Luận văn Thạc sỹ khoa học Khí tượng và khí hậu học: Nghiên cứu lan truyền dầu ở Biển Đông phục vụ cảnh báo và tìm kiếm nguồn thải

Mục tiêu là nghiên cứu lựa chọn được cơ sở khoa học về mô phỏng lan truyền và biến đổi dầu xuôi - ngược thời gian và khả năng áp dụng cho điều kiện thực.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Nguyễn Quốc Trinh

NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN DẦU Ở BIỂN ĐÔNG PHỤC VỤ CẢNH BÁO VÀ TÌM KIẾM NGUỒN THẢI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC

Hà Nội - 2018

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-Nguyễn Quốc Trinh

NGHIÊN CỨU LAN TRUYỀN DẦU Ở BIỂN ĐÔNG PHỤC VỤ CẢNH BÁO VÀ TÌM KIẾM NGUỒN THẢI

Chuyên ngành: Hải Dương học

Mã số: 62 44 02 28

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HDC: PGS.TS Nguyễn Minh Huấn HDP: PGS.TS Phùng Đăng Hiếu

XÁC NHẬN NCS ĐÃ CHỈNH SỬA THEO QUYẾT NGHỊ

CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN

TM Tập thể hướng dẫn khoa học Chủ tịch Hội đồng đánh giá

Luận án Tiến sĩ

Hà Nội - 2018

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu và tài liệu sử dụng trong luận án là trung thực Các kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2018

Tác giả

Nguyễn Quốc Trinh

Để luận án được hoàn thành và đạt kết quả này, nghiên cứu sinh gửi lời cảm

ơn chân thành đến các thầy hướng dẫn trực tiếp là PGS TS Nguyễn Minh Huấn và PGS TS Phùng Đăng Hiếu, các thầy cô của khoa Khí tượng, Thuỷ văn và Hải dương học nói riêng và Trường Đại học Khoa học Tự nhiên nói chung, cùng bạn bè

và đồng nghiệp đã tạo điều kiện tốt nhất về vật chất và tinh thần cho nghiên cứu sinh học tập, trao đổi và lĩnh hội kiến thức Nghiên cứu sinh cũng trân trọng cảm ơn đến Hội đồng Khoa học đã góp ý rất nhiều để các nội dung của luận án được hoàn thiện tốt nhất

Để có được ngày hôm nay, nghiên cứu sinh cảm ơn bố mẹ và những người thân trong gia đình luôn thương yêu, động viên và khích lệ về vật chất và tinh thần Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn tất cả mọi người đã ủng hộ, tạo điều kiện

và động viên khích lệ tinh thần để luận án này được hoàn thành

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Quốc Trinh

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Phạm vi nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

7 Các đóng góp mới của luận án 3

8 Bố cục của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THỰC TRẠNG SỰ CỐ DẦU TRÀN VÀ CÁC NGHIÊN CỨU DẦU TRÀN TRÊN BIỂN 4

1.1 Thực trạng sự cố tràn dầu trên biển trên thế giới, khu vực Biển Đông và biển Việt Nam 4

1.1.1 Hiện trạng sự cố dầu tràn trên thế giới 4

1.1.2 Hiện trạng sự cố dầu tràn ở khu vực Biển Đông và biển Việt Nam 6

1.1.3 Nguy cơ xảy ra sự cố dầu tràn ở khu vực biển Việt Nam và Biển Đông 9

1.2 Tình hình nghiên cứu mô phỏng về dầu tràn trên biển 11

iv

1.2.1 Tình hình nghiên cứu mô phỏng dầu tràn trên biển trên thế giới 12

1.2.2 Tình hình nghiên cứu mô phỏng dầu tràn trên biển ở trong nước 14

1.3 Tình hình nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải 17

1.3.1 Tình hình nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải trên thế giới 17

1.3.2 Tình hình nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải dầu ở trong nước 18

1.4 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN DẦU VÀ KHẢ NĂNG TÌM KIẾM NGUỒN THẢI DẦU 21

2.1 Phương pháp nghiên cứu lan truyền và biến đổi dầu 21

2.1.1 Cơ sở lý thuyết về lan truyền và biến đổi dầu xuôi thời gian 23

2.1.2 Cơ sở lý thuyết về lan truyền và biến đổi dầu ngược thời gian 29

2.2 Tham số hóa các quá trình động lực và phong hoá của dầu tràn 34

2.2.1 Các quá trình động lực của dầu tràn 35

2.2.2 Các quá trình phong hóa dầu của dầu tràn 39

2.3 Phương pháp rời rạc hoá, chỉ tiêu đánh giá và sơ đồ thuật toán 51

2.3.1 Phương pháp giải số 51

2.3.2 Phương pháp rời rạc hoá với sơ đồ sai phân hữu hạn 53

2.3.3 Các sơ đồ cấu trúc thuật toán 64

2.3.4 Chỉ tiêu đánh giá sai số 69

2.4 Kết luận chương 2 72

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ, PHÂN TÍCH VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CHO KHU VỰC BIỂN ĐÔNG 73

3.1 Các bước thực hiện và thông tin dữ liệu phục vụ tính toán 73

3.1.1 Các bước thực hiện 73

3.1.2 Thông tin dữ liệu phục vụ làm đầu vào cho tính toán 74

v

3.2 Kết quả nghiên cứu đánh giá kiểm nghiệm xuôi thời gian 82

3.2.1 Ðánh giá hiệu ứng của sơ đồ sai phân trên luới và kết hợp dưới luới 82

3.2.2 Đánh giá kiểm ngiệm hiệu ứng của các thành phần tham gia 84

3.2.3 Đánh giá kiểm nghiệm hiệu ứng khuếch tán số xuôi thời gian 88

3.3 Kết quả nghiên cứu đánh giá thử nghiệm xuôi thời gian 92

3.3.1 Đánh giá thử nghiệm điều kiện môi trường đồng nhất xuôi thời gian 92

3.3.2 Đánh giá thử nghiệm điều kiện môi trường trung bình tháng xuôi thời gian 95

3.3.3 Đánh giá thử nghiệm điều kiện môi trường thực xuôi thời gian 99

3.4 Kết quả nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải ngược thời gian 105

3.4.1 Một số kết quả mô phỏng ngược thời gian trên thế giới 105

3.4.2 Đánh giá thử nghiệm ngược thời gian trong điều kiện môi trường đồng nhất 107

3.4.4 Đánh giá thử nghiệm điều kiện môi trường biến đổi thực ngược thời gian 114

3.4.5 Đánh giá kiểm nghiệm hiệu ứng khuếch tán số ngược thời gian 122

3.5 Đánh giá độ ổn định mô hình xuôi – ngược theo thời gian 124

3.6 Đánh giá độ ổn định mô hình ngược - xuôi thời gian 128

3.7 Kết luận chương 3 131

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132

Kết luận 132

Kiến nghị 132

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 134

TÀI LIỆU THAM KHẢO 135

PHỤ LỤC 150

vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

API: Viện Dầu khí của Hoa Kỳ

(American Petroleum Institute) NOAA: Cục Khí tượng và Đại dương Quốc gia của Hoa Kỳ

(National Oceanic and Atmospheric Administration) ITOPF: Liên đoàn Ứng phó ô nhiễm trên biển Quốc tế

(International Tanker Owners Pollution Federation Ltd) ASCE: Hiệp hội của kỹ sư dân dụng Mỹ

(American Society of Civil Engineers) CFSR: Hệ thống dữ liệu khí hậu tái phân tích

(Climate Forecast System Reanalysis) POM: Mô hình Đại dương của Trường Đại học Princeton

(Princeton Ocean Model) SWAN: Mô hình hình mô phỏng sóng ven bờ

(Simulating WAves Nearshore) LPTMs: Mô hình Lagrangian theo dõi quỹ đạo hạt

(Lagrangian Particle-Tracking Models) BITT: Quỹ đạo ngược thời gian

(Backward-in-Time-Trajectory) LCSs: Cấu trúc nhánh kết hợp Lagrangian

(Lagrangian Coherent Structures)

BP : Dầu khí của Anh quốc

(British Petroleum) nnk: Nhiều người khác

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thống kê về một số vụ tràn dầu lớn nhất do hàng hải từ 1970 đến

2015 5 Bảng 2.1 Đặc trưng mật độ tại 15oC của các loại dầu 25 Bảng 2.2 Tổng hợp thông số các đặc trưng về tham số hoá các quá trình động

lực, phong hoá và tính chất dầu 50 Bảng 2.3 Hệ thống các quá trình hoá trong mô hình dầu tràn và vật thể trôi

trên biển 71 Bảng 3.1 Thông tin dữ liệu đầu vào phục vụ tính toán lan truyền và biến đổi

dầu tràn 80 Bảng 3.2 Kết quả tính toán theo các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm

tương quan của các trường hợp thành phần tham gia 85 Bảng 3.3 Kết quả mô phỏng diện tích của lớp dầu tràn trên mặt biển với các

kịch bản bước lưới khác nhau 89 Bảng 3.4 Kết quả tính toán theo các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm

tương quan của mô phỏng dầu tràn theo thời gian với yếu tố môi trường chế độ tháng 96 Bảng 3.5 Kết quả tính toán theo các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm

tương quan của lan truyền dầu với yếu tố môi trường (CFSR và POM) theo thời gian thực 100 Bảng 3.6 So sánh đánh giá kết quả lan truyền dầu thải ngược thời gian theo

các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm tương quan 108 Bảng 3.7 Kết quả tính toán theo các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm

tương quan của lan truyền dầu theo thời gian với yếu tố môi trường chế độ tháng 111 Bảng 3.8 Kết quả tính toán theo các chỉ số NASH, PBIAS, RMSE và hàm

tương quan của lan truyền dầu với yếu tố môi trường (CFSR và POM) theo thời gian thực 115

viii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Một số hình ảnh tàu bị tai nạn gây sự cố tràn dầu trên thế giới 5

