi và thông số này có bản chất động lực và không phụ thuộc vàc mức lộ bốc hơi Do vậy, mối liên hệ chỉ phụ thuộc vào thành phần dầu ban

17

đầu và nhiệt độ của dầu Với vận tốc gió không đối, thông số lộ bốc hơi có thè biểu thị bằng biểu thức với K là hệ số trao đổi chất, h là độ dày ban đầu cua lớp dầu và t là thời gian lộ Khi vận tốc gió thay đổi, hệ số lộ bốc hơi có thê tính bằng cách tích phân theo thời gian Johansen và Skognes (1988) áp dụng phương pháp này trong mô hình thống kê quỹ đạo giọt dầu đế giảm thời gian tính toán lượng bốc hơi Trong mô hình này, lượng dầu mất mát do bốc hơi được xem là hàm của thời gian, loại dầu và các điều kiện ban đầu (như độ dày lớp dầu, vận tốc gió) T rong quá trình tính, lượng dầu mất mát do bốc hơi được xác định bằng phương pháp nội suy đơn giản trên cơ sở lộ bốc hơi tích luỹ theo mỗi quỳ đạo Fingas (1997) tiến hành các thí nghiệm với nhiều loại dầu thô khác nhau đẻ 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 rằng vận tốc gió và diện tích lộ bốc hơi không ảnh hường đáng kể tới tốc độ bốc hơi Do vậy, ông cho rằng các công thức của ông có thê được dùng m à k h ông cần hiệu chỉnh vận tốc gió hay độ dày lớp dầu, mà chi 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 kế so với mô hình thành phần Jones (1997) chỉ ra rằng Fingas đã sử dụng tốc độ gió nho và lớp dầu khá dày để xác định các thông số trong mô hình của ông Khi kiểm tra với các điều kiện tư ơng tự, ông thấy rằng kết quả tính toán bằng mô hình thành phần phù hợp tốt với kết quả của Fingas

Quá trình phâ n 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 số môi trường (trạng thái mặt biến), nhưng cũng phụ thuộc vào các thông số dầu như độ dày lớp dầu và tính chất dầu (mật độ, sức căng mật ngoài, độ nhớt) (Li, 1996) Quá trình nhũ tương hoá đóng góp quan trọng vào s ự

tồn tại của dầu, chủ yếu do tăng mạnh độ nhớt của dầu và độ dày lóp dầu có chứa nước (làm chậm quá trình loang dầu, tăng thể tích, làm giảm quá trình phân tán tự nhiên) M ất mát dầu do quá trình phân tán tự nhiên có thể được tính toán theo các p h ươ ng trình do Mackay và nnk (1980a,b) đề xuất Phương pháp của M ackay và nn k dựa trên đánh giá phần F của mặt biển chịu ảnh hưởne cua quá trình phân tán trong một đơn vị thời gian, tính theo phần FB của dầu được phân tán dưới dạng các giọt dầu có kích thước đủ nhỏ để phân tán vào trong nước Tổc độ tồ n g cộng lôi cuốn dầu vào trong nước (m3/m2s) được tính bằng cách nhân F với độ dày lóp dầu Tốc độ phân tán dầu được tính bằng cách nhân

18

đ ã lượng tìm được với FB Mackay và nnk (1980a,b) cho rằng F phụ thuộc v à o

trang thái mặt biển, tăng tỷ lệ với bình phương vận tốc gió Phần dầu bị phân tán

lạ chịu ảnh hưở ng bởi các tính chất của dầu Các nghiên cứu cho rằng các lớp dáu mỏng với độ nhớt nhỏ sẽ phân tán nhanh hơn các lớp dầu dầy có độ nhớt lớn

h m Trong m ột số 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

d in g các phương trình phân tán cho cả phần dày và phần mỏng cua dầu Do bo

q i a quá trình vận chuyển dầu từ phần lóp dầu dày sang phần lớp dầu mong, các ỈTÒ hình này cho kết quả tính tốc độ phân tán chung nhỏ hơn thực tế Các mô

h ìih phân tán dầu dựa trên các kết quả thực nghiệm của Delvigne v à S w e e n e y

(1988) giờ đã gần như trở thành các mô hình tiêu chuẩn Delvigne và S w e e n e y

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

và bể sóng và đã rút ra mối liên hệ thực nghiệm giữa tốc độ lôi cuốn dầu v à o

trcng nước (phần dầu m ất 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

b á ) phân bố kích thước giọt dầu theo các thông số trên Các tác giá cũng thấy rằng số lượng giọt dầu trong một khoảng kích thước nào đó liên hệ với kích t.hước giọt theo mối quan hệ hàm mũ Biểu thức phân bố kích thước giọt dầu cua lương dầu bị lôi cuốn vào trong nước do mỗi con sóng vỡ có d ạ n g Qíl<n = C D \

trcng đó Qdi0\à lượng dầu bị lôi cuốn vào nước trong mồi đơn vị diện tích bềrmệt với các giọt dầu có kích thước từ 0 tới D s ố mũ 1,7 được rút ra từ quan trắc

p h in bố hàm mũ của kích thước hạt, xác định từ thí nghiệm Hệ sổ ty lệ c phụ tỉhiộc vào loại dầu v à độ cao sóng vỡ H, c = aHq, với hệ số phân tán a phụ thuộc vào loại dầu, biểu thị qua hệ số nhớt, s ố mũ q tìm được trong thí nghiệm máng Stóng là 1,14 và trong thí nghiệm bể sóng là 1,4 (Delvigne và Hulsen, 1994) Các tác giả cho rằng hệ số phân tán có giá trị hầu như không đổi với dầu có độ nhớt ruhó cho tới một giá trị giới hạn nào đó Khi độ nhót lớn hơn giá trị giới hạn, hệ Siốphân tán giảm đáng kể khi hệ số nhớt tăng lên Các kết quả nghiên cứu trên p^hi hợp với các kết quả quan trắc hiện trường là hệ số phân tán cua dầu bị nhũ tưcng hoá nhỏ hơn hệ số phân tán của dầu không bị nhũ tương hoá một cách điár.g kể (Reed và nnk, 1994) Tốc độ phân tán như trình bày ớ trên đư ợ c tính clho mỗi sóng vỡ Đe thu được tốc độ lôi cuốn dầu vào trong nước, cần phải nhản phương trình tìm được với hệ số tốc độ Fw, được tính bằng tỷ số phần mặt

b iểi được bao phủ bởi sóng vỡ chia cho chu kỳ sóng Các tác giả cho rằng các p>hiíơng trình m ô tả các quá trình phân tán dầu có thể đúng trong giới hạn từ các giiạ dầu nhỏ nhất cho tới kích thước mà lượng dầu lôi cuốn bằng hàm lượng d ầ u

trên mặt (lượng dầu trên một đơn vị diện tích bề mặt) Điều này có nghĩa là kích

19

thước giọt dầu lớn nhất sẽ phụ thuộc vào độ dày lớp dầu, trạng thái mặt biên, loại dầu và trạng thái phong hoá Phương pháp Delvigne và Sweeney hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới, kể cả trong mô hình ADIOS (NOAA, 1994),

mô hình phong hoá dầu SINTEF (Aamo và nnk, 1993; Daling và nnk, 1997),

O SCA R (Reed và nnk, 1995a,b; Aamo và nnk, 1997), và O ILM A P (Spaulding

và nnk, 1992) Trong m ột số mô hình, các giọt dầu có kích thước nhó 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 xuất hiện tại khu vực ô nhiễm dầu sẽ bị coi là biến mất vĩnh viễn Giới hạn đường kính của giọt dầu để nó biến mất vĩnh viễn nói chung nằm trong khoảng

7 0 -1 0 0 ũ m (Luneỉ, 1993) Tuy nhiên, việc dùng một bán kính giới hạn đê giọt dầu biến mất là đáng nghi ngờ do một số nguyên nhân sau đây Các giọt dầu bị lôi cuốn vào nước sẽ có khả năng biến mất vĩnh viễn nếu vận tốc chuyển động rối theo phương thẳng đứng lớn hơn vận tốc nổi của giọt dầu Khi chuyến động rối là thống trị, các giọt dầu bị phân tán có xu hướng xáo trộn vào trong cột nước,

do vậy thời gian nổi lên mặt sẽ tăng lên, tức là làm gia tăng khá 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 biền, hơn là vào kích thước giọt dầu Hơn nữa, các giọt dầu bị phân tán có xu hướng chuyển động chậm hơn lớp dầu bề mặt do vận tốc dòng nước phía dưới nho hơn Quá trình nổi lên từ từ của những giọt dầu bị nhấn chim trong một khoang kích thước nào đó sẽ đóng góp vào sự kéo dài của vết dầu, với một vùng có lớp dầu mỏng ở phía sau vùng có lớp dầu dày Các quá trình như đã nêu ớ trên đã được đưa vào các m ô hình vận chuyển dầu theo phương pháp theo dõi hạt (Johansen, 1987; Elliot, 1991; R eed và nnk, 1994) Các quá trình này tạo ra sự vận chuyến dầu từ vùng có vết dầu dày tới vùng có vết dầu mỏng, do vậy làm tăne cường quá trình phân tán dầu Các nghiên cứu gần đây nhất theo hướng xem xét sự cân bằng giữa lực nổi của các giọt dầu và động lực của sóng võ là cóng trình cua Tkalich và Chan (2002) Các tác giả này đã xây dựng một mô hình động học mới về xáo trộn thẳng đứng của dầu, sử dụng thông lượng năng lượng giữa sóng

vỡ và các giọt dầu nổi Các tác giả đã 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

Quá trình va chạm liên kết hay vỡ ra của các giọt dầu có thê là không quan trọng ở ngoài khơi đại dương, nhưng ảnh hưởng cửa nó rất quan trọng trong vùng gần b ờ khi tốc độ pha loãng và lôi cuốn dầu giảm một cách đáng kê

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

2 0

lớn và nổi lên mặt biển Do vậy, một số mô hình sổ trị đã tính tới quá trình này như mô hình của Sterling và nnk (2003).