Hình 1.2 Đồ thị phân bố về số vụ tràn dầu trên 7 tấn tại các quốc gia có sự cố dầu tràn nhiều nhất thế giới giai đoạn 1992-2011 6

Hình 1.3 Sơ đồ phân bố tàu hoạt động có phát báo trên Biển Đông và lân cận giai đoạn 1995-2005 7

Hình 1.4 Sơ đồ phân bố các sự cố tràn dầu khu vực Biển Đông và lân cận giai đoạn 1976-2005 7

Hình 1.5 Sơ đồ phân bố mật độ dầu (triệu tấn/năm) vận chuyển qua tuyến hàng hải khu vực Biển Đông và lân cận năm 2005 7

Hình 1.6 Bản đồ phân bố vệt dầu tràn từ ảnh vệ tinh trên Biển Đông năm 2007 và 2008 8

Hình 1.7 Phân bố tiềm năng dầu khí khu vực Biển Đông và lân cận giai đoạn 2006-2007 10

Hình 1.8 Giao diện website quản lý tàu vận tải dầu của Cục Hàng hải Việt Nam 10

Hình 1.9 Hệ thống giao thông hàng hải quốc tế về vận chuyển dầu trên biển 11

Hình 2.1 Các quá trình vật lý, phong hóa và biến đổi dầu tràn trên biển 21

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của quá trình lan truyền và biến đổi tính chất của dầu tràn 23

Hình 2.3 Sơ đồ mô tả quá trình tác dụng lực làm di chuyển xuôi- ngược theo thời gian 29

Hình 2.4 Sơ đồ mô tả quá trình khuếch tán vật chất xuôi- ngược theo thời gian 30

Hình 2.5 Sơ đồ mô tả quá trình bảo toàn vật chất xuôi- ngược theo thời gian 30

Hình 2.6 Sơ đồ các quá trình động lực và phong hoá biến đổi theo thời gian 34

Hình 2.7 Biến đổi của hệ số khuếch tán ngang theo thời gian 38

Hình 2.8a Hình ảnh nhũ tương trên biển 39

Hình 2.8b Biến đổi tỷ lệ của phần dầu bị nhũ tương (F w) theo thời gian 39

Hình 2.9a Tỷ lệ bay hơi ở nhiệt độ 15oC cho một số loại dầu khác nhau 40

Hình 2.9b Biến đổi tỷ phần của bay hơi (F e) theo thời gian 40

ix

Hình 2.10a Dạng dầu phân tán tự nhiên dạng hạt 42

Hình 2.10b Biến đổi tỷ phần của phân tán thẳng đứng (F d) theo thời gian 42

Hình 2.11a Dạng dầu hoà tan tự nhiên dạng bông 44

Hình 2.11b Biến đổi tỷ phần của hoà tan (F disc) theo thời gian 44

Hình 2.12 Dạng dầu của trầm tích đáy 46

Hình 2.13 Dạng dầu trên bờ và bãi biển 47

Hình 2.14 Dạng Ô-xy hóa dầu 48

Hình 2.15 Dạng dầu phân hủy sinh học 49

Hình 2.16a Lưới sơ đồ sai phân khác nhau 53

Hình 2.16b Sơ đồ phân bố biến trên lưới sai phân theo không gian hai chiều (x và y) 53

Hình 2.16c Sơ đồ phân bố lưới sai phân theo không gian hai chiều (x và y) và thời gian (t) 54

Hình 2.17a Sơ đồ sai phân dưới lưới theo không gian hai chiều 56

Hình 2.17b Sơ đồ miền lưới tính theo không gian hai chiều 56

Hình 2.18 Lưới sơ đồ sai phân theo thời gian 61

Hình 2.19 Sơ đồ khối của chương trình chính tính toán 66

Hình 2.20 Sơ đồ khối của chương trình con tính toán các quá trình động lực, phong hoá và biến đổi dầu 67

Hình 2.21 Sơ đồ khối của chương trình con tính toán sai phân bậc 1 với nồng độ (C) hoặc độ dày lớp dầu (h) 68

Hình 2.22 Sơ đồ khối của chương trình con tính toán sai phân bậc 2 với nồng độ (C) hoặc độ dày lớp dầu (h) 68

Hình 2.23 Sơ đồ khối của chương trình con tính toán sai phân bậc 1 69

Hình 3.1 Sơ đồ các bước kiểm nghiệm, đánh giá và áp dụng 74

Hình 3.2 Bản đồ khu vực nghiên cứu và địa hình đáy biển hệ cao độ Quốc gia 75

Hình 3.3 Sơ đồ lưới địa hình khu vực nghiên cứu 77

Hình 3.4 Trường gió (trái) và dòng chảy bề mặt (phải) trung bình tháng 1 78

Hình 3.5 So sánh kết quả mô phỏng giữa các sơ đồ sai phân sử dụng trên lưới nền, kết hợp đến dưới lưới 2-4 và , kết hợp đến dưới lưới 2-8 với thời gian sau 48 giờ 83

x

Hình 3.6 Đồ thị so sánh biến trình giữa các tỷ lệ về quãng đường di chuyển

(mô hình Euler và phương trình (3.1)) theo thành phần tham gia 84 Hình 3.7 Đồ thị so sánh biến trình nồng độ và độ dày của lớp dầu trên mặt

nước về các thành phần tham gia khác nhau 86 Hình 3.8 So sánh kết quả tính toán nồng độ dầu giữa thành phần tham gia

khác nhau sau 3 ngày 87 Hình 3.9 Đồ thị so sánh biến trình diện tích của lớp dầu trên mặt nước dầu có

nồng độ lớn hơn 1.e-5[kg.m-2] theo thời gian với các quy mô lưới khác nhau 89 Hình 3.10 So sánh kết quả mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu

tràn trên mặt nước với các bước lưới khác nhau (0,02o, 0,04o và 0,06o) sau 05 ngày tính toán 90 Hình 3.11 Đồ thị so sánh biến trình nồng độ và độ dày lớn nhất của lớp dầu

trên mặt xuôi thời gian với các bước lưới khác nhau (0,01o; 0,02o; 0,03o; 0,04o; 0,044o; 0,05o và 0,06o) 91 Hình 3.12 Biến đổi theo thời gian của vị trí nồng độ dầu lớn nhất với điều

kiện môi trường đồng nhất 93 Hình 3.13 Kết quả tính toán mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp

dầu tràn trên mặt nước theo các thời điểm khác nhau 94 Hình 3.14a Biến đổi theo thời gian của tỷ lệ quãng đường di chuyển của vị trí

nồng độ dầu lớn nhất giữa mô hình Euler và phương trình (3.1) 97 Hình 3.14b Trường nồng độ [kg.m-2] vết dầu lan truyền sau 03 ngày tính toán

với yếu tố môi trường trung bình tháng và bước lưới tính đều 97 Hình 3.15a Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu trên mặt nước

với điều kiện môi trường trung bình tháng 2 98 Hình 3.15b Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu trên mặt nước

với điều kiện môi trường trung bình tháng 7 98 Hình 3.16 Đồ thị biến đổi tỷ lệ về quãng đường di chuyển của vị trí nồng độ

cực đại của lớp dầu tràn trên mặt giữa mô hình Euler và phương trình (3.1) theo thời gian với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) và bước lưới tính đều của sự cố dầu tràn một lần 100

xi

Hình 3.17 Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu tràn trên mặt

nước với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) của sự cố dầu tràn một lần xảy ra lúc 00giờ ngày 05 tháng 02 năm 2007 102 Hình 3.18 Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu tràn trên mặt

nước với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) của sự cố dầu tràn một lần xảy ra lúc 00giờ ngày 05 tháng 07 năm 2008 103 Hình 3.19 Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu tràn trên mặt

nước với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với sự cố dầu tràn năm 2007 104 Hình 3.20 Mô phỏng vệt dầu về nồng độ [kg.m-2] của lớp dầu tràn trên mặt

nước với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với sự cố dầu tràn năm 2008 104 Hình 3.21 Kết quả mô phỏng vật thể trôi xuôi - ngược theo thời gian khu vực

Biển Bắc với thời gian tính toán là 60 giờ 106 Hình 3.22 Kết quả mô phỏng sinh vật phù du ngược-xuôi theo thời gian vời

thời gian tính toán là 6 ngày 107 Hình 3.23 Biến đổi tỷ lệ quãng đường di chuyển và diện tích dầu ngược thời

gian với điều kiện môi trường đồng nhất với bước lưới tính đều 108 Hình 3.24 Biến đổi tính chất dầu ngược thời gian với điều kiện môi trường

đồng nhất với bước lưới tính đều 109 Hình 3.25 Trường nồng độ dầu [kg.m-2] lan truyền ngược thời gian với điều

kiện môi trường đồng nhất với bước lưới tính đều 110 Hình 3.26 Biến đổi ngược thời gian của tỷ lệ quãng đường di chuyển vị trí

giữa nồng độ dầu lớn nhất của mô hình Euler và phương trình (3.1) 112 Hình 3.27 Biến đổi ngược thời gian của nồng độ dầu lớn nhất trong điều kiện

môi trường trung bình tháng 112 Hình 3.28 Trường nồng độ [kg.m-2] vết dầu lan truyền với điều kiện môi

trường trung bình tháng và bước lưới tính đều trước 07 ngày 113 Hình 3.29 Kết quả lan truyền dầu thải ngược thời gian với điệu kiện môi

trường trung bình tháng 2 và dầu tràn năm 2007 114 Hình 3.30 Kết quả lan truyền dầu thải ngược thời gian với điệu kiện môi

trường trung bình tháng 7 và dầu tràn năm 2008 114

xii

Hình 3.31 Biến đổi các đặc trưng vật lý, phong hoá và tính chất dầu ngược

thời gian với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) và bước lưới tính đều (dx=dy=0,044o) 117 Hình 3.32 Trường nồng độ [kg.m-2] vết dầu lan truyền ngược thời gian với

điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện sự cố dầu tràn lúc 00giờ ngày 25 tháng 2 năm 2007 118 Hình 3.33 Trường nồng độ [kg.m-2] vết dầu lan truyền ngược thời gian với

điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện sự cố dầu tràn lúc 00giờ ngày 25 tháng 7 năm 2008 119 Hình 3.34 Kết quả lan truyền thải dầu ngược thời gian với điều kiện môi

trường thực (CFSR và POM) năm 2007 120 Hình 3.35 Kết quả lan truyền thải dầu ngược thời gian với điều kiện môi

trường thực (CFSR và POM) năm 2008 121 Hình 3.36 So sánh quá trình lan truyền dầu ngược thời gian trước 05 ngày với

điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện sự cố dầu tràn lúc 00giờ ngày 25 tháng 2 năm 2007 theo các quy mô bước lưới không gian khác nhau 123 Hình 3.37 So sánh quá trình lan truyền dầu ngược thời gian trước 05 ngày với

điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện sự cố dầu tràn lúc 00giờ ngày 25 tháng 7 năm 2008 theo các quy mô bước lưới không gian khác nhau 124 Hình 3.38 So sánh quá trình lan truyền dầu xuôi-ngược thời gian trước 07

ngày với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với sự cố dầu tràn lúc 00giờ ngày 05/02/2007 126 Hình 3.39 So sánh quá trình lan truyền dầu xuôi-ngược thời gian trước 07

ngày với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với sự cố dầu tràn lúc 00giờ ngày 05/07/2008 127 Hình 3.40 So sánh quá trình lan truyền dầu ngược-xuôi thời gian trước 07

ngày với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện

sự cố dầu tràn lúc 00giờ ngày 25/02/2007 129 Hình 3.41 So sánh quá trình lan truyền dầu ngược-xuôi thời gian trước 07

ngày với điều kiện môi trường thực (CFSR và POM) với phát hiện

sự cố dầu tràn lúc 00giờ ngày 25/07/2008 130

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kinh tế biển trong đó có ngành dầu khí đã và đang đóng góp quan trọng cho

sự phát triển của đất nước Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm biển do phát triển kinh tế nói chung và ô nhiễm dầu trên biển nói riêng đã trở thành một trong những mục tiêu quan trọng trong khoa học nghiên cứu biển Trên thế giới sự cố giàn khoan trên vịnh Mexico năm 2010 của công ty dầu khí Anh quốc BP với ước tính khoảng 185 triệu gallon dầu tràn ra biển cho đến nay vẫn để lại hậu quả chưa khắc phục hết [149]; Trên Biển Đông, khu vực ảnh hưởng trực tiếp đến Việt Nam trong năm 2007 và

2008, hiện tượng dầu tràn trên biển và trôi dạt vào bờ biển chưa rõ nguồn gốc với ước tính trên 5000 tấn dầu thu gom ở trên bãi biển đã gây thiệt hại về kinh tế như nuôi trồng thuỷ hải sản, du lịch biển và các hệ sinh thái biển [16]

Theo lịch sử ghi nhận được trong quá khứ đã xảy ra khoảng trên 50 sự cố dầu tràn từ năm 1990 đến năm 2015, dầu tràn trôi nổi trên biển có nguồn gốc từ các tai nạn tàu thuyền, kho chứa, ống dẫn dầu và giàn khoan Hiện tại, các hoạt động giao thông hàng hải với các tai nạn gây ra sự cố tràn dầu ra môi trường biển ghi nhận được vẫn thường xuyên xảy ra [148, 150]

Do thúc đẩy phát triển kinh tế biển , nguy cơ xảy ra sự cố tràn dầu trong tương lai vẫn tiếp tục tăng lên từ một số nguồn như là:

+ Từ hệ thống các cảng biển ngày càng phát triển tại các khu vực ven biển và hải đảo ở khu vực Biển Đông và Việt Nam;

+ Từ kho chứa dầu, ống dẫn dầu, giàn khoan và các lỗ khoan thăm dò dưới đáy biển ngày càng gia tăng với các hoạt động khai thác dầu;

+ Từ các hoạt động vận tải biển trên khu vực Biển Đông với tuyến hàng hải quốc tế có mật độ hoạt động lớn thứ 2 thế giới sau khu vực Địa Trung Hải

Từ những thực trạng và nguy cơ tràn dầu nêu trên, tác giả đã lựa chọn đề tài

luận án “Nghiên cứu lan truyền dầu ở Biển Đông phục vụ cảnh báo và tìm kiếm

2

nguồn thải” nhằm góp phần phát triển thêm công cụ phục vụ công tác hỗ trợ bảo vệ

môi trường, phát triển kinh tế - xã hội bền vững khi sự cố tràn dầu xảy ra Trong khuôn khổ luận án này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu quá trình lan truyền và biến đổi khi dầu tràn ra biển phục vụ cảnh báo (dầu sẽ di chuyển đến đâu - quá trình xuôi thời gian) và khả năng tìm kiếm nguồn thải (dầu lan truyền từ đâu đến – quá trình ngược thời gian) bằng phương pháp tiếp cận Euler (gọi tắt là mô hình Euler) và ứng dụng cho khu vực Biển Đông

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu là nghiên cứu lựa chọn được cơ sở khoa học về mô phỏng lan truyền

và biến đổi dầu xuôi - ngược thời gian và khả năng áp dụng cho điều kiện thực

3 Nội dung nhiệm vụ nghiên cứu

1, Tổng quan tài liệu nghiên cứu;

2, Thu thập số liệu làm cơ sở dữ liệu và cơ sở khoa học;

3, Nghiên cứu các quá trình lan truyền, phong hoá và biến đổi tính chất của dầu;

4, Nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn phát thải dầu gây ô nhiễm;

5, Mô phỏng lan truyền dầu và khả năng tìm kiếm nguồn thải dầu

4 Phạm vi nghiên cứu

Khu vực Biển Đông với giới hạn không gian địa lý (1-240N; 99-1210E)

5 Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp phân tích và đánh giá: sử dụng để phân tích tài liệu thu thập và phân tích tính logic của nghiên cứu

+ Phương pháp thông tin địa lý GIS: sử dụng để cập nhật và tích hợp các bản

đồ, các thông số khu vực nghiên cứu,

+ Phương pháp mô hình số trị: sử dụng để nghiên cứu phát triển mô hình mô phỏng lan truyền và biến đổi dầu theo không gian và thời gian

3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: góp phần hoàn thiện phương pháp nghiên cứu về lan truyền dầu phục vụ cảnh báo và khả năng tìm kiếm nguồn phát thải

- Ý nghĩa thực tiễn: hỗ trợ công tác ứng phó và ngăn ngừa giảm thiểu ảnh hưởng ô nhiễm dầu đến biển Việt Nam Làm cơ sở cho quy hoạch quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên biển đảo

7 Các đóng góp mới của luận án

1, Xây dựng mô hình số tính toán lan truyền dầu tràn theo tiếp cận Euler để dự báo và truy tìm nguồn gốc dầu trên Biển Đông

2, Hoàn thành được những bước ban đầu giải bài toán ngược thời gian để tìm nguồn gốc dầu tràn

Trong chương này thực hiện tổng hợp thông tin về hiện trạng và nguy cơ xảy

ra dầu tràn Tổng quan các công trình nghiên cứu về dầu tràn và khả năng tìm kiếm nguồn thải dầu để định hướng nghiên cứu ở các phần tiếp theo

Chương 2 Nghiên cứu quá trình lan truyền dầu và khả năng tìm kiếm nguồn thải dầu

Trong chương này thực hiện nghiên cứu xác định cơ sở lý thuyết và phương pháp giải bài toán lan truyền và khả năng tìm kiếm nguồn thải với các quá trình vật

lý, phong hoá và biến đổi dầu

Chương 3 Đánh giá, phân tích kết quả nghiên cứu áp dụng cho khu vực Biển Đông

Trong chương này thực hiện đánh giá, phân tích kết quả tính toán mô phỏng lan truyền và khả năng tìm kiếm nguồn thải áp dụng cho khu vực Biển Đông