Quá trình nhũ tương hoá: Trong nhiều mô hình, quá trình nhũ tương hoá được tính toán bàng 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 để tính toán dưới dạng sai phân Thuật toán này đã được dùng trong mô hình ADIOS cua NOAA, và dưới dạng biến đổi một chút trong m ô hình phong hoá dầu SINTEF Thuật toán đơn giản hoá chứa hai thông số, tốc độ lấy nước và độ ngậm nước cực đại Ca hai thông số này đều có thể rút ra được từ các thí nghiệm, nhưng thông số về tốc

độ lấy nước cần chỉnh theo các điều kiện hiện trường và các trạng thái mặt biển khác nhau Các nghiên cứu thí nghiệm về quá trình nhũ tương cua các loại dầu thô khác nhau đã cho thấy ràng cả tốc độ lấy nước và độ ngậm nước cực đại thay đổi đáng kể 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 thể là do thành phần hoá học của dầu (nhựa, nến, hắc ín V.V.), nhưng người ta vẫn chưa tìm ra được các biểu thức đáng tin cậy để 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 số nhũ tương cần được xác định trên cơ sở các số liệu thí nghiệm cho các loại dầu cho trước Pingas và nnk (1999) đã tổng quan các mô hình mô phỏng quá trình nhũ tương hoá cua 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 triển các mô hình nhũ tương hoá mới; và các mô hình đó cần tính đến tính ổn định của quá trình nhũ tương hoá của các loại dầu khác nhau (ổn định, chuẩn ổn định và không ổn định) Tinh 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 giữ ở trạng thái tTnh trong 24 giờ Trong khi độ nhớt hiệu dụng của nhũ tương ốn định có thế lớn hơn

độ nhớt của dầu nguyên chất 2 hay 3 bậc, độ nhớt của nhũ tương không ốn 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 (A am o và nnk, 1993; Daling và nnk, 1997 dùng độ ổn định phong hoá trong tính toán độ nhớt thích hợp dùng đế tính toán sự phân tán dầu

Quá trình chìm dầu: hầu hết các thành phần của dầu thô là không hoà tan trong nước, do vậy chúng có xu hướng dính kết với các hạt rắn lơ lung trong

21

nước, trở nên có khối lượng riêng lớn hơn nước biền và chìm dần xuống đáy Quá trình chìm dầu xảy ra khi dầu thô đã trải qua quá trình phong hoá và tương tác với các chất lơ lửng tự nhiên trong biển hay bùn đáy do rối biến khuấy lên Quá trình dầu tương tác với bùn đáy thường xảy ra khi độ sâu nho hơn 2 đến 5 lần độ cao sóng vỡ (Reed và nnk, 1999a) Thậm chí, quá trình này không được xem xét đến trong hai bài báo tổng quan về các mô hình mô phóng tràn dầu quan trọng nhất (A SC E, 1996; Reed và nnk, 1999a) Các quá trình liên kết của các giọt dầu lơ lửng với các hạt rắn lơ lửng có thể 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 rằng rối biển tăng cường rất mạnh quá trình tương tác và lắng đọng của dầu Hiện tại, chưa có mô hình nào

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

lơ lửng và quá trình lắng đọng của dầu xuống đáy theo công thức thực nghiệm (Tkalich và nnk, 2003) Yapa (1994) cũng mô phỏng quá trình lẳng đọng dầu xuống đáy tại vùng cửa sông và ven bờ bàng một hệ số thực nghiệm Đổi với vùng xa bờ, đa số các m ô 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 L ượng dầu mất m át do quá trình phân tán này đôi khi cũng được coi là lượng dầu m ất mát do lắng đọng

Tương tác dầu với bờ: M ột số mô hình hiện nay đã tính toán anh hướng của các quá trình động lực vùng ven biển tới quá trình dầu Một trong những mô hình xử lý khá kỹ vấn đề này là mô hình tràn dầu COZO IL (Reed và nnk, 198%; Howlett và Jayko, 1998) Ngoài tính toán khá chi tiết quá trình tương tác giữa dầu và bãi, C O ZO IL 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 cỏ tính đến khả năng giữ dầu của bãi biển 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 G undlach (1987) đã tổng kết các kết quả quan trắc về kha năng giữ dầu trên bãi Reed và nnk (1 9 8 % ) tính khả năng giữ dầu trên bãi từ độ nhớt của dầu, độ thấm nước và độ rỗng 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 xuống H um phrey và nnk (1993) sử dụng một phươne pháp đơn gian với các giá trị không đổi cho tất cả các thông số Phương pháp của Humphrey và nnk cho các kết quả tính toán không phù hợp tốt với các số liệu quan trẳc (Hayes

22

và nnk, 1991; B aker và nnk, 1993; Sveum và Bech, 1993) Tuy vậy, các mô hình đơn giản dạng này rất tiện lợi trong những trường hợp không thể quan trắc hoặc

mô hình hoá được các thông số môi trường

Quá trình phân huỷ sinh học: quá trình phân huỷ sinh học là một trong những quá trình phong hoá quan trọng nhất dẫn tới sự biên mât của dâu khỏi môi trường, nhất là làm biến mất những thành phần không bay hơi Nhiều công trình nghiên cứu đã làm sáng tỏ những khía cạnh khác nhau của quá trình nà} cũng như các yếu tố môi trường làm thay đổi tốc độ phân huỷ sinh học (Atlas, 1981) Quá trình phân huỷ sinh học của dầu xảy ra do một số loại vi khuẩn có khả năng đồng hoá hydrocarbons trong dầu M ột số loại vi khuẩn không có kha năng đồng hoá hydrocarbons cũng có thể đóng góp vào việc làm biến mất dầu trong tự nhiên Q uá trình phân huỷ dầu bao gồm một chuỗi các quá trình, trong