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THỰC TRẠNG SỰ CỐ DẦU TRÀN VÀ

CÁC NGHIÊN CỨU DẦU TRÀN TRÊN BIỂN

1.1 Thực trạng sự cố tràn dầu trên biển trên thế giới, khu vực Biển Đông và biển Việt Nam

1.1.1 Hiện trạng sự cố dầu tràn trên thế giới

Vấn đề ô nhiễm biển nói chung và ô nhiễm dầu trên biển nói riêng đã được nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đề cập đến

Thực tế, sự cố tràn dầu đã xảy ra ở hầu hết các vùng biển trên thế giới với mức

độ khác nhau Ví dụ, một số vụ tràn dầu lớn như: (1) Năm 1991 ở vịnh Ba Tư do chiến tranh vùng vịnh khi Iraq rút quân khỏi Kuwait làm dầu tràn khoảng 250-366 triệu thùng (gallon), với diện tích dầu loang tương đương với quần đảo Hawaii (Mỹ); (2) Năm 2010 ở vịnh Mexico, dầu tràn khoảng 185 triệu thùng, do sự cố rò rỉ

từ giếng Madonco thuộc giàn khoan của Công ty BP (Anh quốc); (3) Từ ngày 3/6/1979 đến ngày 23/3/1980 ở vùng vịnh Mexico, dầu tràn khoảng 30000 thùng dầu/ngày và tổng khoảng 140 triệu thùng do giàn khoan Ixtoc 1 của Mexico bị tai nạn; (4) Từ ngày 10/2/1983 đến ngày 18/9/1983 ở ngoài khơi biển Iran trên vịnh Ba

Tư, lượng dầu tràn khoảng 80 triệu thùng do chiến tranh giữa Iran và Iraq đã xảy ra làm vỡ bể chứa và rò rì giàn khoan

Theo số liệu của ITOPF [148] về sự cố tràn dầu do hàng hải từ năm 1970 đến nay, ngoài tác động của chiến tranh, số vụ tràn dầu lớn từ 100.000 tấn trở lên ghi nhận đượccó khoảng 10 vụ (Bảng 1.1) Các hình ảnh về các sự cố tàu thuyền gây ra tràn dầu được minh hoạ ở Hình 1.1

Từ năm 1992 đến 2011, ITOPF đã ghi nhận được 452 sự cố tràn dầu từ 7 tấn trở lên ở 47 quốc gia Cũng giai đoạn này, Việt Nam đứng thứ 5 thế giới, thứ 4 Châu Á và thứ 3 khu vực (sau Trung Quốc và Singapore) trong các quốc gia có sự

cố dầu tràn nhiều nhất, phân bố về số vụ tràn dầu trên 7 tấn được thể hiện ở Hình 1.2

5

Bảng 1.1 Thống kê về một số vụ tràn dầu lớn nhất do hàng hải từ 1970 đến 2015 [148]

Khối lượng (tấn)

1 ATLANTIC EMPRESS 1979 Ngoài khơi Tobago, phía tây Ấn Độ 287000

2 ABT SUMMER 1991 Cách bờ biển Angola khoảng 1300km 260000

3 CASTILLO DE BELLVER 1983 Ngoài khơi vịnh Saldanha, Nam Phi 252000

4 AMOCO CADIZ 1978 Ngoài khơi Brittany, Pháp 223000

6 ODYSSEY 1988 Cách bờ biển Nova Scotia khoảng

7 TORREY CANYON 1967 Ngoài khơi Scilly Isles, Anh 119000

8 SEA STAR 1972 Ngoài khơi vịnh Oman 115000

9 IRENES SERENADE 1980 Ngoài khơi vịnh Navarino, Hy Lạp 100000

10 URQUIOLA 1976 Ngoài khơi La Coruna, Tây Ban Nha 100000

Hình 1.1 Một số hình ảnh tàu bị tai nạn gây sự cố tràn dầu trên thế giới [148]

6

Hình 1.2 Đồ thị phân bố về số vụ tràn dầu trên 7 tấn tại các quốc gia có sự cố dầu tràn

nhiều nhất thế giới giai đoạn 1992-2011 [148]

1.1.2 Hiện trạng sự cố dầu tràn ở khu vực Biển Đông và biển Việt Nam

Khu vực Biển Đông là khu vực có tuyến đường hàng hải quốc tế đi qua và cũng là khu vực khai thác dầu khí lớn đang mở rộng phát triển mạnh trên thế giới Theo ITOPF (2013) có khoảng 80% dầu của Trung Quốc, 50% dầu của Nhật Bản

và Hàn Quốc được vận tải bằng đường biển qua Biển Đông Giai đoạn 1992-2011, Trung Quốc là nước đứng đầu với 23 vụ tràn dầu lớn, Nhật Bản 12 vụ, Hàn Quốc

11 vụ tràn dầu lớn, dẫn đến Châu Á đứng đầu về số lượng các sự cố tràn dầu [148] Khu vực Biển Đông có mật độ hoạt động giao thông hàng hải lớn (Hình 1.3), các sự cố tràn dầu xảy ra tại các cảng biển phân bố theo lượng dầu tràn được thể hiện trên Hình 1.4 Hình 1.5 thể hiện sơ đồ tuyến hàng hải từ eo Mallaca đến Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc vận chuyển khối lượng dầu lên đến 300-400 triệu tấn/năm đi qua khu vực Biển Đông và lân cận với các hệ thống cảng của các nước tham gia như Trung Quốc, Thái Lan, Singapore, Malaixia, Philippin và Việt Nam,

7

Tại khu vực Biển Đông và biển Việt Nam, theo số liệu phân tích và thông kê các sự cố tràn dầu trên biển

được chia thành 2 loại: (1) Sự

cố phát hiện được nguồn gốc là

các hoạt động giao thông vận

tải thủy bị tai nạn gần bờ và

giàn khoan (Phụ lục 1.1); (2)

Sự cố không phát hiện được

nguồn gốc là hiện tượng tràn

dầu xảy ra ngoài biển khơi, trôi

dạt vào bờ (sự cố tràn dầu năm

2007 đến năm 2008 tại các tỉnh

dọc ven biển Việt Nam (Hình

1.6)

Hình 1.4 Sơ đồ phân bố các sự cố tràn dầu

khu vực Biển Đông và lân cận giai đoạn

1976-2005 [148]

Hình 1.5 Sơ đồ phân bố mật độ dầu (triệu tấn/năm) vận chuyển qua tuyến hàng hải khu vực Biển Đông và lân cận năm 2005 [148] Hình 1.3 Sơ đồ phân bố tàu hoạt động có phát báo trên Biển Đông và lân cận giai đoạn 1995-2005 [5]

8

Hình 1.6 Bản đồ phân bố vệt dầu tràn từ ảnh vệ tinh trên Biển Đông năm 2007 và 2008

9

1.1.3 Nguy cơ xảy ra sự cố dầu tràn ở khu vực biển Việt Nam và Biển Đông

A Thăm dò và khai thác dầu khí trên biển khu vực Biển Đông

Khu vực Biển Đông là một trong năm bồn trũng chứa dầu khí lớn nhất thế giới với tiềm năng của những bồn trũng như Bruney-Saba (Bruney), Sarawak (Indone-sia), Malay (Malaxia), Pattani Thái (Thái Lan), Nam Côn Sơn (Việt Nam), Mê-Công (Việt Nam), Sông Hồng (Việt Nam), cửa sông Châu Giang (Trung Quốc) [3] Hiện nay, các bồn trũng này đều được thăm dò và khai thác dầu khí bởi các quốc gia liên quan, trong đó Indonesia là thành viên của OPEC Theo cơ quan Thông tin Năng lượng của Mỹ ước tinh trữ lượng dầu thô và hoá lỏng tiềm năng ở khu vực Biển Đông theo các quốc gia khoảng 1,5 tỷ thùng (Bruney), 0,3 tỷ thùng (Indone-sia), 5,0 tỷ thùng (Malaxia), 3,0 tỷ thùng (Việt Nam), 0,2 tỷ thùng (Philippin), 1,3 tỷ thùng (Trung Quốc) [147] Theo đánh giá của Trung Quốc, trữ lượng dầu thô khu vực Biển Đông khoảng 213 tỷ thùng, trong đó khu vực Trường Sa và Hoàng Sa khoảng 105 tỷ thùng [154] Theo đáng giá ước lượng của Việt Nam, dầu khí từ các bồn trũng khoảng là 550-700 triệu m3 (Sông Hồng), 300-700 triệu m3 (Phú Khánh), 700-800 triệu m3 (Cửu Long), 650-750 triệu m3 (Nam Côn Sơn), 250-300 triệu m3(Malay – Thổ Chu) và 1000-1500 triệu m3 (Vũng Mây) [9]

Trong giai đoạn 2006 – 2007, phân bố tiềm năng dầu - khí của khu vực Biển Đông và lân cận được đánh giá và xây dựng thành bản đồ Hình 1.7 thể hiện phân bố

về tiềm năng dầu khí trong không gian đã được chia theo lô và màu theo quản lý sở hữu của các quốc gia đang khai thác hoặc đã được thăm dò

Theo số liệu thống kê trong quá khứ về dầu tràn trên biển Việt Nam đã ghi nhận được các trường hợp liên quan đến thăm dò và khai thác dầu khí vào ngày 26/12/1992 với 300-700 tấn dầu FO (mỏ Bạch Hổ) và ngày 08/02/1995 với 15,37

m3 dầu FO (mỏ Đại Hùng) với cùng lý do vỡ ống dẫn dầu và không được thu gom Đối với các quốc gia khác trong khu vực Biển Đông chưa thu thập được thông tin Công nghiệp thăm dò và khai thác dầu khí ngày càng phát triển thì nguy cơ khả năng xảy ra sự cố dầu tràn gây ô nhiễm trên biển cũng gia tăng cao hơn

10

B Hoạt động hàng hải trong khu vực Biển Đông

Hệ thống tuyến hàng hải nói chung và vận chuyển dầu nói riêng qua khu vực Biển Đông thuộc loại lớn thứ 2 thế giới Hệ thống vận tải dầu giữa các cảng trong khu vực và từ khu vực Trung Đông sang Đông Á qua eo biển Singapor ở phía nam

và eo biển Đâì Loan – Basi ở phía bắc, lượng dầu lưu thông khoảng trên 300 triệu tấn/năm (Hình 1.5 và Hình 1.9) thuộc loại lớn nhất thế giới Lịch sử đã ghi nhận được rất nhiều vụ tai nạn gây tràn dầu trong giai đoạn 1976 đến 2005 với lượng từ 7 đến 700tấn (141 vụ tràn dầu) và trên 700 tấn (56 vụ tràn dầu) [148]

Hình 1.7 Phân bố tiềm năng dầu khí khu vực

Biển Đông và lân cận giai đoạn 2006-2007 [102]

Hình 1.8 Giao diện website quản lý tàu vận tải dầu của Cục Hàng hải Việt Nam [152]

Cục hàng hải Việt Nam đang quản lý trên 100 tàu vận tải dầu lớn nhỏ khác nhau (Hình 1.8) Theo số liệu thống kê của Cục Hàng hải Việt Nam, hàng năm đều

có hàng chục vụ tai nạn xảy ra trên biển với lý do đâm va giữa tàu và tàu, giữa tàu

và cầu cảng (Phụ lục 1) Năm 2017 từ tháng 3 đến tháng 11 đã có trên 30 vụ tai nạn đâm va và chìm tàu trên biến, các tàu này đều có một lượng dầu dự trữ nhất định để duy trì hoạt động trên hành trình nên dầu tràn ra biển là không tránh được [152] Theo số liệu thống kê của ITOPF về hiện trạng sự cố dầu tràn xảy ra trên biển giai đoạn 1992-2011 có 13 quốc gia có số vụ dầu tràn trên 7 tấn lớn nhất thế giới,

11

trong đó có 06 quốc gia thuộc Biển Đông và vận tải dầu lớn qua Biển Đông [148] Cũng theo số liệu thống kê trong nước giai đoạn 1992 đến 2015, số vụ dầu tràn là trên 50 vụ và đặc biệt là vụ dầu tràn trên biển không rõ nguồn gốc di chuyền vào vùng biển và bờ biển nước ta năm 2007-2008 [16]

Nguy cơ xảy ra sự cố tràn dầu trên thế giới nói chung và khu vực Biển Đông nói riêng do các nguyên nhân khác nhau (thăm dò và khai thác dầu khí, hoạt động giao thông hàng hải) là rất lớn và có ảnh hưởng trực tiếp đến nước ta

Vậy, từ hiện trạng đến nguy cơ xảy ra sự cố dầu tràn trong tương lai đã làm vấn đề nghiên cứu về lan truyền dầu và tìm kiếm nguồn phát thải trở nên cần thiết

và cấp bách Vấn đề này được đặt ra nhằm mục đích tạo ra công cụ tư vấn và hỗ trợ công tác ứng phó tràn dầu trong tương lai Nhiều công trình nghiên cứu được công

bố và các hội nghị về ứng phó sự cố tràn dầu diễn ra hàng năm trên khắp thế giới ở các nước có liên quan đến dầu

Hình 1.9 Hệ thống giao thông hàng hải quốc tế về vận chuyển dầu trên biển [143]

1.2 Tình hình nghiên cứu mô phỏng về dầu tràn trên biển

Theo tài liệu của Nguyễn Đình Dương [3] đã tổng hợp các hướng nghiên cứu chính về dầu tràn, bao gồm:

(1) Phân tích thành phần hoá lý của dầu;

12

(2) Sử dụng mô hình số trị cho bài toán lan truyền và biến đổi dầu tràn;

(3) Đánh giá thiệt hại do ô nhiễm dầu tràn;

(4) Giải pháp ứng phó và xử lý khi có sự cố tràn dầu

Trong luận án này, tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu thứ 2 là sử dụng mô hình số trị cho bài toán lan truyền và biến đổi dầu tràn Nền tảng khoa học của hướng nghiên cứu này sẽ được trình bày dưới đây

1.2.1 Tình hình nghiên cứu mô phỏng dầu tràn trên biển trên thế giới

Trên thế giới, các bài toán mô phỏng quá trình lan truyền dầu cũng được phát triển từ cuối thập niên 60 của thể kỷ XX với bài toán sơ khai về các thay đổi của quá trình phong hoá dầu trong môi trường nước tĩnh [38, 65, 66] Sau này, đã có nhiều cải tiến và phát triển để phù hợp với môi trường thực được thể hiện qua các công trình đã công bố [25, 46, 59, 68, 81, 92, 94, 124, 135, 148] Cho đến nay, sự phát triển này vẫn được tiếp tục không ngừng Thực tế, hướng nghiên cứu sử dụng

mô hình toán giải quyết vấn đề tràn dầu đã hình thành nên 04 dạng mô hình chính như sau:

Mô hình đánh giá biến đổi tính chất dầu hay mô hình phong hóa dầu là mô

hình dự báo sự thay đổi đặc điểm của dầu theo thời gian, dưới tác động của điều kiện môi trường tự nhiên như mô hình ADIOS [144]

Mô hình lan truyền dầu là mô hình dự báo quá trình di chuyển của vệt dầu tràn

ra môi trường biển theo thời gian với mô hình Euler như mô hình OSCAR [24, 117], mô hình OILMAP [127]; mô hình GULFSPILL [27], mô hình MOHID [95],

Mô hình quỹ đạo là mô hình dự báo quỹ đạo di chuyển của dầu tràn ra môi

trường biển theo thời gian với phương pháp tiếp cận Lagrange (gọi tắt là mô hình Lagrange) như mô hình MIKE31 PA/SA (Đan Mạch) [141], mô hình Delft3D PART (Hà Lan) [146], mô hình MEDSLIK (Síp) [59], mô hình GNOME (Mỹ) [145], mô hình Leeway [14],

13

Mô hình tái phân tích là mô hình xem xét quá trình di chuyển ngược thời gian

dùng để xác định vị trí nguồn phát thải khi không rõ vị trí của nguồn phát như LPTMs [33], mô hình Backtrack [40], …

Để các mô hình mô phỏng tràn dầu có thể thực hiện tính toán cần phải có thông tin dữ liệu về môi trường không khí và hải dương làm đầu vào Thông thường, các yếu tố môi trường được sử dụng là sản phẩm của các mô hình khí tượng và hải dương Các mô hình khí tượng hiện đã và đang được sử dụng trên thế giới như là các mô hình WRF (Mỹ); mô hình HRM (Đức); mô hình JMA MRI-NPD (Nhật Bản); mô hình IFS (Châu Âu); Các mô hình sóng mặt như là các mô hình WAM (Đức); SWAN (Hà Lan); Các mô hình được sử dụng mô phỏng chế độ thuỷ nhiệt động lực 2 chiều hoặc 3 chiều như là mô hình POM và ROMS (Mỹ); mô hình HAMSON (Đức, Canada); mô hình AIM/GHER (Bỉ);

Các mô hình về dầu tràn cũng đã được phát triển từ các mô hình đơn giản tới các mô hình ba chiều phức tạp với tính toán chi tiết quá trình lan truyền và biến đổi dầu, có tính đến các giải pháp ứng phó và đánh giá ảnh hưởng của dầu ô nhiễm tới môi trường sinh thái như là mô hình VOF [63]; mô hình COZOIL [82]; Bên cạnh, các mô hình có tên tuổi thương hiệu riêng thì vẫn có các mô hình tự xây dựng tồn tại song song [53, 54]

Một số kết quả nghiên cứu về quá trình phân hủy sinh học của dầu tràn cũng

đã được thể hiện [52, 104, 112, 135]

Một số nghiên cứu ứng dụng bài toán dầu tràn chịu tác động ảnh hưởng của dòng chảy tổng hợp (dòng gió Ekman, dòng sóng Stokes và dòng triều) cho một số khu vực như khu vực vịnh Thái Lan [44] và khu vực Biển Đông [79]

Theo một số tài liệu trên thế giới đã có tổng kết về ưu và nhược điểm của các

mô hình tràn dầu theo tiếp cận Euler hoặc Lagrange [25] Trong các mô hình Lagrange, giả thiết dầu tràn được phân chia thành các chất điểm (hạt) chịu tác động của các yếu tố môi trường (khí tượng và hải dương) và quá trình khuếch tán sử dụng phương pháp ngẫu hành (random-walk) Các yếu tố môi trường này là sản phẩm của