đó một số vi khuẩn tác động ban đầu, tạo ra các sản phẩm trung gian để một số nhóm sinh vật khác sử dụng Owens (1999), V enosa 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 yếu tố môi trường (như trạng thái nhũ tương, nhiệt độ nước biên, 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 cúa dầu trong môi trường biển, các nhà khoa học vẫn chưa có được những kết quả định lượng đáng tin cậy để có thể sử dụng trong mô hình dự báo quá trình biến đối của dầu ô nhiễm Bởi vậy, trong các mô hình tính toán dự báo sự lan truyền và biến đổi của dầu ô nhiễm, quá trình phân huỷ sinh học của dàu thường bị bỏ qua

Quả trình hoà tan: Các thành phần có thể hoà tan trong nước của dầu có thể 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 cũng là nhừng thành phần bốc hơi nhanh nhất nên nếu dầu ở trên mặt biến thì quá trình hoà tan cua 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 biển 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,

2 3

mãi tới gân đây, H am am và nnk (1988) mới lân đâu tiên tiên hành các thí

nghiệm đo đạc m ức độ hoà tan của các thành phần dầu thô với dầu thô thực Trong các thí nghiệm , các tác giả đã đo đạc độ hoà tan của dâu thô có °API năm trong khoảng từ 11 đến 28 trong nước biển 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 m ộ t

phương pháp đánh giá mức độ hoà tan của dầu thô vào nước biên như là hàm của nhiệt độ, độ muối

T rong trườ ng hợp tính toán quá trình lan truyền dầu từ nguồn xa để xác định nguồn gây ô nhiễm dầu, có thể bỏ qua quá trình hoà tan dầu vào trong nước

mà không gây ra sai số đáng kể tới các kết quả tính toán Tuy vậy, nếu đánh giá tác động m ôi trườ ng của ô nhiễm dầu, cần xem xét cả quá trình này, đặc biệt ở gần bờ

Quá trình ô xy hoá dầu: Các thành phần hydrocarbon trong dầu có thê tác

d ụ ig với ô xy, tạo ra các hợp chất hoà tan hay không hoà tan Q uá trình ô xy hoá dầu được tăng cường khi có ánh nắng m ặt trời nhưng nói chung xảy ra rất chậm Thí dụ, ngay cả dưới ánh nắng gay gắt, lớp dầu m ỏng chỉ bị ô xy hoá với tốc độ0,1% khối lượng trong 1 ngày Các đám dầu bị nhũ tương hoá có thế bị ô xy hoá lớp bên ngoài, tạo ra m ột lớp m àng cứng ngăn cản quá trình nhũ tương hoá cua dầu ở bên trong Vì tốc độ ô xy hoá của dầu khá chậm , trong các mỏ hình tỉnh toấn lan truyền và biến đổi ô nhiễm dầu, chúng thường được bỏ qua

Các tính chất của dầu: Các tính toán dự báo những thay đổi của các tính chát dầu theo thời gian bằng cách m ô phỏng tổng họp 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 (N OA A, 1994; C om erm a, 2003) Tính chất quan trọng nhất của 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 phàn tán, kích thước giọt dầu chìm trong nước, V.V Các tính chất khác của dầu như điếm tan chảy, điêm 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 dề mất trong qu£ trình phong hoá C ác thay đổi tính chất của dầu thường được tính toán trên

c a sở m ất m át do bốc hơi, lấy nước, hoà tan và phân huỷ dầu M ột số tác giả đã thủ tính độ nhớt của dầu theo độ nhớt của phần dầu còn lại trong quá trình phcng hoá nhưng đã tạo ra các kết quả phi lý Do đó, m ột số tác giả khác đã đề xuết phươ ng pháp tính toán độ nhớt của dầu từ độ nhớt của dầu khi vừa thoát ra

k h d nguồn tại nhiệt độ tiêu chuẩn (25°C) và phần dầu mất mát trong quá trình

2 4

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

có m ột p hư ơ ng pháp đáng tin cậy để dự báo chúng nên số liệu thực nghiệm cho mỗi loại dầu vẫn là rất cần thiết và đáng tin cậy nhất

III Đ IÈ U K IỆ N T ự N H IÊN KHU vực BIỂN Đ Ô N G

3.1 Đ ăc điểm đia hình khu vưc biển Đông • • • o

B iển Đ ông nằm ở phía tây của Thái Bình D ương, là một biển kín được bao bọc bởi đảo Đài Loan, quần đảo Philippin ở phía đông; các đảo Inđônêxia (B om eo, Sum atra) và bán đảo M alayxia ở phía nam và đông nam, bán đao Đông

D ương ở p h ía tây và lục địa nam Trung H oa ở phía bắc Theo định nghĩa của

U ỷ ban T hủy văn quốc tế, đường ranh giới cực bắc của Biển Đ ông là đường nối điểm cực bắc của đảo Đài L oan đến Thanh Đảo lục địa Trung Hoa, gần vị trí vĩ

độ 25010'N , ranh giới phía cực nam của biển là vùng địa hình đáy bị nâng lẻn giữa đảo S um atra và B om eo (K alim antan) gần v ĩ độ 30 00'S (Bản đồ Biến

Đ ông) D iện tích B iển Đ ông khoảng 3.400.000km 2*, độ sâu trung bình khoảng

1 140m và độ sâu cực đại khoảng 5016m (hình 3.1)