14

mô hình Euler nên khi sử dụng phải được nội, ngoại suy về vị trí các chất điểm cụ thể Trong mô hình này, tính chất hoá lý về dầu tràn cho từng hạt được thể hiện trong các công trình [108, 138] Hạn chế của mô hình Lagrange là không có các yếu

tố môi trường sử dụng làm đầu vào trực tiếp mà phải sử dụng từ sản phẩm mô hình Euler Trong khi đó, mô hình Euler sử dụng các yếu tố môi trường sử dụng làm đầu vào trực tiếp Đây là ưu điểm của mô hình Euler được sử dụng để mô phỏng dầu tràn [73, 105, 135]

Tóm lại, hướng nghiên cứu tiếp cận Lagrange được phát triển rộng rãi trên thế giới Nhưng hướng nghiên cứu tiếp cận Euler cũng có ưu điểm đồng nhất về phương pháp tiếp cận của các yếu tố môi trường làm đầu vào cho mô phỏng Do đó, tổng quan tình hình nghiên cứu về tràn dầu ở trong nước là cần thiết và quyết định lựa chọn chính xác hướng nghiên cứu cụ thể về tiếp cận Euler hay Lagrange

1.2.2 Tình hình nghiên cứu mô phỏng dầu tràn trên biển ở trong nước

Trong nước, nghiên cứu ô nhiễm biển nói chung và ô nhiễm do dầu tràn nói riên cũng được thực hiện từ khá lâu Từ thập kỷ 80 của thế kỷ XX, công trình nghiên cứu về ô nhiễm dầu do sự cố dầu tràn được thực hiện dưới dạng đề tài với quy mô cấp nhà nước có mã số 48.B.05.03 “Ô nhiễm biển do sông tải ra” do Phạm Văn Ninh chủ nhiệm [11] Vấn đề lan truyền và biến đổi dầu trên biển tiếp tục được nhiều nhà khoa học từ nhiều cơ quan nghiên cứu đề cấp và phát triển, cụ thể:

Viện Cơ học, nhóm nghiên cứu của Phạm Văn Ninh, Đinh Văn Mạnh và nnk

đã nghiên cứu xây dựng và hoàn thiện thành phần mềm có tên gọi là 2D, 3D [7, 8] Đây là phần mềm đầu tiên ở trong nước mà mà tính toán mô phỏng được

OST-sự lan truyền (mô hình Euler) của vệt dầu trên biển có tham gia của các quá trình phong hoá (bay hơi, loang dầu cơ học do trọng lực và nhũ tương); mô phỏng quỹ đạo (mô hình Lagrange) với quá trình khuếch tán với phương pháp ngẫu hành Phầm mềm này được áp dụng tính toán mô phỏng cho các khu vực khác nhau như vịnh Hạ Long, vịnh Đà Nẵng, vịnh Văn Phong; các vùng biển Bắc, Trung và Nam

Bộ Phần mềm này đã được chuyển giao cho Liên doanh Dầu khí Việt – Xô

15

Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường nay đổi tên thành Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Biến đổi Khí hậu, nghiên cứu về mô phỏng tràn dầu có hai nhóm Thứ nhất, nhóm nghiên cứu của Trần Hồng Thái và nnk sử dụng phương án tiêp cận là ứng dụng mô hình thương mại MIKE của DHI của Đan Mạch Mô hình MIKE3 PA/SA là một mô đul của phần mềm MIKE để tính toán lan truyền và biến đổi (mô hình Lagrange) của dầu tràn trên biển, xác định nguồn gây ô nhiễm dầu trong sự cố ô nhiễm dầu ven biển Việt Nam vào đầu năm 2007 [12] Thứ hai, nhóm nghiên cứu của Vũ Thanh Ca và nnk đã nghiên cứu xây dựng và phát triển mô hình lan truyền và biến đổi dầu của lớp dầu trên mặt (mô hình Euler) có tham gia của một số quá trình phong hóa (bay hơi, nhũ tương hóa, và tương tác dầu với bãi cát và đường bờ) [1] Mô hình này được kết nối trực tiếp trong mô hình thuỷ dộng lực hai chiều dưới dạng mô-đul và cũng xây dựng độc lập để sử dụng các sản phẩm từ các mô hình dự báo khác như khí tượng (MM5, GFS, WRF) và hải dương (POM và SWAN, …) Mô hình đã được áp dụng tính toán mô phỏng cho một số khu vực như khu vực vịnh Vân Phong, vùng biển Đà Nẵng, khu vực Biển Đông trong ứng phó sự cố tràn dầu năm 2007-2008

Khu vực phía nam, nhóm nghiên cứu của Nguyễn Hữu Nhân và nnk cũng đã nghiên cứu xây dựng và phát triển phần mềm OilSAS để tính toán mô phỏng lan truyền và biến đổi dầu tràn trên biển (mô hình Euler và mô hình Lagrange) Đây là phần mềm được đánh giá là đạt được nhiều kết quả tốt và được áp dụng tính toán

mô phỏng cho một số khu vực như vùng biển Khánh Hòa, vùng biển Thành phố Hồ Chí Minh, khu vực Biển Đông (2007) [10] Mô hình này cũng được bàn giao cho tỉnh Khánh Hoà

Viện nghiên cứu Biển và Hải đảo thuộc Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam, Phùng Đăng Hiếu và nnk đã nghiên cứu, xây dựng và hoàn thiện mô hình lan truyền

và biến đổi của lớp dầu tràn trên mặt biển (mô hình Lagrange) và nồng độ dầu trong nước (mô hình Euler) [4] Trong mô hình Lagrange này, quá trình khuếch tán được

sử dụng phương pháp ngẫu hành (Random Walk) và tham số khuếch tán rối của Okubo

16

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà nội, nhóm nghiên cứu của Đinh Văn Ưu và nnk đã nghiên cứu phát triển mô hình lan truyền và biến đổi dầu tràn (mô hình Euler) [58] Mô hình này là giải phương trình khuếch tán dầu

ba chiều trong biển, phạm vi lan truyền váng dầu trên mặt nước, dầu trong nước và trầm tích đáy với quy mô từ một vài ngày đến vài tuần lễ, và mô 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 Mô hình này được thực hiện dưới dạng chương trình con của mô hình thuỷ động lực ba chiều (mô hình AIMS/GHER) của Bỉ

Ngoài ra, các công trình nghiên cứu về tính toán mô phỏng lan truyền và biến đổi dầu tràn trên biển cũng được thực hiện bởi các nhà khoa học khác như Đỗ Hoài Dương, Tạ Đăng Minh, Phùng Chí Sỹ, Phạm Văn Huấn, Nguyễn Thọ Sáo, Nguyễn

Kỳ Phùng, Bùi Xuân Thông, Lê Văn Công, [3]

Bên cạnh đó, phương pháp ứng dụng ảnh viễn thám phục vụ xác định vệt dầu trên biển và tìm nguồn gốc gây ra ô nhiễm dầu đã sử dụng năm 2007 và 2008 ở Việt Nam từ Cục Viễn thám quốc gia và Tổng cục Môi trường thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường, Viện Địa lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Ưu điểm của phương pháp này là phân tích hiện trạng tức thời dầu tràn trên biển khá hiệu quả, tạo điều kiện việc cảnh báo sớm và làm đầu vào cho mô hình số Như vậy, quá trình phát triển nghiên cứu về tràn dầu ở trong nước cũng được tiến hành từ thập niên 80 của thế kỷ XX, sau thế giới hơn hai thập niên Những kết quả nghiên cứu cũng đáng chú ý với những phần mềm như phần mềm OST và phần mềm OILSAS Các phần mềm này cũng sử dụng phương pháp tiếp cận Euler và Lagrange Song song với sử dụng phần mềm trong nước tự phát triển, cũng có những nhóm tác giả ứng dụng mô hình thương mại như mô hình Delft PART và mô hình MIKE3 PA/SA Các nghiên cứu này không ngừng phát triển theo hướng mã nguồn mở và có sự cập nhật cải tiến Bên cạnh đó, nghiên cứu ứng dụng phương pháp phân tích ảnh vệ tinh nhằm tăng cường độ chính xác cơ sở dữ liệu dầu tràn trên biển và cảnh báo ngắn hạn về dầu tràn Từ cơ sở nền tảng kiến thức về tính toán

17

mô phỏng lan truyền và biến đổi dầu tràn, luận án lựa chọn phương pháp tiếp cận tính toán mô phỏng lan truyền và biến đổi dầu tràn trên biển theo phương pháp tiếp cận Euler (mô hình Euler) có sử dụng cơ sở dữ liệu sự cố dầu tràn từ các tai nạn khai thác dầu khí và giao thông hàng hải trong quá khứ và phân tích ảnh vệ tinh về dầu tràn trôi nổi trên biển năm 2007 và 2008

1.3 Tình hình nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải

Cho đến nay, vấn đề khả năng tìm kiếm hay truy tìm nguồn gốc gây sự cố trên biển nói chung và gây ô nhiễm dầu tràn trên biển nói riêng vẫn là bài toán ngược thời gian phức tạp và gặp nhiều khó khăn trong việc giải quyết Cơ sở khoa học của bài toán ngược thời gian được tổng quan với những nội dung thể hiện trong những mục tiếp theo sau

1.3.1 Tình hình nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải trên thế giới

Lịch sử phát triển nghiên cứu về bài toán mô phỏng ngược thời gian từ khí tượng (ô nhiễm không khí, bụi) đến hải dương (di chuyển sinh vật phù du, vật thể trôi, đặc biệt là dầu tràn trên biển) ở các mức độ từ đơn giản đến phức tạp nhằm phục vụ khả năng tìm kiếm nguồn phát sinh cũng đã được cụ thể hoá qua các công trình nghiên cứu dưới đây

Trong lĩnh vực khí tượng, mô hình Lagrange được sử dụng phổ biến trong các công trình nghiên cứu khả năng truy tìm nguồn gốc bụi gây ô nhiễm được kiểm nghiệm bằng các đầu vào với độ phân giải khác nhau và thực nghiệm bằng các chất đánh dấu phân tán trong tự nhiên [130] Tiếp theo, các mô hình này áp dụng kết hợp sử dụng phương pháp so sánh mẫu dựa trên các nguồn thải đã được xác định trước đó để xác định chính xác nguồn gây ô nhiễm [123]; áp dụng thực nghiệm xác định quỹ đạo hạt bụi cho khu vực ở Algerciras và Paks [111] Bên cạnh đó, hướng tiếp cận theo giải bài toán hàm ngược để xác định nguồn gốc [96]

Trong lĩnh vực hải dương, mô hình Lagrange cũng được sử dụng phổ biến trong các công trình nghiên cứu khả năng truy tìm nguồn xác định nguồn gốc, cụ thể: Thứ nhất, các công trình nghiên cứu về sự di chuyển của sinh vật phù du trong

18

biển bằng mô hình LPTMs (viết tắt của Lagrangian Particle-Tracking Models) [33] LPTMs là mô hình tích hợp của mô hình quỹ đạo xuôi thời gian (FITT) và mô hình quỹ đạo hạt ngược thời gian (BITT) xác định khả năng vị trí nguồn của sinh vật phù

du trong quá khứ ngược thời gian mà không xét đến quá trình khuếch tán [48, 76,

97, 128] Mô hình BITT đã ứng dụng nghiên cứu với khu vực nguồn sinh sản của cá

ở vùng OMEX ngoài khơi Na Uy và kết quả mô phỏng chỉ đạt 0,1% [107]; Thứ hai, các công trình nghiên cứu về vật thể trôi dạt trên biển để truy tìm nguồn gốc khu vực xảy ra tai nạn với những đánh giá thực nghiệm [26] Mô hình này sử dụng phương pháp Monte Carlo để tạo ra tập hợp vị trí các chất điểm ban đầu ngẫu nhiên

và sử dụng các yếu tố môi trường từ các sản phẩm mô hình Euler (khí tượng và hải dương) phục vụ quá trình mô phỏng [55, 56] Mô hình này xác định quỹ đạo của các chất điểm và khu vực tìm kiếm để phục vụ khả năng tìm kiếm và cứu hộ (SAR) (người, các vật thể trôi và vật liệu nguy hiểm (HAZMAT) đã được đề cập đến [56]; Cuối cùng, nhóm nghiên cứu của Thomas Peacock và nnk tại Viện nghiên cứu Công nghệ Massachusetts (MIT) của USA đã có chuyến sang Việt Nam giới thiệu

và giảng dạy về phương pháp cấu trúc nhánh kết hợp Lagrangian (LCSs) [134] Trong hệ thống bài giảng này có những công trình liên quan đến vấn đề xác định quỹ đạo hay đường dòng của các vật thể có thể di chuyển qua, các kết quả mô phỏng quá trình lan truyền (3D) và các quỹ đạo trôi của dầu

Như vậy, trên thế giới trong lĩnh vực khí tượng và hải dương, mô hình

La-grange đã được sử dụng để nghiên cứu khả năng truy tìm và tìm kiếm nguồn gốc

1.3.2 Tình hình nghiên cứu khả năng tìm kiếm nguồn thải dầu ở trong nước

Tâị Việt Nam, trong lĩnh vực nghiên cứu khí tượng, đã sử dụng mô hình nhận xác định nguồn gây ô nhiễm không khí dựa trên so sánh các kết quả phân tích mẫu khu vực ô nhiễm và các nguồn phát thải ô nhiễm đã xác định trước [2] Tiếp theo, sử dụng phương pháp hàm ngược trong việc xác định nguồn phát thải ô nhiễm [114] Phương pháp này chặt chẽ về nền tảng cơ sở toán học

tiếp-19

Trong lĩnh vực nghiên cứu hải dương về dầu tràn cũng đã có những kết quả nghiên cứu được công bố: công trình nghiên cứu về ô nhiễm dầu ở biển Việt Nam theo phân loại tính chất hóa học của dầu để phân biệt nguồn gốc [13], từ cấu tạo hóa học của mỗi loại dầu cho phép xác định nguồn gốc phát thải các khu vực khác nhau [17-19]; Vũ Thanh Ca và nnk xác định khả năng khu vực xảy nguồn thải dầu sử dụng mô hình Euler bằng phương pháp thử mẫu Phương pháp này dựa vào đánh giá trực quan trường động lực bề mặt quá khứ để giả định các vị trí nguồn thải và sử dụng mô hình tính toán mô phỏng [1]; Trần Hồng Thái và nnk đã ứng dụng mô hình thương mại MIKE (mô hình Lagrange) tính toán mô phỏng để truy tìm nguồn gốc thải dầu trên biển [12]; Thứ tư, nhóm nghiên cứu của Nguyễn Hữu Nhân và nnk xây dựng mô hình Lagrange sử dụng phương pháp đảo ngược thời gian (t = -t) và quá trình khuếch tán đơn giản để truy tìm nguồn gốc thải dầu [10]; Cuối cùng, trong khuôn khổ đề tài “Ô nhiễm dầu trên Biển Đông” do Nguyễn Đình Dương làm chủ nhiệm, bài toán truy tìm nguồn gốc gây ô nhiễm dầu cũng được nhóm nghiên cứu của Trần Gia Lịch và nnk sử dụng phương pháp giả hàm ngược nhưng ở mức độ sơ khai với điều kiện đầu vào bài toán khá lý tưởng [3]

Tóm lại, tình hình nghiên cứu về bài toán khả năng tìm kiếm nguồn gốc thải dầu tràn ngược thời gian còn ở dạng sơ khai với nhiều khía cạnh nghiên cứu khác nhau Về khía cạnh mô hình hoá thì mô hình Lagrange vẫn được sử dụng rộng rãi hơn mô hình Euler mà mô hình Euler chưa thấy thể hiện Do đó, hướng nghiên cứu tiếp cận Euler cho bài toán này được lựa chọn

Do đó, phương pháp tiếp cận Euler (mô hình Euler) sẽ được lựa chọn để nghiên cứu

mô phỏng sự cố dầu tràn về tính toán lan truyền và biến đổi của lớp dầu tràn trên mặt biển xuôi - ngược thời gian

Luận án này thực hiện nghiên cứu dựa vào phương pháp tiếp cận Euler đối với bài toán mô phỏng lan truyền và biến đổi của lớp dầu tràn trên mặt biển trong khu vực Biển Đông phục vụ cảnh báo (bài toán xuôi thời gian) và khả năng tìm kiếm nguồn thải dầu (bài toán ngược thời gian)

21

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN DẦU

VÀ KHẢ NĂNG TÌM KIẾM NGUỒN THẢI DẦU

2.1 Phương pháp nghiên cứu lan truyền và biến đổi dầu

Khi xảy ra sự cố làm tràn dầu ra môi trường biển, tính chất vật lý của dầu thay đổi dưới tác động của các quá trình nội lực (tự khuếch tán loang ra) và ngoại lực (thủy động lực môi trường và phong hóa) Hình 2.1 thể hiện khái quát các quá trình tác động đến dầu tràn trong môi trường tự nhiên như quá trình động lực (bình lưu, đối lưu, khuếch tán); quá trình phong hoá (bay hơi, ô xy hoá, hoà tan, phân tán

thẳng đứng, nhũ tương, lắng đọng xuống đáy, hấp thụ trầm tích, tương tác bờ bãi, phân huỷ sinh học); quá trình biến đổi tính chất dầu (mật độ, thể tích, độ nhớt và sức căng bề mặt)

Theo các tổng quan về nghiên cứu dầu tràn, đối tượng nghiên cứu được xác định là lớp dầu tràn trên bề mặt nước với các yếu tố được lựa chọn để tính toán là nồng độ tương đối, độ dày của lớp dầu và mật độ của lớp dầu tràn trên mặt nước Các yếu tố này được xem xét trong thể thống nhất và quan hệ chặt chẽ với nhau Do Hình 2.1 Các quá trình vật lý, phong hóa và biến đổi dầu tràn trên biển [148]

[độ dày] = [thể tích]/[diện tích bao phủ]

Đơn vị tính của độ dày là [m]

- Mật độ của lớp dầu trên bề mặt được xác định là tỷ số giữa khối lượng và thể tích của khối dầu tràn trên mặt nước Trong đó, thể tích của lớp dầu được xác định qua độ dày và diện tích bao phủ trên bề mặt nước của lớp dầu tràn:

[mật độ] = [khối lượng]/[thể tích] = [nồng độ]/ [độ dày]

Đơn vị tính của mật độ là [kg/m3]

Diện tích bao phủ của lớp dầu trên mặt nước được hiểu như sau:

+ Nếu coi lớp dầu là một khối liên tục thì diện tích này là toàn bộ diện tích của lớp dầu bao phủ được trên mặt nước