H ình 3.1 Bản đô Biên Đ ông ở tây băc Thái Bình Dương

25

Đ ịa hình đáy B iển Đ ông rất đ a dạng và phức tạp, với tính chất của một biển rìa, sự đan xen của bồn trũng nước sâu trên 4000m với những khối sót lục địa cổ đã tạo nên tính tư ơ ng phản của địa hình Địa hình đáy Biển Đông ngoài tính chất của địa h ìn h đáy đại dương, còn có các yếu tố của địa hình lục địa với

sự có m ặt đầy đủ các đơn vị địa hình như: thềm lục địa, sườn lục địa, chân lục địa và đáy biển thẳm T rong quá trình tiến hoá của mình, địa hình đáy biên chịu ảnh hưởng sâu sắc các q u á trình dao động mức nước đại dương và quá trình giãn tách của B iển Đ ông Q uá trình sụt lún không đều của vỏ trái đất đã đóng vai trò quan trọng trong việc phân dị địa h ìn h tạo nên những cảnh quan núi, đôi, cao nguyên và các d ạn g đồn g bằng phân bố ở những độ sâu khác nhau, các quá trình động lực ngoại sinh g óp phần tạo ra tính đa dạng và phong phú của bề mặt địa hình ở các phân vị thấp hơn

3.2 Đ ăc điểm khí hâu khu vưc biển Đ ông • • • o

Chế độ khí h ậu của vùng biển phía bắc Biển Đ ông m ang tính nhiệt đới đại dương, không có m ù a đông lạnh, g ần như ấm áp quanh năm N hiệt độ trung bình năm 26,90C , tro n g những tháng m ùa đông nhiệt độ tới thấp hơn 220C, trong những tháng m ùa hè nhiệt độ cao nhất trung bình tháng không vượt quá

3 10C (B ảng 9) C hế độ ẩm ở đây luôn luôn nhỏ hơn 85%, thấp hơn nhiều so với chế độ ẩm trên đất liền và vùng biển ven bờ V iệt Nam L ượng m ưa trung binh năm khoảng 1200m m , tư ơ n g đương giá trị này ở vùng khô hạn nam Trung bộ

V iệt Nam B ão và áp th ấp nhiệt đới có khả năng đem m ưa đặc trưng cho chê dộ 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 Biến Đông không thuần túy khí hậu hải dương N hân tố nào đã chi phối, cần phải được điều tra nghiên cứu đầy đủ hơn T rong khi đó các số liệu khí tượng quan trắc được ở Trường Sa phía nam B iển Đ ông rất đặc trưng cho chế độ khí hậu nhiệt đới xích đạo hải dương

Khí hậu vùng p h ỉa nam của B iển Đ ông đặc trưng cho khí hậu gió mùa

m ang tính chất xích đạo với những đặc trưng cơ bản sau đây:

N hiệt độ luôn luôn cao, ổn định và biến thiên theo m ùa không lớn Nhiệt

độ trung bình năm k h o ản g 26,5 - 27,0°c Trong biến trình năm có hai cực đại chính xảy 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 G iá trị cực tiểu là 25,5°c xảy ra vào tháng II, chậm pha hcm trên đất liền m ột tháng do tính chất đại dương N hư vậy biên độ năm cua nhiệt độ chỉ vào khoảng 2°c, tương ứng điều kiện khí hậu xích đạo

2 6

Long bắt đầu khuyếch tán rộng ra xa bờ Mặc dù vậy ảnh hưởng cua m ù a đông vẫn còn mạnh Trên bản đồ hoàn lun iớp nước mặt tháng 4 của Wyrki tồn tại khá rõ nét hai hoàn lưu xoáy thuận mùa đông ở hai phần phía bắc và phía nam của biển, cái khác quan trọng nhất là cường độ dòng chảy, tốc độ phố biến là 12

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

biển Luzon khá rõ.

Trong thời kỳ m ùa hè điển hình là từ tháng 6 đến tháng 8 gió mùa tây nam ngự trị đã tạo ra n h ữ n g dòng nước mạnh xuất phát từ biển G iava qua eo biên phía nam , xâm nhập thẳng vào Biển Đông và hình thành dòng nước uốn theo địa hình và đường bờ biển V iệt N am chuyển động trong hướng tây nam - đông bấc

và cuối cùng thoát ra eo biển Đài Loan và Bashi N gay từ tháng 6 đã có dấu hiệu hình thành m ột xoáy nghịch ở nam Biển Đông, sang tháng 8 đã phát triển thành hoàn lưu xoáy nghịch quy m ô lớn nam Biển 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 s w - NE tại vĩ độ 14 - 150N, còn ngoại vi phía đông là các dòng chảy yếu xa hờ khép kín hoàn lưu này Trong khi đó vùng nước sát bờ B orneo dòng chảy có hướng song song với đường bờ và chay ngược lên phía bắc theo đường bờ đảo Palaw an Philippines, c ầ n nói rõ thêm dòng nước tây nam - đông bắc phân dòng ở v ĩ độ 14 - 150N, nhánh chính tiếp tục chuyển động trong hướng tây nam - đông bắc, nhánh thứ hai chảy theo vĩ tuyến 150N sang phía đông để m ột phần thoát ra biển Xulu Trên bản đồ dònạ chảy tháng 8 của K W yrki khó phát hiện thấy các xoáy ở khu vực phía bẳc Biên Đông, m à chỉ thấy duy trì quanh năm hoàn lưu xoáy thuận Vịnh Bẳc Bộ Từ Vịnh Bắc Bộ m ột 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 hướnu tâv nam - đông bắc hoà cùng hướng chính tây nam - đông bắc Hiện tượng chia dòng ở vĩ độ 14 - 150N trong thời kỳ m ùa hè có nhiều đánh giá khác nhau Trong đó K W yrki cho rằng dòng nước có nguồn gốc từ biến Giava chay vào Biển Đông, hình như không cung cấp đầy đủ năng lượng cho dòng nước c h i n h

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 V ịnh B ắc Bộ lại tiếp sức thêm Đ inh Văn Ưu nhấn mạnh thêm vai trò quyết định của chế độ gió mùa Theo kết quả nghiên cứu của Đ i n h

V ăn Ưu, Võ V ăn L ành và B ogdanốp thì trên lớp nước m ặt xuất hiện hoàn lưu xoáy thuận ở khu vực ngoài khơi phía bắc của biến trong thời kỳ gió mùa tây nam như một hiện tư ợ ng tự nhiên tổng hòa các yếu tố khí hậu, địa hình còn chưa được nghiên círu đầy đủ

IV N G H IÊ N cứu, ỬNG DỤNG M Ô HÌNH M IK E D ự BÁO Ô NH1ÈM

D Ầ U T R Ê N B IẺ N Đ O N G

4.1 C ơ s ở ỉý t h u y ế t c ủ a m ô hình

M ô hình M IK E do Viện Thủy lực Đan M ạch (DHI phát triển), là một gói phần mềm dùng để m ô phỏng dòng chảy, lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát và các chất ô nhiễm ở các cửa sông, sông, hồ, biển và các khu vực chứa nước khác T rong đó, mô đun M IKE 21 & M IKE 3 Particle/Spill Analysis được xây dựng để m ô 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 thế giới

số nhám, g là gia tốc trọng trường; f(V) là ma sát gió; V, Vx và Vy vận tốc gió

và các thành phần theo các phương X, y; Pa là áp suất không k h í ; Q là thông số Coriolis; pw là mật độ nước và XXX, xyy, xxy là các thành phần ứng suất.

4.1.2 M ô đun M IK E 21 & M IK E 3 Particle/Spill A nalysis

M ô đun M IK E 21 & M IK E 3 Particle/Spill A nalysis dựa trên kỹ thuật ngẫu hành đi theo nhóm các hạt phân tử thay vì giải phương trình bình lưu - khuếch tán Euler

N hững hạt phân tử di chuyển do dòng chảy bình lưu và chuyên động rối

V ận tốc bình lưu thu được thông qua mô phỏng thủy lực (M IKE 21 HD hoặc

M IK E 3 H D) trong đó sự đóng góp của rối được thế hiện qua hệ số khuếch tán

Đ ặc điểm của những hạt này được m ô tả bởi tỷ lệ giữa 8 thành phần của dầu được phân loại bởi m ật độ, áp suất hơi v.v

30

Thế tích của đám hạt thay đổi do quá trình phong hóa dầu: nhũ tương hóa, bốc hơi, sự hòa tan .

4.1.2.1 Quả trình bình lư u và khuếch tán

Phương trình bình lưu - khuếch tán được xây dựng để mô phóng quá trình vận chuyển chất ô nhiễm ở lớp mặt và sát mặt C hất ô nhiễm được phân chia thành các phần tử rời rạc và giả thiết rằng những phần tử này chuyển động bình lưu cùng khối nước ở xung quanh và khuếch tán dưới tác dụng của nhiều quá trình ngẫu nhiên

a) P h ư ơ n g p h á p p h ầ n tử rời rạc Lagrange

* Phương trình bình lưu - khuếch tán

Trong chuyển động xáo trộn theo phương thẳng đứng, mô hình v ậ n chuyển khối lượng 2 chiều lấy trung bình theo chiều sâu thường được sư dụng

N hững nghiên cứu về quá trình vận chuyển của chất bảo toàn không có thành phần nguồn có thể dựa vào phương trình trung bình theo thời gian và không gian dưới đây:

trong đó c(x,y,t) là nồng độ lấy trung bình theo chiều sâu, u(x,y,t) và v(x,y,t) là thành phần theo phư ơ ng X và y của vận tốc lấy trung bình theo độ sâu, h(x,y,t) là

độ sâu (M SL), và D xx(x,y,t), Dyy(x,y,t), D xy(x,y,t) và D yx(x,y,t) l à hệ số khuếch tán rối biểu diễn tất cả các chuyển động gây ra sự x á o trộn ở n h ữ n g q u y

mô nhỏ hơn quy m ô chuyển động trung bình của phương trình Góc giừa dòng chảy địa phương và trục X được tính như sau:

trong đó DL và D T lân lượt là hệ sô khuêch tán tính toán c ó phương song song

và vuông góc với vecto vận tốc dòng chảy địa phương Các hệ số này c ó vai t r ò rất quan trọng trong m ô hình trung bình theo độ sâu, vì DL kết hợp chặt chẽ sự khuéch tán rối theo chiều dọc thuần túy và ảnh hưởng do tương tác giữa vận t ổ c

theo phương ngang của ứng suất theo phương thẳng đứng và sự khuếch tán rối '.heo phương thăng đứng.

Phương trình (10) tương đương với phương trình vi phân ngẫu nhiên

trong đó dW (t) là quá trình ngẫu nhiên W iener

Phương pháp rừi rạc phương trình (11) đơn giản nhất là sử dụng sơ đồ ân Euler với bậc

trong đó f(x,t|x0,t0) là hàm m ật độ xác suất có điều kiện của x(t)

Phương trình (5) và (13) tương đương nếu

+ u At + yỊĨD^Kt Zr

/

(16)

Có thê thây vận tôc tât định hay vận tôc “bình lưu” cua một phân từ theo một hướng nhất định bao gồm 3 thành phần: (1) vận tốc bình lưu thực, u, (2) gradient của hệ số khuếch tán và (3) m ột số hạng sinh ra do gradient cua độ sâu mực nước

Bước thời gian tính toán phải thích hợp với kích thước lưới đê chăc chân ràng quá trình m ô phỏ n g là chính xác Điều này có nghĩa là bước thời gian phải được chọn sao cho m ột phần tử chỉ di chuyển trong m ột ô lưới trong một bước thời gian

b) Q uá trình bình lư u

Ảnh hưở ng tổng hợp của dòng chảy và gió gây nên chuyến động theo phương ngang của các phần tử V ận tốc trôi tổng cộng có thể được xác định bằng công thức trọng số sau:

Sự loang dâu cơ học xảy ra ngay khi dầu xả ra môi trường nước và chu yếu do 2 nguyên nhân:

+ Do đặc tính của dâu (sự khác nhau vê m ật độ, sức căng mặt ngoài cua dầu và nước biển)

+ Do quá trình phân tán gây ra bởi sóng, gió và dòng chảy thuy triều

Với giả thiết dầu là khối chất lỏng đồng nhất, quá trình loang dầu thành những lớp m ỏng, liên tục theo một đường tròn, diện tích dầu loang theo thời gian Aoii có thế tính như sau:

trong đó Uw = là véc tơ vận tôc ở mực 1 Om so với bê mặt

Ua = là véc tơ vận tốc dòng chảy tích phân theo chiều sâu

cw = nhân tố trôi của gió

ca = nhân tố dòng chảy bình lưu

4.1.2.2 Quá trình lan truyền dầu

( 1 9 )

33

trong đó: K a là hăng sô;

Sự vận chuyên dâu trong cột nước có thê tông kêt gôm những quá trình sau: hòa tan, khuếch tán, điều tiết và lắng đọng Trong đó quá trình khuếch tán

và điều tiết dầu là những quá trình quan trọng nhất trong tuần đầu tiên diễn ra quá trình phong hóa dầu

K huêch tán dâu là quá trình cơ học trong đó chuyên động rôi của nước phá vỡ và hòa nước vào những hạt dầu, tạo nên nhũ tương dầu trong nước Nhũ tương này dần dần ổn định nhờ vào những tác nhân hoạt động bề mặt bao phu lên mặt phân cách nước - dầu và do đó làm cho dầu không thế kết hợp thành

m ột khối được Sự hình thành chất keo này được gọi là sự điều tiết dầu [ rong những điều kiện thời tiết khắc nghiệt, quá trình khuếch tán chiếm ưu thế là sóng

đổ, ngược lại khi lặng gió, cơ chế ảnh hưởng lớn nhất là sự co giãn của mảng

G iả th iết rằng nồng độ thực tế của các hydrocacbon là không đáng kế so với độ tan, tốc độ hòa tan được biểu diễn bằng:

A'f = k„ ■ p y / R ĩ • — ■X, / m' / m-'s /

trong đó: N e là tốc độ bay hơi

ke là hệ sô vận chuyên khôi lượng

P SAT là áp suất hơi

p là m ật độ của dầu

c) Q uá trình kh u êch tán thăng đứng

3 4

f'sa t

trong đó: ' l à độ tan của thành phân thứ i

Hệ số vận chuyển khối lượng của quá trình hòa tan dầu được tính bơi công thức:

e) Q uá trình n h ũ tương hóa dầu

M ột tro n g những quá trình quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự tồn tại của dầu trên m ặt biển là sự hình thành nhũ tương nước trong dầu, biến dầu thành một hỗn hợp rất nhớt N hũ tương có thể chứa đến 80% nước Sự hình thành v à tồn tại của nhũ tương phục thuộc rất nhiều vào loại dầu và điều kiện môi trường

M ột m ô hình hợp lý m ô tả quá trình nhũ tương hóa dầu có xét đến các phản ứng dưới dạng p h ản ứng cân bằng:

Dầu + N ước N hũ tư ơ ng nước trong dầu

Ngoài ra, ảnh hưở ng đến quá trình lan dầu còn có các yếu tố như quá trình truyền nhiệt (trao đổi nhiệt giữa dầu và không khí, giữa dầu và nước, bức xạ mặt trời, tổn thất do bốc hơi), đặc tính lý hóa của dầu (phân đoạn dầu, độ nhớt, sức căng m ặt ngoài, nhiệt dung v.v.)

4.2 Đ iều kiện địa hình, miền tính và lưới tính

N ghiên cứu tính toán, m ô phỏng quá trình thủy lực và lan truyền dầu trên biển Đ ông bằng m ô hình M IK E 21 Đ ịa hình m iền tính cho mô hình M IKE 21 được lấy từ số liệu đo đạc của Bộ Tư lệnh Hải quân từ c á c bản đồ đ ị a hình đá} biển với tỉ lệ khác nhau từ tỉ lệ 1:10,000 đến 1:1,000,000 Tọa độ miền tính từ 1°00’N đến 24°00’N và 98°00’E đến 121°00’E (hình 4.1)

4.3 Đ iều kiên ban đầu và điều kiên biên của mô hình -•— •

Với m ô hình M IK E 21, biên mực nước được lấy theo số liệu hằng số đ i ề u

hòa từ m ô p h ỏng thủy triều trên quy mô toàn cầu có sẵn trong bộ công cụ (toolbox) của bộ m ô hình M IKE 21, sau khi địa hình được đưa v à o trone; hộ công cụ của MIKE 21 với các giá trị tọa độ và độ sâu, bộ công cụ sẽ tự định nghĩa biên và tự động tính các quá trình mực nước

Điều kiện ban đầu cho mô hình M IKE 21 được xác định bằng phương pháp chạy trước m ô hình m ột khoảng thời gian nhất định để ổn định mô hình và lấy giá trị mực nước ban đầu theo kết quả tính toán này.

— -

-( H ình 4.1 Đ ịa hình và miền tính khu vực Biển Đ ông

4.4 Quá trình hiệu chỉnh và kiểni nghiệm thủy động lực trên biển Đông

4.4.1 Quá trình h iệu chỉnh

M ô hình sau khi đã được thiết lập, được sử dụng để hiệu chỉnh bằng cách

sử dụng số liệu m ực nước triều phân tích tại các trạm hải văn: tại Hòn Dáu;

H oàng Sa; T rườ ng Sa; Q uy N hơn; V ũng Tàu để so sánh với số liệu tính toán, thời kỳ hiệu chỉnh từ ngày 15 tháng 12 năm 2001 đến ngày 21 tháng 12 năm

2001 Bằng cách hiệu chỉnh hệ số nhám , kết quả hiệu chỉnh mực nước tại một số trạm dưới đây:

Hình 4.2 Kết quả hiệu chỉnh mô hình cho mực nước tại Hòn Dáu

Hình 4.3 Kết quả hiệu chỉnh mô hình cho mực nước tại Hoàng Sa

j -Tính toán o Phân tich

Tính toán o Phân tich

32E

Hình 4.6 Kết quả hiệu chỉnh mô hình cho mực nước tại Vũng Tàu

Từ các hình vẽ so sánh của kết quả tính toán hiệu chính cho thấy sự phù hợp cao về pha và biên độ m ực nước giữa số liệu tính toán và số liệu mực nước thực đo Đ iều này cho thấy m ô hình M IK E đã được hiệu chỉnh với bộ thông số thủy lực rất tốt, làm tiền đề cho việc kiểm và tính toán lan truyền ô nhiễm dầu

3.4.2 Quả trình kiêm n g h iệm

Mô hình sau khi được hiệu chỉnh sẽ được giữ nguyên bộ thông sô đê kiêm nghiệm cho khoảng thời gian từ 15 tháng 1 năm 2002 đến 21 tháng 1 năm 2002

Số liệu mực nước phân tích tại H òn Dáu; H oàng Sa; T rường Sa; Quy Nhơn; Vũng Tàu vẫn được sử dụng để kiểm nghiệm K ết quả cho thấy, cũng như trong trường hợp hiệu chỉnh, m ực nước giữa kết quả tính toán và phân tích có độ tương đồng rất cao, cả pha và biên độ (xem hình vẽ)

-Tính toán o Phản tích 1.5 ị

- 3

Thời gian (h)

Hình 4.11 Kết quả kiểm nghiệm mô hình cho mực nước tái Vũne Tàu

Với kết quả hiệu chỉnh và kiểm nghiệm m ực nước tại các trạm Hải văn như trên Có thể khẳng định rằng mô hình M IK E 21 có thể mô phỏng tốt quá trình động lực trong khu vực biển Đ ông và hoàn toàn có thể sử dụng đế tính toán

mô phỏng quá trình truyền tải dầu Bộ thông số về thủy lực mô hình được sư dụng để chạy động lực được giữ nguyên để chạy lan truyền dầu

4.5 M ột số kết quả tính toán, dự báoẨ nhiễm dầu trên biển Đ ông

Trong những tháng đầu năm Ệ007J.q nhiễm môi trường do dầu tràn đã ảnh hưởng đến các tỉnh, thành phố ven biểoỂĩurớc ta Theo báo cáo của Cục hảo vệ Môi trường, dầu đã ảnh hưởng đến vùng biển khu vực đảo Bạch Long Vĩ, thành phố Hải P hòng và tiếp tục ảnh hưởng đến các tỉnh H à Tĩnh, Q uảng Bình, Quảng Trị, Thừa T hiên H uế, B ình Định, Phú Yên, T iền G iang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng và C à M au Sự cố dầu trôi dạt vào bờ biển 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

Sự cố dầu trôi dạt vào bờ biển nước ta đầu tiên xuất hiện vào ngày 28-29 tháng 1 năm 2007 T rong khoảng từ cuối tháng 1 tới 10/2/2007, dầu tràn đã trói dạt vào cả m ột dải bờ biển từ Hà Tĩnh tới Q uảng Ngãi Theo báo cáo của Trung tâm ứng phó sự cố tràn dầu khu vực M iền Nam, sau một thời gian không thấy xuất hiện, từ ngày 9/3/2007 tới 12/3/2007, dọc bờ biển Bà Rịa - Vũng Tàu (từ

TP V ũng Tàu đến huyện Đ ất Đ ỏ) đã lại xuất hiện váng dầu và nhiêu máng dầu đen trôi dạt từ ngoài khơi vào bờ, gây ô nhiễm m ôi trường các bãi tắm và nước biển ven bờ N gày 16-3, vùng biển Phú Yên đã xuất hiện váng dầu tràn vào bờ

T ừ ngày 11/3 tới 17/3/2007, dầu đã xuất hiện trong phạm vi khoang 12km bờ

4 0