+ Theo mô hình Euler thì diện tích này tương ứng với tập hợp toàn bộ các ô lưới tính toán riêng biệt có dầu xuất hiện và các yếu tố khác cũng được xem xét theo mỗi ô lưới tính riêng biệt Như vậy, trên từng ô luới các giá trị của các yếu tố đều có hoặc không đồng thời và các ô lưới khác nhau có thể sẽ có giá trị khác nhau theo từng yếu tố đặc trưng của lớp dầu tràn trên mặt nước

23

Quá trình tính toán được thể hiện qua sơ đồ (Hình 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý của quá trình lan truyền và biến đổi tính chất của dầu tràn

2.1.1 Cơ sở lý thuyết về lan truyền và biến đổi dầu xuôi thời gian

Đã có nhiều nghiên cứu tổng hợp về các quá trình lan truyền và biến đổi dầu tràn [45, 46, 62, 68, 69, 140] Các quá trình này được mô tả bằng phương trình cân bằng dầu do biến đổi với các thành phần bình lưu, khuếch tán và hàm nguồn

x y

y

C D y x

C D x y

C V x

C V t

C

)(

)

trong đó: C là nồng độ của lớp dầu tràn trên mặt nước [kg.m-2]; V x và V y là các vận

tốc thành phần theo trục x và y của V a [m.s-1] V a là vận tốc bình lưu có giá trị phụ thuộc vào gió, dòng sóng và dòng chảy mặt nước được xác định cụ thể trong phần

tham số hoá quá trình bình lưu; D h là hệ số khuếch tán ngang với các hệ số thành

phần D x và D y theo trục x và y [m2.s-1] D h là hàm phụ thuộc vào độ dày lớp dầu, sức căng bề mặt dầu – nước, mật độ dầu, thể tích dầu, mật độ nước, độ nhớt động học của nước, sóng, dòng chảy mặt và gió được xác định trong phần tham số hoá

quá trình khuếch tán; C m là nguồn của dầu tràn [kg.m-2s-1]; t là thời gian [s]

Phương trình độ dày của lớp dầu tràn trên mặt nước được viết dưới dạng [25,

130, 135, 139]:

Sự cố tràn dầu

Yếu tố môi trường

Quá trình động lực dầu

Quá trình phong hóa dầu

Quá trình biến đổi đặc tính dầu

x y

x

C y

h D y x

h D x y

h V x

h V t

h

)

()

vì chúng tăng cường lên hoặc làm giảm xuống khả năng gây ô nhiễm Đối với mô hình Euler thì vị trí nguồn được quy theo ô lưới của vị trí đó Nếu nguồn liên tục thì lượng dầu tràn trên ô lưới đó sẽ được bổ sung hoặc mất đi sau mỗi bước tính

Biểu thức liên hệ giữa thể tích và mật độ của lớp dầu tràn trên mặt nước có dạng:

h

C hA

trong đó: V 0 là với thể tích [m3] và 0 là mật độ [kg.m-3] của lớp dầu tràn trên mặt nước

B Các đặc trưng biến đổi tính chất dầu tràn trên mặt nước

Mật độ của dầu tràn thay đổi theo thời gian và tốc độ biến đổi sẽ khác nhau đối với mỗi loại dầu (Bảng 2.1) Các loại dầu nhẹ hơn sẽ bay hơi và nhũ tương hóa nhiều hơn so với loại dầu nặng Tuy nhiên, trong điều kiện thời tiết bình thường dầu vẫn tiếp tục lan truyền nếu không bị tác động hoà tan vào cột nước hoặc bám dính

bờ Trong điều kiện dầu tràn gần bờ sẽ bị tác động mạnh của chế độ động lực ven

bờ do sóng và bám dính vào bờ biển ở dạng dầu cục trên bãi

Các công trình nghiên cứu cho thấy mật độ dầu biến đổi phụ thuộc vào tỷ lệ của phần dầu bay hơi, nhiệt độ dầu, tỷ lệ của phần dầu bị nhũ tương hoá (nước trong dầu) và mật độ dầu ban đầu, các công bố [94, 98, 109] đã xây dựng các công thức thể hiện sự phụ thuộc của mật độ dầu vào quá trình bay hơi và nhũ tương; vào bay hơi, nhũ tương và chênh lệch nhiệt độ (dầu và môi trường) [43, 92]

2 Dầu hoả 780 - 880 9 Dầu thô Alaska (USA) 866

3 Dầu thô nhẹ loại 1 (DO) 800 – 880 10 Dầu thô Lousiana (USA) 946

4 Dầu thô nhẹ loại 2 (DO) 880-1000 11 Dầu thô Texas (USA) 847

5 FO 940-990 12 Dầu thô Alberta (Canada) 829

6 Dầu thô loại 6 (Bunker C) 960 – 1040 13 Dầu thô Biển Bắc (UK) 835

7 Dầu thô nhũ tương 960 – 1000 14 Dầu thô Ả - Rập 864 Mật độ của lớp dầu tràn trên mặt nước được xác định dưới tác động của quá trình phong hoá bao gồm bay hơi, nhũ tương và chênh lệch nhiệt độ (dầu và môi trường) có dạng [43]:

trong đó: ρ là mật độ của lớp dầu trên mặt nước dưới tác động của quá trình phong

hoá [kg.m-3]; ρ w là mật độ nước biển tầng mặt [kg.m-3]; ρ 0 là mật độ ban đầu của lớp

dầu trên mặt nước; C 1 và C 2 là các hằng số thực nghiệm tương ứng 8,0*10-3 [oK-1]

và 1,8*10-1; T và T e là nhiệt độ dầu và môi trường [oK]; F w và F e là tỷ phần của các quá trình nhũ tương hoá và bay hơi

Thể tích của lớp dầu tràn trên mặt nước được hiệu chỉnh dưới tác động của quá trình phong hoá [60]:

disc d

e

F

F F F

F F

F F V

trong đó, V là thể tích của lớp dầu tràn trên mặt nước dưới tác động của quá trình

phong hoá [m3]; F w là tỷ phần nhũ tương hoá của lớp dầu trên mặt biển, phụ thuộc

vào gió được xác định trong phần tham số hoá quá trình nhũ tương hoá; F e là tỷ phần bay hơi của lớp dầu trên mặt biển, phụ thuộc vào nhiệt độ dầu, chênh lệch

26

nhiệt độ giữa dầu và nước, nhiệt độ môi trường, gió và độ dày lớp dầu được xác

định trong phần tham số hoá quá trình bay hơi; F d là tỷ phần phân tán thẳng đứng của lớp dầu trên mặt biển, phụ thuộc vào thông lượng dầu trao đổi thẳng đứng, độ dầy lớp dầu, mật độ dầu Thông lượng dầu phụ thuộc vào độ nhớt động học dầu, mật độ dầu, gió và sóng Các giá trị này được xác định trong phần tham số hoá quá

trình phân tán thẳng đứng F disc là tỷ phần hoà tan vào trong nước của lớp dầu trên mặt biển, phụ thuộc vào khả năng hoà tan của dầu, quá trình bay hơi, độ dày lớp dầu, sóng, dòng chảy mặt, khuếch tán thẳng đứng, gió, độ nhớt động lực học của dầu, sức căng bề mặt dầu – nước và tỷ lệ loại dầu Các giá trị này được xác định

trong phần tham số hoá quá trình hoà tan; F sed là tỷ phần hấp thụ trầm tích của lớp dầu trên mặt biển, phụ thuộc vào nồng độ dầu, nồng độ trầm tích lơ lửng, đường kính hạt trầm tích đáy, hệ số trầm tích hấp thụ dầu và sóng Các giá trị này được xác

định trong phần tham số hoá quá trình trầm tích hấu thụ dầu; F coast là tỷ phần tương tác bãi và bờ biển của lớp dầu trên mặt biển, phụ thuộc vào hệ số suy giảm theo đặc điểm bờ bãi được xác định trong phần tham số hoá quá trình lắng đọng dầu trên bãi

và bờ biển F oxy là tỷ phần ô-xy hoá của lớp dầu trên mặt biển, phụ thuộc vào nhiệt

độ nước, độ muối và tổng lượng bức xạ được xác định trong phần tham số hoá quá

trình ôxy hoá dầu F bio là tỷ phần phân huỷ sinh học của lớp dầu trên mặt biển, phụ thuộc vào hệ số suy giảm do sinh học được xác định trong phần tham số hoá quá trình phân huỷ sinh vật

Độ nhớt là một tham số phụ thuộc vào nhiệt độ, quá trình bay hơi và nhũ tương hoá được xác định cụ thể như tương quan ảnh hưởng biến đổi tính chất nhớt khác nhau [98]; phát triển theo hướng tích phân và vi phân [92, 94, 109, 121]; mối quan hệ phụ thuộc vào độ nhớt ban đầu, bay hơi, nhũ tương và chênh lệch nhiệt độ dầu và môi trường [25, 60]; mối quan hệ phụ thuộc vào độ nhớt ban đầu và nhiệt độ môi trường [118]; độ nhớt ban đầu phụ thuộc tỷ lệ asphalten [43] Từ đó, tác giả lựa chọn hệ thống công thức:

- Độ nhớt động lực học và nhớt động học của lớp dầu tràn trên mặt nước [43]: